水表壓力損失對(duì)流量計(jì)量的影響

王昊飛 姚 蜜

0 引言

在我們的日常生活中，水表是向水務(wù)部門提供居民、企業(yè)等用戶用水量的主要依據(jù)，所以，水表的工作質(zhì)量直接關(guān)系到用戶的利益和水務(wù)部門的經(jīng)濟(jì)效益。也正因?yàn)槿绱耍畡?wù)部門和用戶都對(duì)水表運(yùn)行質(zhì)量予以高度重視。而水表壓力損失則是影響水表使用質(zhì)量的關(guān)鍵，它將會(huì)對(duì)水量計(jì)量的穩(wěn)定性和精確性產(chǎn)生很大的影響，因此，對(duì)于水表壓力損失，我們應(yīng)做到足夠重視。

1 水表壓力損失

壓力損失也就是液體在流動(dòng)過程中所產(chǎn)生的能量損失，主要包括局部的壓力損失和沿程的壓力損失。水表局部的壓力損失是由內(nèi)部旋渦所導(dǎo)致的液體質(zhì)點(diǎn)與液體質(zhì)點(diǎn)，或者是液體質(zhì)點(diǎn)與固體壁面之間的碰撞以及劇烈摩擦過程中造成的壓力損失。

因?yàn)樗碛兄煌姆N類，所以水表也有著多種多樣的結(jié)構(gòu)形式，就常見的單流束式水表、多流束式水表以及容積式水表而言，他們的組成就具有很大差異。但是就各個(gè)構(gòu)件的功能來看，不同種類水表的構(gòu)建主要都包括過濾網(wǎng)、表殼、流量調(diào)節(jié)板、計(jì)量機(jī)構(gòu)和隔板[1]。

水表之所以會(huì)產(chǎn)生壓力損失，其主要原因是當(dāng)水流經(jīng)過各個(gè)構(gòu)件時(shí)，其速度和方向都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，這樣就會(huì)導(dǎo)致流場發(fā)生畸變，進(jìn)而影響到其速度分布，這樣就產(chǎn)生了壓力損失。

2 水表壓力損失原因分析

2.1 水流產(chǎn)生的旋渦圍繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)

旋渦的產(chǎn)生主要是因?yàn)樗鞲淖兞朔较颍@在水表計(jì)量機(jī)構(gòu)中將會(huì)表現(xiàn)得十分明顯，且水表計(jì)量機(jī)構(gòu)自身的功能將會(huì)對(duì)旋渦產(chǎn)生情況起到?jīng)Q定性作用。也就是說，計(jì)量機(jī)構(gòu)里的葉輪會(huì)借助于旋轉(zhuǎn)水流來保障自身轉(zhuǎn)動(dòng)的連續(xù)性，以此來實(shí)現(xiàn)水量計(jì)量。所以，計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)水表自身的計(jì)量特性也會(huì)起到?jīng)Q定性作用。

2.2 二次流動(dòng)

所謂二次流動(dòng)，指的是在水流分離作用下所形成的二次渦流，這種二次渦流不僅會(huì)受到水流分離限制，且可以重復(fù)循環(huán)。在水表中，導(dǎo)致二次渦流形成的主要構(gòu)件包括表殼和流量調(diào)節(jié)板。在水流從表殼經(jīng)過的過程中，與水流垂直的表殼截面面積會(huì)在水流的作用下出現(xiàn)突然性的增大或者縮小，而在表殼截面增大的位置或縮小的位置附近，就會(huì)有二次渦流形成。水表的流量調(diào)節(jié)板主要在計(jì)量機(jī)構(gòu)底部或上部分布，它可以起到分離水流的作用，而二次渦流也正因?yàn)榉蛛x而形成，進(jìn)而讓水流的能量降低，流速減慢，以此來避免因?yàn)槿~輪元件轉(zhuǎn)速太快所導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)元件磨損過快情況，保障水表的使用壽命[2]。

上述的這些構(gòu)件都會(huì)對(duì)流場產(chǎn)生影響，而這些影響的綜合結(jié)果就是導(dǎo)致速度矢量的軸向、切向以及徑向的不對(duì)稱，其主要的表現(xiàn)就是壓力損失，且對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的水表而言，壓力損失各項(xiàng)的速度矢量也會(huì)有著不同的敏感程度，所以對(duì)流場變化所產(chǎn)生的影響也會(huì)有所差異，這就使得不同結(jié)構(gòu)形式的水表流量計(jì)量方面的可靠性、穩(wěn)定性以及重復(fù)性存在差異。

3 水表中各個(gè)構(gòu)件壓力損失對(duì)比分析

經(jīng)長時(shí)間的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在受到設(shè)備條件、安裝方式等各種工況條件的影響作用下，各種水表所表現(xiàn)出的計(jì)量誤差在穩(wěn)定性以及一致性方面從次到好的順序?yàn)閱瘟魇剿怼⒍嗔魇剿砗突钊剿怼Ｔ诹髁繛槊啃r(shí)5立方米的情況下，通過對(duì)DN20水表中各個(gè)構(gòu)件壓力損失情況所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，具體試驗(yàn)中，將水流量控制統(tǒng)一控制（每小時(shí)5立方米），然后分別將單流束式水表、多流束式水表以及活塞式水表安裝好，并通過壓力損失測量裝置對(duì)水表中各個(gè)構(gòu)件的壓力損失情況進(jìn)行測量。具體的試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

通過上表可知，在水表的各個(gè)組成構(gòu)件中，最重要的壓力損失構(gòu)件是水表的計(jì)量機(jī)構(gòu)，而壓力損失產(chǎn)生的主要原因則是由旋渦所導(dǎo)致的流場激變。計(jì)量機(jī)構(gòu)將會(huì)對(duì)水表壓力損失產(chǎn)生很大的影響，也就是說，在水表的所有構(gòu)件中，計(jì)量機(jī)構(gòu)所導(dǎo)致的壓力損失占比越大，水表計(jì)量過程中所表現(xiàn)的穩(wěn)定性和重復(fù)性也就會(huì)越差[3]。

4 水表壓力損失和流量計(jì)量之間的關(guān)系分析

在水表的實(shí)際應(yīng)用過程中，水表壓力損失和流量之間有著十分復(fù)雜的關(guān)系，在對(duì)其關(guān)系進(jìn)行具體分析的過程中，我們可以用以下的二次函數(shù)加以粗略表示，其公式為：

在以上的二次函數(shù)公式中，水表壓力損失值用Λp來表示；流量用Q來表示，常數(shù)項(xiàng)分別是a、b、c。

在具體的測試中，分別在不同的流量條件下對(duì)單流束式水表、多流束式水表以及活塞式水表的壓力損失進(jìn)行測試，經(jīng)過測試，得出了這三種水表在不同流量條件下的壓力損失情況，具體情況如下圖1所示。

通過以上的曲線圖可以看出，在流量條件相同的情況下，單流束式水表的壓力損失最大，多流束式水表的壓力損失次之，活塞式水表的壓力損失最小。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，主要是因?yàn)樵谕ㄟ^水表進(jìn)行計(jì)量時(shí)，由于水表計(jì)量機(jī)構(gòu)不同，旋渦、二次流以及脈動(dòng)流所導(dǎo)致的流場激變不同，流場穩(wěn)定性降低情況和水表流量計(jì)量結(jié)果所受到的影響也不同，所以其壓力損失也就會(huì)呈現(xiàn)出差異性[4]。

所以，在具體的水表使用過程中，若要提升水表計(jì)量的準(zhǔn)確性，就應(yīng)該通過科學(xué)合理的方法來降低計(jì)量機(jī)構(gòu)所造成的壓力損失，比如對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化等。這樣才能保障水表的計(jì)量效果，避免計(jì)量機(jī)構(gòu)壓力損失對(duì)流量計(jì)量產(chǎn)生過大的不利影響。

表1水表中各個(gè)構(gòu)件所造成的壓力損失情況

圖1不同流量條件下三種水表壓力損失情況曲線圖

5 結(jié)束語

本文主要對(duì)水表壓力損失對(duì)水表計(jì)量的影響進(jìn)行分析，通過分析可知，在應(yīng)用水表進(jìn)行水量計(jì)量的過程中，導(dǎo)致水表壓力損失的一個(gè)最主要構(gòu)件就是水表中的計(jì)量機(jī)構(gòu)。在整個(gè)的水表壓力損失中，計(jì)量機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的壓力損失占比越大，該水表中計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)流量變化所引起的壓力損失也就會(huì)越明顯，這就會(huì)使該水表在水量計(jì)量過程中的穩(wěn)定性受到不利影響。

由此可知，要想有效解決水表流量計(jì)量穩(wěn)定性和重復(fù)性方面的問題，一個(gè)最有效的方法就是對(duì)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其所造成的壓力損失在整體水表壓力損失中的比例降低，這樣才可以讓由于計(jì)量機(jī)構(gòu)壓力損失過大所導(dǎo)致的流場激變情況得到有效改善，避免流場的無規(guī)律性和不確定性，將由于流場激變所導(dǎo)致的計(jì)量元件動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況做到最大化降低。這樣才可以解決水表計(jì)量穩(wěn)定性和重復(fù)性方面的問題，讓水表在具體的水量計(jì)量工作中發(fā)揮出自身充分的優(yōu)勢，以此來保障用戶和水務(wù)單位雙方的經(jīng)濟(jì)效益。