文丘里不同傾角對(duì)實(shí)驗(yàn)精度影響研究

張曉麗，許怡寧

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

1 概述

實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的壓差式流量計(jì)主要有三種：文丘里流量計(jì)、孔板流量計(jì)和噴嘴流量計(jì)。其中孔板流量計(jì)應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)槠湓靸r(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，無(wú)可動(dòng)部件等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于測(cè)量封閉管道中。文丘里流量計(jì)測(cè)量管路中穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，以伯努利方程和質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，而在瞬變流動(dòng)狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型并不適用，流量測(cè)量會(huì)產(chǎn)生很大的誤差[1]。和另外兩種流量計(jì)比較，它的能量損失最小，并且能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)傳，流量系數(shù)能夠達(dá)到0.98 左右。文丘里流量計(jì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域用于流量的測(cè)量。

流體力學(xué)是理工院校相關(guān)專業(yè)必修課程。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)課程中不可或缺的實(shí)踐環(huán)節(jié)[2-5]。很多工科專業(yè)都是以培養(yǎng)出應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型的高水平人才為目標(biāo)，因此實(shí)踐性環(huán)節(jié)的作用顯得尤為突出[6-7]。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革增加自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生實(shí)做興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。本文圍繞文丘里實(shí)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)并制作了三種不同傾角文丘里流量計(jì)，并對(duì)流量計(jì)精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。對(duì)可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析，經(jīng)過(guò)多次精細(xì)實(shí)驗(yàn)討論文丘里不同傾角對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的影響。

2 文丘里實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)反復(fù)查閱資料，認(rèn)真分析國(guó)內(nèi)各個(gè)文丘里流量計(jì)生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)，為了研究文丘里流量計(jì)不同傾角對(duì)精度的影響及改進(jìn)，設(shè)計(jì)加工以下幾組不同規(guī)格的文丘里流量計(jì)，具體情況如圖1 所示：

圖1 不同傾角文丘里管

從前至后，文丘里流量計(jì)尺寸依次為：

（1）喉口直徑：0.8cm，收縮的前傾角：15°，擴(kuò)展的后傾角：15°。

（2）喉口直徑：1.05cm，收縮的前傾角：10°，擴(kuò)展的后傾角：15°。

（3）喉口直徑：0.7cm，收縮的前傾角：17.5°，擴(kuò)展的后傾角：15°。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表分析

3.1 第一組實(shí)驗(yàn)

喉口直徑：0.8cm，收縮的前傾角：15°，擴(kuò)展的后傾角：15°。

表1 為水溫 22.5℃管徑 d1=1.4cm，d2=0.8cm 條件下測(cè)取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理計(jì)算表

3.2 第二組實(shí)驗(yàn)

喉口直徑：1.05cm，收縮的前傾角10°，擴(kuò)展的后傾角15°。

表1 為水溫22.5℃管徑d1=2.0cm，d2=1.05cm 條件下測(cè)取數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理計(jì)算表

3.3 第三組實(shí)驗(yàn)

喉口直徑：0.7cm，收縮的前傾角：17.5°，擴(kuò)展的后傾角：15°。

表3 為水溫 22.5℃管徑 d1=1.4cm，d2=0.7cm 條件下測(cè)取數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：喉管長(zhǎng)度、喉管直徑是影響文丘里管阻力的主要因素，當(dāng)文丘里管喉口與均勻段壓差減小時(shí)，能量損失增大。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理計(jì)算表

4 數(shù)據(jù)分析與處理

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以得出一些基本結(jié)論，為進(jìn)一步分析文丘里不同傾角之間的關(guān)系，分別繪出幾組數(shù)據(jù)的qv～Δh 的關(guān)系曲線，具體如下圖2-4 所示。

通過(guò)以上圖表分析可以得出以下結(jié)論：收縮角在10°～21°，喉道平直段長(zhǎng)度等于喉道直徑，擴(kuò)張角為15°左右時(shí)能量損失最小。喉口直徑d1與均勻段直徑d2之比約為1/2 時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為合理，能量損失最小。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）從以上實(shí)驗(yàn)可以得出喉管長(zhǎng)度、喉管直徑是影響文丘里管阻力的主要因素，實(shí)驗(yàn)（水為流體）的μ 值大小與 qv、d1、d2、Δh 有關(guān)，其中 d1、d2影響最敏感。

（2）文丘里流量計(jì)，其前、后兩靜壓測(cè)孔分別布置在文丘里管入口管壁處、喉管1/2 長(zhǎng)度管壁處較為合理，流量計(jì)算截面應(yīng)選在喉管1/2 長(zhǎng)度軸截面。

（3）當(dāng)文丘里管喉口與均勻段壓差減小時(shí)，能量損失增大。

（4）收縮角在 10°～21°，喉道平直段長(zhǎng)度等于喉道直徑，擴(kuò)張角為15°左右時(shí)能量損失最小。

（5）喉口直徑d1與均勻段直徑d2之比約為1/2 時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為合理，能量損失最小。

圖2 第一組qv～Δh 的關(guān)系曲線

圖3 第二組qv～Δh 的關(guān)系曲線

圖4 第三組qv～Δh 的關(guān)系曲線