計量輪裝置水力學特性的實驗研究

＊賈新亮 張昊 郭曉方 邢泊陽 王廣開 吳廣碩

（1.中國核電工程有限公司 北京 100840 2.北京化工大學化學工程學院 北京 100029）

用于放射性流體輸送與控制的設(shè)備是保證核化工流程安全和長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)[1-5]。計量輪裝置是一種用于高放料液定量輸送的關(guān)鍵設(shè)備，在核化工領(lǐng)域流量相對較小的液體定量輸送場合中應用[6-9]。

為了充分理解計量輪裝置的水力學原理，本文實驗研究了不同轉(zhuǎn)速、液位高度下計量輪裝置的運轉(zhuǎn)規(guī)律、取液現(xiàn)象和取液量，為設(shè)計和優(yōu)化計量輪裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導。

1.實驗裝置及方法

(1)計量輪裝置原理

上游設(shè)備將供料槽內(nèi)液體抽送至計量輪裝置儲液槽，儲液槽一側(cè)設(shè)有溢流口，通過不斷供料與溢流，儲液槽內(nèi)液面高度保持恒定。計量輪裝置不斷轉(zhuǎn)動，計量輪每轉(zhuǎn)一周收集一定量的液體并送至集液漏斗，利用重力自流至下游接收槽，如圖1所示?？刂朴嬃枯嗈D(zhuǎn)速最終可實現(xiàn)流量的準確計量[10-11]。

圖1 計量輪裝置原理示意圖

(2)實驗裝置

本實驗搭建了如圖2所示的實驗裝置。采用電機與減速機相連，驅(qū)動計量輪轉(zhuǎn)動。通過控制器實現(xiàn)對計量輪轉(zhuǎn)速的精準控制。取液勺下方放置一水槽，水槽一側(cè)設(shè)有溢流口，另一側(cè)通過一進水管不斷向水槽內(nèi)注入去離子水，以保證液面相對水槽恒定。過量的水經(jīng)過溢流口流向蓄水桶，桶內(nèi)水經(jīng)離心泵重新輸送至水槽，進而形成一套循環(huán)系統(tǒng)。水槽下方設(shè)有升降臺，以實現(xiàn)液位高度的無級調(diào)節(jié)。

圖2 實驗裝置示意圖

實驗前，通過調(diào)節(jié)升降臺將液面調(diào)整至所需高度。通過調(diào)整控制器，設(shè)置計量輪轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度。實驗時，啟動電機，觀察計量輪取液情況。等待計量輪旋轉(zhuǎn)完成指定的角度后，并采用量筒量取本次實驗計量輪取出液體的體積。對相同實驗條件進行3次重復實驗，取平均數(shù)據(jù)為最終實驗結(jié)果。

本實驗采用3D打印技術(shù)加工制造計量輪，并應用透明樹脂材質(zhì)以便于觀察[12]，其結(jié)構(gòu)及部分關(guān)鍵參數(shù)如圖3所示。計量輪外圓半徑R=25mm，內(nèi)圓半徑r=5mm，寬度d=32mm，計量輪開口徑向方向與豎直方向夾角θ=30°，計量輪內(nèi)圓中心距計量輪旋轉(zhuǎn)中心距離為77.5mm，計量輪厚度δ=2mm。利用三維建模軟件對實驗中關(guān)鍵水力學部件進行建模分析，得到計量輪的理論取液量為23.67ml。

圖3 計量輪結(jié)構(gòu)示意圖

(3)實驗方法

①計量輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)敏感性檢驗

在正式實驗開始前，我們開展了計量輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對取液量測量值影響敏感性的實驗。設(shè)定液位高度為75mm，轉(zhuǎn)速為1rpm、10rpm和20rpm，圈數(shù)分別為1圈、3圈、6圈、9圈，進而計算平均每圈取液量，如圖4所示。從圖中可以看出，相同轉(zhuǎn)速下平均每圈取液量隨圈數(shù)波動較小。為提高量筒測量準確性同時減少偶然誤差，最終各實驗均設(shè)定計量輪旋轉(zhuǎn)3圈計算平均取液量。

圖4 計量輪平均每圈取液量與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

②高速攝像技術(shù)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，高速攝像技術(shù)的應用范圍也越來越廣[13]。本實驗中，利用高速攝像技術(shù)對不同轉(zhuǎn)速下計量輪取液過程進行記錄，進而分析轉(zhuǎn)速對計量輪取液過程的影響規(guī)律。

2.結(jié)果與討論

(1)計量輪取液的瞬態(tài)特性

通過高速攝像技術(shù)對透明計量輪進行拍攝分析，以提高對計量輪取液規(guī)律的認識。如圖5（a）所示，當轉(zhuǎn)速較低時可清晰觀察到由于表面張力作用，在計量輪中心開孔最低處上方，仍形成一層具有一定厚度的液膜，這導致實際測得的取液量較理論值偏大。同時，表面張力的作用還存在于計量輪剛?cè)胨疇顟B(tài)，如圖5（b）所示，即當計量輪前沿旋轉(zhuǎn)至液面下時，由于表面張力的作用水仍會在計量輪前沿維持一定高度，阻礙液體進入計量輪內(nèi)部。

圖5 表面張力對取液量的影響

為便于觀察取液勺內(nèi)液面波動情況，在計量輪外表面刻畫一條直線。當直線處于水平狀態(tài)時，不同轉(zhuǎn)速下計量輪內(nèi)液面情況如圖6所示。由圖6可知，當轉(zhuǎn)速較低時，取液勺內(nèi)液面較為平穩(wěn)，可維持在水平狀態(tài)（即與取液勺外側(cè)直線平行）。隨轉(zhuǎn)速逐漸增加，取液勺內(nèi)液面及水槽內(nèi)液面均開始出現(xiàn)波動，計量輪內(nèi)右側(cè)液面高于左側(cè)液面，計量輪中心開孔最低處出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)速越高，上述現(xiàn)象越明顯。這是由于轉(zhuǎn)速較高時，取液勺內(nèi)液體受離心力影響較大，同時使得取液勺內(nèi)液體具有了一定的速度，導致取液勺內(nèi)液面波動。此外，相同液位下，由計量輪入水至計量輪外側(cè)直線水平時所旋轉(zhuǎn)角度相同，因此，轉(zhuǎn)速越高，計量輪內(nèi)液體經(jīng)歷的穩(wěn)定時間越短，溢流現(xiàn)象越嚴重。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下取液勺內(nèi)液面波動圖

(2)液位和轉(zhuǎn)速對計量輪取液量的影響規(guī)律

利用三維建模軟件分析，理論上當計量輪內(nèi)圓與液面相切且取液勺口外沿與液面重合時，此時若繼續(xù)增加液面高度，計量輪的取液量不會隨液位高度的升高而變化。因此，將此時的液位高度定義為臨界液位，如圖7所示。

圖7 臨界液位及無因次液位高度示意圖

為了使實驗規(guī)律更具有普適性，分析時對液面與軸心距離和取液量進行無因次處理。選取計量輪豎直狀態(tài)時液面距取液勺內(nèi)壁最低處的距離為h，取液勺截面特征高度為D，定義無因次液位高度為h/D，如圖7所示。

通過對不同液位高度、不同轉(zhuǎn)速條件進行實驗，得到不同操作條件下計量輪裝置的取液量，對液位高度及取液量進行無因次化處理，如圖8所示。由圖8可知，當無因次液位高度大于1.27時，計量輪取液量隨轉(zhuǎn)速波動較小，但仍呈現(xiàn)出小幅增加趨勢；當無因次液位高度低于1.27時，計量輪取液量隨轉(zhuǎn)速波動劇烈，呈現(xiàn)出先增加后減小再增加的趨勢，且拐點隨著無因次液位的降低逐漸向低轉(zhuǎn)速方向移動。

圖8 無因次取液量與轉(zhuǎn)速及無因次液位高度關(guān)系

結(jié)合實驗現(xiàn)象分析，當無因次液位高度大于1.27時，隨著轉(zhuǎn)速提高，取液勺內(nèi)波動增大，計量輪由入水至取液勺內(nèi)液體進入收集斗時間減短，導致計量輪內(nèi)圓中心處溢流不充分，計量輪取液量增大。當無因次液位高度低于1.27時，隨著轉(zhuǎn)速小幅增加，取液勺內(nèi)液面開始由穩(wěn)定變?yōu)椴▌樱瑢е掠嬃枯喨∫毫吭龃?；進一步提高轉(zhuǎn)速后，當計量輪入水時，取液勺口附近區(qū)域在表面張力作用下形成具有一定厚度的液膜，并且隨轉(zhuǎn)速增加，計量輪由入水至出水時間變短，槽內(nèi)液體不能完全充滿計量輪，導致取液量小幅減??；當轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高時，計量輪對水面沖擊增大，槽內(nèi)液面開始波動，表面張力維持的液膜被破壞，取液量又會小幅增加。

3.結(jié)束語

本文利用高速攝像技術(shù)對不同液位和轉(zhuǎn)速條件下計量輪裝置的取液過程、取液量、以及力學因素進行了實驗研究。

當無因次液位高度大于1.27時，計量輪裝置的取液量隨轉(zhuǎn)速波動不大，但仍受表面張力和離心力影響，致使其取液量有輕微的增加趨勢。當無因次液位高度低于1.27時，計量輪裝置的取液量受液位高度及轉(zhuǎn)速影響較大。因此建議計量輪裝置運行時，無因次液位高度大于1.27，此時計量輪裝置的取液量波動較小。

表面張力與兩相材料關(guān)系密切，本實驗采用的計量輪材料為高分子樹脂，液相為去離子水。若工程實際應用中，材料發(fā)生變化，需要對表面張力效應進行修正。