摘要:本文介紹旋渦流對孔板流量計性能影響的試驗研究結果。主要對β值和旋渦強度進行了研究分析。該項研究工作生要基于流動圖形測試法、IDA激光多普勒測速和管壁壓力測量法，借助一個流體動力學裝置完成的。另外，還對管內流動與△p差壓測量之間的關系進行了研究。
概述
　　為了更好地開展工業氣體的流量測量研究，法國氣體研究學會和國家標準局(NIST)--起組織召開了關于孔板流量測量討論會。有許多從事工業流體測量方面的專家出席了會議，制定了今后氣體測量方面的研究項目。該研究工作的主要目的，一方面是更好地了解孔板兩側的穩定流和不穩定流現象，另一方面是確定上游流動干擾對內部流動特性和對流量測量的實際影響。為了達到上述目的，采用了多種試驗和數值計算方法。
　　在試驗中，采用了流動圖像法，激光多普勒測速儀(L.D.V)測量二維速度和管壁差壓測量法。
　　試驗時，選取了2個β值(0.4和0.7)。雷諾數(Uv·D/v)在104~2×105之間。
二、試驗設備
1.試驗裝置
　　圖1為試驗裝置，主要由水平試驗管路及一臺離心泵組成。該離心泵通常在過壓狀態下運行。試驗時，由離心泵將水箱A(容積為1m³)中的水抽出，其最大排量為140m³/h,輸出相對壓力為20m水柱。由泵輸送的水，一部分通過主試驗管路的試驗段，另-部分經旁通管路返回到原來的水箱中。主試驗管路是一段口徑為125mm的直管段，一臺標準電磁流量計安裝在該直管段上，其準確度為1%。該直管段的末端與密閉水箱B相連，這樣可以消除由離心泵引起的任何脈動流影響。在水箱B的出口裝有口徑為100mm的直管段，其中測試段就安裝在此直菅段上。試驗中，水返回到水箱A或者被排出。另外，試驗時還可向水中注人染料。利用2個并聯安裝在試驗段下游的控制閥來調節通過試驗段的水流量。為了避免試驗過程中水介質的溫度上升，設置了一臺循環水式換熱器。在環路中冷卻水的流量采用伺服控制，其溫度偏差在±0.5C范圍內。試驗段上游口徑100mm直管段的長度為4m，在其人口安裝了一臺管束式整流器。試驗段由孔板兩側分開，分為上游和下游試驗段。試驗管段采用有機玻璃透明管段，以便觀測流型和激光多普勒測速。由于在空氣和有機玻璃管段之間存在讀數偏差，為了避免有機玻璃管段產生的折射，而將有機玻璃管段的外壁做成平面。為了更好地觀察孔板兩邊的流動狀態，孔板兩側的法蘭是經過特殊設計的，盡量保證為0.15D�？装迳�、下游的直管段長度為0.5m。這樣就可完成孔板兩側回流區的試驗:研究，甚至β值為0.4也可以。
 
2.旋渦流發生器
　　旋渦流是由一種切向流發生器產生的，如圖2所示。部分流體從其人口沿著與軸線成切線方向進人，從而產生旋轉流。旋渦強度的確定借助于軸向流量Q軸向和總流量Q總流量之間的關系來定。即用無量綱旋流系數Q表達，其變化范圍為0(無旋流)至1(最大旋流)，數字表達式為:
 
　　據有關文獻介紹，旋渦強度也可用旋渦數量s來表示，即通過平均軸向分布U(r)和平均切向分布W(r)計算出來，表達式為:
 
　　該旋流系數n可以通過試驗與經典的旋流數S用線性關系聯系起來。
 
三、試驗結果
　　在試驗過程中，β值為0.7和0.4，雷諾數為100000。
1.流動狀態觀測
　　在與管道同直徑的孔板的邊緣處設置2個毛細管，并且與管道的軸線對稱。試驗時，向兩根毛細管中注人示蹤劑(氣體或液體)，觀測孔板下游的流動狀態。為了清晰地觀察流動狀態，在透明管段上游放置一照明設備，其光束可以與軸線平行或垂直。
　　觀察結果表明，旋渦流使得射流擴大而回流區減小。而且，當旋流系數n較大和β值較小時，孔板下游處有明顯的射流沖擊，使得作用在管壁上的壓力產生很大的波動。.
2.速度測量
　　試驗中，使用了一臺二維激光多普勒測速儀。在旋流強度Ω為0.2和0.5時，進行了測試。
3.上游流動狀態
　　圖3示出了在孔板上游1D處測得的平均軸向速度U和切向速度W的分布情況。
　　從中可以看出，隨著旋渦強度的增加，軸向速度U分布趨于變平。
 
　　從切向速度分布圖中可以看出，旋轉以管道軸線 為中心并分為兩個區域。在管道的中心(0≤r/D<0.25)為“強旋渦型”區，在該區內切向速度W與 半徑r成正比。接近于管壁時，出現了一個由于摩擦 使得旋轉速度降低的區域。
　　利用上述的速度分布圖，可以計算出旋渦數s和旋渦角θs。因此，當Ω=0.2時，S=0.1、θs=9°;當Ω=0.5時，S=0.5、θs=36°。
4，下游流動狀態
(1)沿管道軸線的軸向速度展開圖
　　當β值為0.4時，得到的曲線如圖4所示。從圖中可以清楚地看出，旋轉流不僅可以導致孔板附近處.速度增加，而且還可導致由于下游稍遠處因旋轉運動射流的擴展使得速度迅速地減小。當下游旋轉運動較強(上游旋流較大和低β值)時，該旋轉的影響就更大。
 
(2)在孔板下游0.5D時測得的速度分布圖
　　圖5示出了當β值為0.7時，孔板下游的平均軸向速度U和切向速度W的速度分布圖。
 
　　從圖中看出，當Ω值較小時，射流形狀完全與無旋流時的結果相同。換句話說，隨著旋流強度的增加，射流區域消失了。
 
　　圖6示出了在剪切區內軸向速度的波動量明顯增加。從流動圖像看出，這個不穩定流現象與射流的沖擊相一致。對于一個給定的幅射狀態，這種現象使得局部速度交替地與在環流區觀察到的或射流中心區觀察到的一致。
　　當β值為0.4時，雖然這種現象被強化了，但結果完全類似。
　　角動量軸向流量計算式:
 
　　上式表明在上游和下游測量點之間，φlang是減小的。Murakami和Kito所得的結果與其相同。
(3)靠近管壁附近的軸向速度分布:回流區平均長度的確定.
　　圖7示出了平均縱向速度分布的所有結果。對這些縱向速度分布，平均再附壁點與速度正負符號的變化相一致。
 
　　從圖7中可清楚地看出，旋渦流可導致回流區尺寸減小。因此，當旋流強度較低(Ω=0.2)時，平均再附壁點大約在8.7h位置，而在無擾動及在相同雷諾數時，則大約在10h位置。當Ω=0.5時，回流區長度減小到4.9h(β=0.7時)和2.9h(β=0.4時)。
這種現象在攝錄的流動圖像錄像中可以十分清楚地看到。這種現象與射流的迅速膨脹有關，而與離心力的作用無關。
(4)差壓測量
　　在D和D/2配置中研究了旋渦流對差壓測量的影響。試驗過程中，在雷諾數為10000及相同總流量的條件下，改變旋流強度相對應的旋流系數Ω.Ω從0~1范圍內變化。
　　圖8示出了流出系數的變化，其定義式為:
 
　　式中p和np分別表示有擾動和無擾動條件)流出系數是旋流系數的函數。
 
　　從圖8可看出，當旋流系數Ω低于0.2時,所產生的誤差可以忽略不計。這與Ω值為0.2時流動.研究結果相吻合。該結果表明，在射流起始階段，平均流量幾乎不變。這表明，即使不忽略旋轉運動對靜壓橫向梯度的影響，至少上游和下游也應等效。.
　　當Ω值大于0.2時，可以看出隨著被測試孔板.的不同，其性能也不同。對于最大的孔板(β=0.7),當Ω值達到0.7時，流出系數的最大偏差可達27%。超出這個值后，系數CD急劇下降。當Ω值大于0.82時，流出系數的偏差變為負值。當Ω=1時,CD的偏差為-14%。
　　對于Ω值為0.4的孔板，流出系數的偏差總是正值，并且隨著旋流強度增加而增大。當Ω=1時，其最大誤差可達25%。
　　通過定性研究分析，一些學者(Lugt、Murakami、Kito和McHugh等)得到了性質相同的結果。例如，當β值較高時，流出系數趨向變化，反過來也是一樣。通常，這種特性變化取決于β值，這可以用對于差壓測量中有兩個相互反作用的物理現象來解釋。這兩個現象是:一方面由于離心力作用使得.上游速度分布逐漸變平，也使得下游射流更加明顯地收縮。另-方面由于旋轉運動的作用，使得射流變寬。除此之外還有旋轉流對孔板上、下游橫向靜壓力梯度的影響。因此，當β值較低時，通過孔板的旋轉流沒有很大的加速，此時第一種現象起主要作用，導致測量的差壓值增大，而流出系數降低。反之，當β值較高時，射流變平的影響減弱，而通過孔板的流體加速旋轉導致射流進一步擴大，此時差壓降低。
　　這些通常的解釋并不總是可以得到驗證的。我們已經指出，上述結論中的上游速度變平的影響及由于干擾影響射流收縮的變化等現象都不能用試驗來驗證。關于射流擴展引起的旋流影響結果見圖4。從中明顯地看出，在射流起始段內，位于管道中心的軸向速度隨著旋流強度增加而增大。
　　根據空氣動力學的研究結果，利用積分求和法可以確定相應的測量誤差。這種方法將在下面計算孔板.上、下游差壓時進行描述。由于旋流作用，不但要考慮流體沿著管道軸向流動的縱向加速度，而且還要考.慮上、下游管道橫截面上的橫向靜壓力梯度。鑒于上述兩種現象，其差壓公式為:
 
　　我們已將β值為0.7的孔板和兩個旋渦強度應用.到我們自己的試驗結果中，所得結果見表1。
 
　　通過將使用該方法得到的結果與實際試驗結果相對比，可以看出存在明顯的不同。當然，這主要是由于計算軸線和管壁之間差壓時計算簡化而造成的。。Murakami和Kito以前使用類似的方法得到的觀測結果也是如此。
　　有關更加完整的信息，尤其對于橫向靜壓梯度的計算可使用ReaderHarris等人的流動模型。
　　如果把我們所得結果與以前引用過的試驗結果相比較，則可看出測出的流出系數的變化率有很大差別。ReaderHarris的研究結果表明，這些差別主要由于.上游旋轉流性質的不同而造成的。因此，把我們所得的速度分布結果與Murakami和Kito所得到的速度.分布相比較可以看出，在管道中心的受迫旋渦流比CERT所得的渦流要小些，并且在軸線上的速度較低。ReaderHarris的研究結果表明，只知道旋渦數量是不夠的，不必加上角動量的縱向通量這個附加參數。
　　對于有關平均流量的最初解釋還應附加上非穩定流現象的附加說明。本文針對這項研究所做測量結果表明，由于旋渦流作用，差壓的巨大波動與旋流所引.起的流動的不穩定有關。
　　這些現象與旋渦流量計使用中的情況類似。當初始的旋流強度最強和β值最低時，這個影響最大。
四、結論
　　在本文中介紹了依據流動狀態的圖像化、二維激光多普勒測速(L.D.A)和平均管壁壓力的試驗研究結果。在不同的旋流強度下，對旋渦流的影響進行了研究，尤其注意到了孔板下游射流的擴展和回流區域.長度的明顯減少。β值越小和上游旋轉流越強，這些現象就越明顯。
　　因此，當旋流強度較低時，接近孔板處的平均流量不會受到較大的影響。流動圖像化和管壁壓力的測量充分揭示了不穩定流的現象。
　　通過試驗，已將β值和旋流強度對測量誤差的影響進行了驗證。把我們所得的結果與其他作者獲得的結果相對比表明，只知道旋渦數量還不足以預測儀表的測量誤差。這一結論與ReaderHaris的結論相吻合。通過對試驗數據的分析表明，速度場和差壓測量之間的關系式只能通過精確的數學模型來確定。

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