影響內(nèi)錐流量計(jì)永久壓損與相對(duì)壓損關(guān)鍵因素的實(shí)流實(shí)驗(yàn),為提高對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)壓力損失的認(rèn)識(shí),獲得高準(zhǔn)確度的壓損計(jì)算公式,開展了關(guān)鍵因素對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)壓損影響的實(shí)流實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為常溫水,雷諾數(shù)范圍0. 14×105~4. 2×105。設(shè)計(jì)等效直徑比分別為0. 45、0. 55、0. 65、0. 75、0. 85的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)一套,從永久壓損與相對(duì)壓損2個(gè)角度進(jìn)行分析。研究表明,一方面等效直徑比相同而雷諾數(shù)不同時(shí),內(nèi)錐流量計(jì)的永久壓損隨雷諾數(shù)的增大而增大,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下成線性關(guān)系;雷諾數(shù)相同而等效直徑比不同時(shí),永久壓損隨等效直徑比的增大而減小;另一方面,內(nèi)錐流量計(jì)的相對(duì)壓損與雷諾數(shù)無關(guān),與等效直徑比相關(guān),隨等效直徑比的增大而減小。將本研究給出的內(nèi)錐流量計(jì)相對(duì)壓損計(jì)算公式與國外公式預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較,最大偏差為21%;同時(shí),與國外測(cè)試的不同流量計(jì)相對(duì)壓損曲線進(jìn)行了比較,得出本套樣機(jī)相對(duì)壓損曲線介于孔板和噴嘴之間,且更靠近孔板的結(jié)論。

內(nèi)錐流量計(jì)自20世紀(jì)80年代問世以來,已成功應(yīng)用于石油、化工、天然氣等許多流量測(cè)量領(lǐng)域。隨著內(nèi)錐流量計(jì)的推廣,安裝條件、壓損等逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者、研究部門、制造商及使用部門討論與關(guān)心的熱點(diǎn)問題。

  國外學(xué)者研究的普遍結(jié)論是內(nèi)錐流量計(jì)有較強(qiáng)的抗流態(tài)擾動(dòng)性能,前后直管段的要求也比標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置低一些的結(jié)論[1-6]。2004年至今,天津大學(xué)先后進(jìn)行了關(guān)于內(nèi)錐量計(jì)流出系數(shù)、可膨脹系數(shù)、彎頭影響及濕氣測(cè)量等方面的研究工作[7-11],取得了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)成果。

自2003年起,國內(nèi)也在積極開展對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)的推廣使用工作,然而許多生產(chǎn)廠家對(duì)量程比、壓損、精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)乃至安裝條件多采取直接照搬美國McC.公司產(chǎn)品說明書的方式。客觀上,由于內(nèi)錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,其等效直徑比、前后錐角、上下游支撐形式及尺寸、取壓方式等存在諸多差異,這些不僅會(huì)對(duì)流出系數(shù)、可膨脹系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生影響,同樣也會(huì)對(duì)內(nèi)錐量計(jì)的壓損產(chǎn)生影響,因此某些研究機(jī)構(gòu)給出的結(jié)論是否具有普適性值得推敲。目前,國內(nèi)關(guān)于內(nèi)錐流量計(jì)壓損的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。本研究設(shè)計(jì)并制作了100 mm口徑樣機(jī)一套,等效直徑比分別為0.45/0.55/0.65/0.75/0.85,前后錐角為45°/120°,開展了壓損的實(shí)驗(yàn)研究。

2 理論基礎(chǔ)

如同其他類型的差壓流量計(jì),內(nèi)錐流量計(jì)的工作原理同樣基于伯努利方程和流體連續(xù)性方程。壓力降的大小和流體的流速具有一定的函數(shù)關(guān)系[12],為:

安裝內(nèi)錐節(jié)流式流量計(jì)將造成不可恢復(fù)的額外的壓損,即永久壓損,為:

定義永久壓損Δω與內(nèi)錐正常測(cè)量差壓ΔP的比值為相對(duì)壓損,有:

以下通過永久壓損與相對(duì)壓損兩個(gè)指標(biāo)對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)的壓損實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析[14-15]。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本研究是在天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成的,文獻(xiàn)[7]對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

本研究中設(shè)計(jì)并制作了內(nèi)徑為100 mm的內(nèi)錐流量計(jì)樣機(jī)一套,實(shí)驗(yàn)錐體5個(gè),前后錐角均為45°/120°,等效直徑比分別為0.45/0.55/0.65/0.75/0.85。錐體可從測(cè)量管中方便拆卸。詳見文獻(xiàn)[7]。

實(shí)驗(yàn)布局設(shè)計(jì)如圖1所示,流體至左測(cè)流入,樣機(jī)上游直管段100D。內(nèi)錐流量計(jì)上游取壓孔為P1,位于距錐體支撐管前端0.5D的管壁處,下游取壓孔為P2,沿錐體中心軸及支撐管中心軸取出,通過差壓變送器1測(cè)得錐體前后差壓。實(shí)驗(yàn)表明,距錐體尾部取壓孔P2約3.5D時(shí)壓力可恢復(fù)至正常值,本實(shí)驗(yàn)中P2′為下游永久壓損取壓孔,與P2的距離定為4D[14]。壓損實(shí)驗(yàn)安裝圖　　如圖2所示,箭頭表示流體流向。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)每種錐體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)均用2臺(tái)差壓變送器,一臺(tái)用于測(cè)量錐體前后的差壓ΔP,另一臺(tái)測(cè)節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓損ΔP″。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 壓損曲線

圖3給出了內(nèi)錐流量計(jì)不同等效直徑比的永久壓損對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線,可見β值相同時(shí),永久壓損隨雷諾數(shù)的增大而增大,呈線性關(guān)系;在雷諾數(shù)相同時(shí),永久壓損隨β值的增大而減小。

圖4為相對(duì)壓損與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線,ξ可見節(jié)流比不同,相對(duì)壓損不同,其值隨節(jié)流比的增大而減小;雷諾數(shù)Re>4×104時(shí),不同β值的錐體其相對(duì)壓損不隨雷諾數(shù)的變化而變化,基本恒定;雷諾數(shù)Re<4×104時(shí),因永久壓損和有效差壓測(cè)量值均相對(duì)較小,系統(tǒng)誤差增大,相對(duì)壓損波動(dòng)。

4.2 相對(duì)壓損計(jì)算公式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合出的相對(duì)壓損與等效直徑比的關(guān)系,即:

ξ=1.259 9-1.121 2β                 (7)

5 本研究與國外研究的比較

5.1 相對(duì)壓損公式形式不同

文獻(xiàn)[6]給出內(nèi)錐流量計(jì)的壓損公式為:

ξ=1.3-1.25β                            (8)

式(7)、(8)表述的曲線如圖5所示,可見,兩者的相對(duì)壓損的趨勢(shì)相似,均為隨β值的增大而減小,但存在一定偏差,本套樣機(jī)的相對(duì)壓損偏高,β值越大偏差越大,分別為0.7%、5.8%、10.3%、13.2%、21.1%。

5.2 不同流量計(jì)相對(duì)壓損的比較

Iff.t StephenA曾通過實(shí)驗(yàn)比較了內(nèi)錐、孔板、噴嘴、及7°/15°出口文丘里共6種流量計(jì)的壓損[6]。圖6給出了本套內(nèi)錐樣機(jī)的相對(duì)壓損趨勢(shì)線與Stephen實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。可見,本套樣機(jī)(圖中為天津大學(xué)內(nèi)錐)的壓損趨勢(shì)線介于孔板和噴嘴之間,更靠近孔板,而Stephen內(nèi)錐相對(duì)壓曲線更靠近噴嘴。分析其原因,作者認(rèn)為由于內(nèi)錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,其等效直徑比、前后錐角、上下游支撐形式、取壓孔徑、取壓方式及加工粗糙度等存在諸多差異,因此不同研究機(jī)構(gòu)給出的壓損公式必然存在一定差異,不同廠家自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不同,如直接引用國外公式計(jì)算壓損,將會(huì)不可避免的帶來一定偏差。

6 結(jié)　　論

通過關(guān)鍵因素對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)壓損影響的實(shí)流實(shí)驗(yàn)及其與國外研究的比較,得出以下結(jié)論:

1)內(nèi)錐流量計(jì)的永久壓損不僅和β值有關(guān),而且跟雷諾數(shù)有關(guān),雷諾數(shù)相同時(shí),永久壓損隨β值的增大而減小;β值相同時(shí),永久壓損隨雷諾數(shù)的增大而增大,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系;

2)內(nèi)錐流量計(jì)的相對(duì)壓損與雷諾數(shù)無關(guān),受β值影響,隨β值的增大而減小;

3)針對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī),給出了新的內(nèi)錐流量計(jì)壓損計(jì)算公式;

4)本套內(nèi)錐流量計(jì)的相對(duì)壓損值與國外相比偏高,β值越大偏差越大,從小到大5個(gè)β值的偏差分別為0.7%、5.8%、10.3%、13.2%、21.1%;

5)與文獻(xiàn)[6]相比,得出本套樣機(jī)壓損趨勢(shì)線介于孔板和和噴嘴之間且更靠近孔板的結(jié)論。
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