产生不对称流采用了网络、格栅及偏心孔,按以下多种速度面积法进行,其中括号中的数字是在横截面上每个半径上的测点数:amca法(5);立方法(4、5、6);线性一对数法(3、4、5、6);对数一契比雪夫法(3、4、5、6),zui终在横截面上可多达24个半径上进行测量。
用皮托管在这些点测量所得的流速误差,发现对误差的影响既不是速度面积法,也不是每个半径上的测点数目,而增加所排列的半径数将会很有效地减小误差,这个结论也与理论研究相吻合,实验研究还证实了用皮托静压管所测得的流量将小于用皮托一璧面静压复合法。
1、绪论
当前,用皮托管来测管道中的流量,采用英国(文献1)及其他国家的标准都不太理想,因为它们都基于在实际难以存在的理想对称流动,工业管道中的流动一般是不可能按这些标准所规定的理想流动情况,通常都是非对称、高紊流度、还有漩涡。所以这些标准通常建议采用速度面积法积算流量(英国用线性对数法;欧洲用契比雪夫对数法和立方法而美国采用amca法),虽然在对称流中采用这些方法还算满意,但并未在非对称流中进行严格的测试。而且,面对工业中的非对称流,当前仅有极少的刊物和数据推荐给人们如何获得理想的准确度。
所以这个工作的长远目的是通过实验来研究非对称流,用较多的数据向人们推荐面对这样的流动如何安排测点和积算以获得一个所期望的准确度,在当前评估速度面积法的效果中,将研究每个半径上的测点数,和每个横截面上的半径数(在这里可理解为‘阵列’),有些试验的结论已接近早期理论的描绘(参考文献2、3),有些还需用试验进一步验证。而测点速的皮托一静压管和皮托一璧面静压法都将在使用中验证它们的效果。
2、试验装置
试验装置已建成,因而在某些标准管配件(如弯头、阀门等)以及在理论探讨中(文献2、3)所用的某些非对称流将可复制、研究。装置的布局见图1,空气由离心风机吸入直径为8吋的管道,离心风机垂直安装,高度为45吋,转速为1485转/分时,流量为3000呎3/分,电动机功率为50马力。
试验装置的上游是一个口径为8吋的青铜波尔达进口管b,它将精细加工以保持锐边,在其上钻有4个压力测孔,波尔达进口作为一个通用的流量测量基准,滑动阀v可以在整个管道截面上滑动以控制流量。
试验管道采用内径为8吋的无缝低碳钢,法兰连接,长度64吋(或8d,此处d为内径),法兰采取套接,而管段则安装在装置可移动的支架上,以便于校直对准并可随意更换,法兰的内径应精细加工,由于试验管段安装在上面,因此要尽可能地保证同心度,一个3×3×3呎用各种板孔件组成的屏栅安装在波达尔进口管前开口处,当有空气吸入时,将在管道中产生不对称流。在试验管道的下游安装了一个标定过的孔板,作为装置的流量测量标准,孔板采取角接取压,面积比m为0.5,用不锈钢制成,其上游面应抛光成镜面,并检定上游边缘尽量尖锐,孔板在npl等机构进行了标定,数据见参考文献4、5。
转动流量段长32吋,内径7.997吋,此段的法兰进行了特殊的设计,它可以与试验段上任何法兰相连接(除了上游的p段),并且还可以绕管道轴线转动,在下游法兰上刻有度数,以便读出皮托静压管相对於垂直位置的方位,在这段上钻有4个静压孔,其平面处于皮托静压管的端部,通过一个歧管给出璧面静压的读数,用补偿式微压计读出压力值。
在测量段还安装了千分尺,转动丝杠将带动外径为4mm的npl型皮托一静压管,丝杠总的长度为9吋,横穿整个截面,由于皮托一静压管有弯头,不太可能使其太贴近丝杠安装处的璧面,所以移动通常是从中心开始。
在试验管道上还将安装三个电阻温度计,分别位于屏栅;孔板下游7d及靠近仪表盘处。
装置会产生操声,所以在主要的噪声源如风机、阀门及出口处均安装了消声器,要详细了解装置的情况可参见参考文献6。
2.1流场的产生
不对称流场的产生由33#不锈钢丝组成的丝网产生,丝网固定在一个特别设计的短管p的法兰上(图1),它覆盖了整个管截面,但是有一个4吋的圆孔,孔的圆心距璧面为2.5吋,丝网固定在管道上,所以孔的范围包含了管道的轴线,孔的圆心大致处于管道上游的中垂线上。
3、研究方法
3.1波尔达进口管的校验
图2所示为用孔板标定波尔达进气管cd的曲线,在进气管后到孔板有54d长的直管段,且管内没有任何阻力件,曲线用可压缩性影响来修正(见附录1),图2还给出了对进口管进行了多次校验而得到的4个重复性试验结果,标定曲线表明重复性在0.25%以内。
3.2参数的研究
3.2.1速度面积法每半径上的测点
总共采用了五种方法:每个半径上的测点数
a、amca5
b、立方法4、5、6
c、对数立方法4、5、6
d、对数线性法3、4、5、6
e、对数契的雪夫法3、4、5、6
要强调的是对数立方法是通过采用对数线性测点位置在立方法应用得到的,它包括了用速度面积法所需处管道中心流速,在试验口半径上总的测点数达到57点,
3.2.2径幅的排列
为了研究采用3、4、6、8个半径组成24个相同的空间的影响,也组成了采用8、6、4、3组成与上面相同的组合,进行比较。
3.3实施程序
波尔达进口的差压在开始时常处于375mm水柱,测试前应进行不少于30分钟的运转,待稳定后开始测试。采用同样的压力计来测量皮托一静压管及皮托一璧面静压复合方式的总压,对截面上所有的测点用皮托一静压管,及皮托一璧面静压法所测的动压应与波尔达管的读数同时进行,其他读数还有皮托一静压管的静压,位于压力计端部上游2d的静压以及波尔达管附近、孔板后的温度。
试验一般需要6~8小时,以下参数的读数需不少于4次,大气压力、室内的温度、湿度、环境温度。
考虑到每周都要对装置进行维护与检定,一般允许约6周对给出的流场进行检验。
4、试验的难点
试验的难点在于所产生的流场应在整个试验过程中保持不变,洁净的空气被吸入装置,金属丝网将会影响流场的形成,在波尔达进口管前应安装一个空气过滤器,可过滤空气中尘埃小至5~12微米。因而,每天都需要清除过滤器网上所附着的尘埃。
当采用低碳钢作为网格时因其易腐蚀,难以确保任何时候产生相同的流场,而采用不锈钢丝则可解决这个问题。
5、数据处理
用一个计算机程序来处理所测的数据,空气的密度按文献7计算,在将每一点的动压转换为流速的计算中,要对流动的波动、收缩性、可压缩性及工况的变化进行修正,还应将工况下的流速转换为工作状况下的流速,这些计算可参见文献1,zui终给出了一个无量网半径,用以修正管道中心的流速。
然后,用这个程序来计算各种速度面积法在每个半径测点上的平均流速,zui终可得到截面上的各种排列的近似质量流量。
靠近璧面时需要用立方和对数立方法的幂指数定律,在文献7.1中给出了相应的雷诺数为rdmax=5×104;当这个指数到达rdmax=106时,尚未看出明显的差异。采用皮托一静压法和皮托一璧面取压法都可算出质量流量值。
除了上述的5种方法,要测质量流量还需要一些特殊参考点,表1给出了标准的工况,在靠近波尔达的过滤室的空气密度及修正后的流量q真实,还有如平均的q真实值。
如通过皮托管测横截面的流速以求得流量的准确值,还需要进行紊流度、位移、及阻塞等修正,文献8说明了修正方法,将扩展到其他的速度面积法,但不包含在文献1所述的线性对数法(每半径有5点的方法),且不说上述2个文献对紊流度的修正的一些偏差,产生的原因可能由于文献1的错误,而与其他的修正是吻合的,紊流度的修正几乎*与横截面上的点数和采用的速度面积法无关,*的例外是立方法在每根半径上有4个测点的情况,图三所示为文献8对紊流度的修正,文献1的数据插入其间来说明误差的大小。
用文献8来进行紊流度修正,也用文献1的数据进行其他的修正,表1同时给出了采用皮托一静压管及皮托一璧面取压二种方法的修正。
表3给出了各种速度面积法的分别采用皮托一静压管、皮托一璧面取压法,二种平均误差,图4为采用皮托一静压管在工作状态修正后的流场,图5是采用对数一线性法在每个半径上采用5个测点的误差范围。
6、结果与讨论
从表3可知选择各种方法的差别是不大的,zui大的差别是发生在采用皮托静压管,每半径上为4个测点的情况,类似的情况也发生在文献3早期的研究中,实验还证实了采用立方或对数立方法所得的流量略高于采用对数线性和对数一契比雪夫法。理论研究还表明,欲减小各种速度面积法的误差取决于横截面上每个半径上的测点的数目,但是在表3并没有看到这种趋向,如同每个半径上测点十分少和不一致的效果,这个可能是孔板标定的不确定度所致。
从图5可看出半径的排列数目有较大影响,如果排列仅为布局中zui少的三个半径,会有较大的误差,另一方面,如果半径数为6或8,则误差将会减少,因此,建立如果要测流量,半径不少于6个。
通常采用皮托静压管要比采用皮托一璧面静压法的准确度要高一些,当然这并非意味着前者一定会比后者准确,由于这主要取决于修正的流量q真平均的准确度。
7、结论
现在还不能说速度面积法是zui准确的方法,因为测量装置没有流量测量的原始基准,而与其比对的孔板其不确定度已大于0.5%。
研究表明,在不对称流中采用速度面积法时,每个半径上采用4个测点或超过4点对准确度的影响并不大,而在不对称流的测量中所用的半径数对准确度的影响至关重要,作者建议至少应采用6个半径。
zui终的评估为无论是采用皮托静压管还是皮托一璧面静压方法,流量的误差约为±1%,在这个准确度等级上还无法说明那一种方法更准确一些。
许多这种实验证实了这个趋势,还有一个实验结论否定了以前的理论研究结论,有些试验也曾在水流量装置上进行,因其测量基准可用磅秤而可获得较高的准确度。
