摘要：本文介紹旋渦流對孔板流量計(jì)性能影響的試驗(yàn)研究結(jié)果。主要對β值和旋渦強(qiáng)度進(jìn)行了研究分析。該項(xiàng)研究工作主要基于流動(dòng)圖形測試法、LDA激光多曾勒測速和管壁壓力測量法，借助一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)裝置完成的。另外。還對管內(nèi)流動(dòng)與△p差壓測量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。 
一、概述:
    為了更好地開展工業(yè)氣體的流量測量研究，法國氣體研究學(xué)會(huì)和標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)一起組織召開了關(guān)于孔板流量測量討論會(huì)。有許多從事工業(yè)流體測量方面的出席了會(huì)議，制定了今后氣體測量方面的研究項(xiàng)目。該研究工作的主要目的，一方面是更好地了解孔板兩側(cè)的穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流現(xiàn)象，另一方面是確定上游流動(dòng)干擾對內(nèi)部流動(dòng)特性和對流量測量的實(shí)際影響。為了達(dá)到上述目的，采用了多種試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法。
    在試驗(yàn)中，采用了流動(dòng)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(yàn)時(shí)，選取了2個(gè)R值(0.4和0.7)。雷諾數(shù)( U " Dlv)在10一2 x 105之間。
二、試驗(yàn)設(shè)備:
    1。試驗(yàn)裝置
    圖1為試驗(yàn)裝置，主要由水平試驗(yàn)管路及一臺(tái)離心泵組成。該離心泵通常在過壓狀態(tài)下運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)，由離心泵將水箱A(容積為1m³)中的水抽出，其***大排量為140m³/h，輸出相對壓力為20 m水柱。由泵輸送的水，一部分通過主試驗(yàn)管路的試驗(yàn)段，另一部分經(jīng)旁通管路返回到原來的水箱中。主試驗(yàn)管路是一段口徑為125 mm的直管段，一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)安裝在該直管段上，其準(zhǔn)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(dòng)流影響。在水箱B的出口裝有口徑為100 mm的直管段，其中測試段就安裝在此直營段上。試驗(yàn)中，水返回到水箱A或者被排出。另外，試驗(yàn)時(shí)還可向水中注人染料。利用2個(gè)并聯(lián)安裝在試驗(yàn)段下游的控制閥來調(diào)節(jié)通過試驗(yàn)段的水流量。為了避免試驗(yàn)過程中水介質(zhì)的溫度上升，設(shè)置了一臺(tái)循環(huán)水式換熱器。在環(huán)路中冷卻水的流量采用伺服控制，其溫度偏差在土0.5℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)段上游口徑100 mm直管段的長度為4 m，在其入口安裝了一臺(tái)管束式整流器。試驗(yàn)段由孔板兩側(cè)分開，分為上游和下游試驗(yàn)段。試驗(yàn)管段采用有機(jī)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(jī)玻璃管段之間存在讀數(shù)偏差，為了避免有機(jī)玻璃管段產(chǎn)生的折射，而將有機(jī)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(dòng)狀態(tài)，孔板兩側(cè)的法蘭是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的，盡量保證為0.15 D。孔板上、下游的直管段長度為0.5 m。這樣就可完成孔板兩側(cè)回流區(qū)的試驗(yàn)研究，甚至日值為0.4也可以。

圖1試驗(yàn)裝置簡圖
    2.旋渦流發(fā)生器：
    旋渦流是由一種切向流發(fā)生器產(chǎn)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(jìn)人，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流。旋渦強(qiáng)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(guān)系來定。即用無量綱旋流系數(shù)S2表達(dá)，其變化范圍為0(無旋流)至1(***大旋流)，數(shù)字表達(dá)式為:Q軸，句Q總流量據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，旋渦強(qiáng)度也可用旋渦數(shù)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(jì)算出來，表達(dá)式為:

  該旋流系數(shù)門可以通過試驗(yàn)與經(jīng)典的旋流數(shù)S用線性關(guān)系聯(lián)系起來。

圖2旋渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖

三、試驗(yàn)結(jié)果：
    在試驗(yàn)過程中，a值為0.7和0.4，雷諾數(shù)為100000。
    1，流動(dòng)狀態(tài)觀測    在與管道同直徑的孔板的邊緣處設(shè)置2個(gè)毛細(xì)管，并且與管道的軸線對稱。試驗(yàn)時(shí)，向兩根毛細(xì)管中注人示蹤劑(氣體或液體)，觀測孔板下游的流動(dòng)狀態(tài)。為了清晰地觀察流動(dòng)狀態(tài)，在透明管段上游放置一照明設(shè)備，其光束可以與軸線平行或垂直。
    觀察結(jié)果表明，旋渦流使得射流擴(kuò)大而回流區(qū)減小。而且，當(dāng)旋流系數(shù)。較大和月值較小時(shí)，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(chǎn)生很大的波動(dòng)。
    2，速度測量    試驗(yàn)中，使用了一臺(tái)二維激光多普勒測速儀。在旋流強(qiáng)度月為0.2和0.5時(shí)，進(jìn)行了測試。
    3，上游流動(dòng)狀態(tài)    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(qiáng)度的增加，軸向速度U分布趨于變平。

圖3上游平均速度分布圖
    從切向速度分布圖中可以看出，旋轉(zhuǎn)以管道軸線為中心并分為兩個(gè)區(qū)域。在管道的中心(0, rlD <0.25)為“強(qiáng)旋渦型”區(qū)，在該區(qū)內(nèi)切向速度W與半徑;成正比。接近于管壁時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)由于摩擦使得旋轉(zhuǎn)速度降低的區(qū)域。
    利用上述的速度分布圖，可以計(jì)算出旋渦數(shù)S和旋渦角B,。因此，當(dāng)。= 0.2時(shí)，S=0.1,  B,=90;當(dāng),C= 0.5時(shí)，S=0.5,  8,=3600。
    4.下游流動(dòng)狀態(tài)    (1)沿管道抽線的軸向速度展開圖    當(dāng)月值為0.4時(shí)，得到的曲線如圖4所示。從圖中可以清楚地看出，旋轉(zhuǎn)流不僅可以導(dǎo)致孔板附近處速度增加，而且還可導(dǎo)致由于下游稍遠(yuǎn)處因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)射流的擴(kuò)展使得速度迅速地減小。當(dāng)下游旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)(上游旋流較大和低R值)時(shí)，該旋轉(zhuǎn)的影響就更大。

圖4沿管軸線的平均軸向速度分布
    (2)在孔板下游0.5 D時(shí)測得的速度分布圖    圖5示出了當(dāng)月值為0.7時(shí)，孔板下游的平均軸向速度U和切向速度W的速度分布圖。

    擊相一致。對于一個(gè)給定的幅射狀態(tài)，這種現(xiàn)象使得局部速度交替地與在環(huán)流區(qū)觀察到的或射流中心區(qū)觀察到的一致。    當(dāng)月值為0.4時(shí)，雖然這種現(xiàn)象被強(qiáng)化了，但結(jié)果完全類似。
    角動(dòng)量軸向流量計(jì)算式:Tang=一dr上式表明在上游和下游測量點(diǎn)之間，T tan，是減小的。Murakami和Kit。所得的結(jié)果與其相同。
    (3)靠近管壁附近的軸向速度分布:回流區(qū)平均長度的確定    圖7示出了平均縱向速度分布的所有結(jié)果。對這些縱向速度分布，平均再附壁點(diǎn)與速度正負(fù)符號的變化相一致。

圖7距離管壁2mm處的平均縱向速度分布
    從圖7中可清楚地看出，旋渦流可導(dǎo)致回流區(qū)尺寸減小。因此，當(dāng)旋流強(qiáng)度較低(Sl = 0.2)時(shí)，平均再附壁點(diǎn)大約在8.7 h位置，而在無擾動(dòng)及在相同雷諾數(shù)時(shí)，則大約在10 h位置。當(dāng)S2 -0.5時(shí)，回流區(qū)長度減小到4.9 h(月= 0.7時(shí))和2.9 h(召二0.4時(shí))。    這種現(xiàn)象在攝錄的流動(dòng)圖像錄像中可以十分清楚地看到。這種現(xiàn)象與射流的迅速膨脹有關(guān)，而與離心力的作用無關(guān)。
    (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(yàn)過程中，在雷諾數(shù)為100000及相同總流量的條件下，改變旋流強(qiáng)度相對應(yīng)的旋流系數(shù)月，門從0一1范圍內(nèi)變化。    圖8示出了流出系數(shù)的變化，其定義式為:

  (式中P和np分別表示有擾動(dòng)和無擾動(dòng)條件)流出系數(shù)是旋流系數(shù)的函數(shù)。

圖8流出系數(shù)的偏差
    從圖8可看出，當(dāng)旋流系數(shù)門低于0.2時(shí)，所產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。這與門值為0.2時(shí)流動(dòng)研究結(jié)果相吻合。該結(jié)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對靜壓橫向梯度的影響，至少上游和下游也應(yīng)等效。
    當(dāng)月值大于0.2時(shí)，可以看出隨著被測試孔板的不同，其性能也不同。對于***大的孔板(R二0.7),當(dāng)月值達(dá)到0.7時(shí)，流出系數(shù)的***大偏差可達(dá)27%0超出這個(gè)值后，系數(shù)co急劇下降。當(dāng)月值大于0.82時(shí)，流出系數(shù)的偏差變?yōu)樨?fù)值:當(dāng)門二i時(shí)，c。的偏差為一i4%o    對于月值為0.4的孔板，流出系數(shù)的偏差總是正值，并且隨著旋流強(qiáng)度增加而增大。當(dāng)月=1時(shí)，其***大誤差可達(dá)25%0    通過定性研究分析，一些學(xué)者(Lugt ,   Murakami ,hit。和Mc Hugh等)得到了性質(zhì)相同的結(jié)果。
    例如，當(dāng)R值較高時(shí)，流出系數(shù)趨向變化，反過來也是一樣。通常，這種特性變化取決于R值，這可以用對于差壓測量中有兩個(gè)相互反作用的物理現(xiàn)象來解釋。這兩個(gè)現(xiàn)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。另一方面由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用，使得射流變寬。除此之外還有旋轉(zhuǎn)流對孔板上、下游橫向靜壓力梯度的影響。因此，當(dāng)R值較低時(shí)，通過孔板的旋轉(zhuǎn)流沒有很大的加速，此時(shí)種現(xiàn)象起主要作用，導(dǎo)致測量的差壓值增大，而流出系數(shù)降低。反之，當(dāng)a值較高時(shí)，射流變平的影響減弱，而通過孔板的流體加速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致射流進(jìn)一步擴(kuò)大，此時(shí)差壓降低。
    這些通常的解釋并不總是可以得到驗(yàn)證的。我們已經(jīng)指出，上述結(jié)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(xiàn)象都不能用試驗(yàn)來驗(yàn)證。關(guān)于射流擴(kuò)展引起的旋流影響結(jié)果見圖4。從中明顯地看出，在射流起始段內(nèi)，位于管道中心的軸向速度隨著旋流強(qiáng)度增加而增大。    根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果，利用積分求和法可以確定相應(yīng)的測量誤差。這種方法將在下面計(jì)算孔板上、下游差壓時(shí)進(jìn)行描述。由于旋流作用，不但要考慮流體沿著管道軸向流動(dòng)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(xiàn)象，其差壓公式為:

    我們已將召值為的孔板和兩個(gè)旋渦強(qiáng)度應(yīng)用到我們自己的試驗(yàn)結(jié)果中，所得結(jié)果見表1.

    通過將使用該方法得到的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相對比，可以看出存在明顯的不同。當(dāng)然，這主要是由于計(jì)算軸線和管壁之間差壓時(shí)計(jì)算簡化而造成的。
    Murakami和Kit。以前使用類似的方法得到的觀測結(jié)果也是如此。
    有關(guān)更加完整的信息，尤其對于橫向靜壓梯度的計(jì)算可使用Reader Harris等人的流動(dòng)模型。
    如果把我們所得結(jié)果與以前引用過的試驗(yàn)結(jié)果相比較，則可看出測出的流出系數(shù)的變化率有很大差別。Reader Harris的研究結(jié)果表明，這些差別主要由于上游旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)的不同而造成的。因此，把我們所得的速度分布結(jié)果與Murakami和Kit。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。
    Reader Harris的研究結(jié)果表明，只知道旋渦數(shù)量是不夠的，不必加上角動(dòng)量的縱向通量這個(gè)附加參數(shù)。
    對于有關(guān)平均流量的***初解釋還應(yīng)附加上非穩(wěn)定流現(xiàn)象的附加說明。本文針對這項(xiàng)研究所做測量結(jié)果表明，由于旋渦流作用，差壓的巨大波動(dòng)與旋流所引起的流動(dòng)的不穩(wěn)定有關(guān)。
    這些現(xiàn)象與旋渦流量計(jì)使用中的情況類似。當(dāng)初始的旋流強(qiáng)度***強(qiáng)和月值較低時(shí)，這個(gè)影響***大。

     四、結(jié)論：
    在本文中介紹了依據(jù)流動(dòng)狀態(tài)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(yàn)研究結(jié)果。在不同的旋流強(qiáng)度下，對旋渦流的影響進(jìn)行了研究，尤其注意到了孔板下游射流的擴(kuò)展和回流區(qū)域長度的明顯減少。R值越小和上游旋轉(zhuǎn)流越強(qiáng)，這些現(xiàn)象就越明顯。
    因此，當(dāng)旋流強(qiáng)度較低時(shí)，接近孔板處的平均流量不會(huì)受到較大的影響。流動(dòng)圖像化和管壁壓力的測量充分揭示了不穩(wěn)定流的現(xiàn)象。
    通過試驗(yàn)，已將a值和旋流強(qiáng)度對測量誤差的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。把我們所得的結(jié)果與其他作者獲得的結(jié)果相對比表明，只知道旋渦數(shù)量還不足以預(yù)測儀表的測量誤差。這一結(jié)論與Reader Harris的結(jié)論相吻合。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，速度場和差壓測量之間的關(guān)系式只能通過的數(shù)學(xué)模型來確定。