液体流量标准装置中调节阀后流速分布研究

马龙博 徐益挺 郑建英

(浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310013)

0 引言

在流量计量和检测过程中，广泛使用流量调节阀来调节管道中流体(一般指水)的流量。当流体流过不同开度的调节阀时，由于阀体结构的影响，将会产生诸如旋涡、空化、水锤及死水区等水流现象。这些现象不仅影响阀道局部水头的损失，而且也会严重破坏管道中流体的流速分布，从而给流量计的计量带来较大影响，最终影响流量计计量性能的准确检测［1－4］。

在流速分布方面，国内外学者已做了大量的研究工作，并取得了许多研究成果［5－8］，但这些成果并没有从流量计量和检测的角度，将流速分布对流量计量的准确性及可靠性的影响问题进行深入研究。

本文在总结前人研究的基础上，采用皮托管对距离调节阀1倍、5倍及10倍管径处的流速分布进行了研究，得到了各距离的流速分布图;然后，对流速分布图进行了分析，取得了较好的研究结果。

1 皮托管流速测量原理

假定管道内的流体为不可压缩性流体，则伯努利方程可以写为［9］:

式中:p为流体的静压;p0为流体的总压;ρ为流体的密度;v为流体的流速。

由式(1)可得:

式(2)为皮托管的基本方程。

考虑到总压与静压的测量误差，利用它们的测量值进行流速计算时，应做适当的修正［10］。因此，引入皮托管的流速修正系数k，则式(2)可以写为:

式中:k为皮托管的流速修正系数，它由试验标定得到。

由式(3)可知，只要同时测得皮托管的总压和静压，即可计算皮托管头部对应点的流体流速。

2 试验装置及条件

试验装置主要由动力设备、水源稳压设备、标准流量计、前直管段、试验段和后直管段等六部分组成。试验装置如图1所示。

图1 试验装置框图Fig.1 Block diagram of the experimental equipment

试验介质为水，试验过程中的水由水泵导入水源稳压装置，经过稳压装置稳定后的水由涡轮流量计计量后，再经过一个足够长的直管段，最后进入试验段。在试验段安装有单座调节阀，在调节阀下游皮托管总压信号及静压信号均采用英国德鲁克PTX7517型压力变送器(具有相同量程范围、相同响应频率)进行测量。最后，采用NI USB-6009数据采集卡和计算机对得到的总压及静压信号进行采样，采样频率为500 Hz。试验管路内径为d=50 mm，水的密度为998 kg/m3，试验温度为常温。

皮托管沿管道径向垂直深入管道的安装位置如图2所示，其中虚线位置为皮托管头部深入管道的位置。

图2 皮托管沿管道径向的安装位置Fig.2 The installation locations of Pitot at radial directions of pipeline

由图2可以看出，皮托管径向垂直深入管道的位置是沿管道径向将管道均分为十等分，管道中心线两侧各五等分。根据调节阀内部结构的对称性，只需测得管道中心线一侧各等分点上的压力波动信号，就可对称地得到管道中心线另一侧对应等分点上的压力波动信号。本文将皮托管沿管道一侧对各等分点上(即对沿管道径向深入管道 0.1d、0.2d、0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d、0.9d 处)的总压及静压波动信号进行了测量。

3 试验结果及分析

当调节阀开度分别为80%和100%，各开度对应流量分别为10 m3/h、14 m3/h及18 m3/h时，皮托管安装在调节阀下游距离调节阀1倍管径、5倍管径及10倍管径处，且沿管道径向分别深入管道 0.1d、0.2d、0.3d、0.4d、0.5d、0.6d、0.7d、0.8d 及0.9d时的流速分布如图3 所示。

图3 各流速分布图Fig.3 Flow velocity distributions

由图3可以得出以下结论。

①在距离调节阀1倍管径处，管道中的水流流速分布极不规则。这种不规则分布的原因在于:水流流过调节阀流道时，由于调节阀特殊的流道结构，水流先进入到调节阀的下部流腔，然后再由调节阀下部流腔通过调节阀阀座开孔流入调节阀上部流腔，最后由调节阀上部流腔流入管道。由于上述流道结构改变了水流的流动结构，使得水流产生较大脉动，而由皮托管测量得到的就是这种被改变了流动结构且包含有较大脉动却又未经任何直管段整流的水流，因此出现了上述流速分布的极不规则性。

②在距离调节阀5倍管径处，管道中的水流流速分布与距离调节阀1倍管径处的水流流速分布相比，其分布的规则性大大增加，但仍然具有不规则性。这种分布情况的出现主要是由于水流经过调节阀阀腔进入到管道后，又经过了长度为5倍管径距离的直管段，通过该直管段对水流流动结构的整流作用，使得水流的脉动幅度大大降低，从而大大增加了流速分布的规则性。

③在距离调节阀10倍管径处，管道中的水流流速分布与距离调节阀5倍管径处的水流流速分布相比，其分布变得均匀、规则，并且其分布的对称性(指以管道中心线为中心上下对称分布)较5倍管径距离下的对称性略佳。该分布情况是由于水流经过了长度为10倍管径距离的直管段整流，水流的脉动已基本消除，因而水流流速变得均匀、规则，流速的对称性也略有增加。

④在距离调节阀10倍管径处，流速分布并非以中心线为中心呈上下对称分布(相同开度下，流速越大，流体在管道中的流速分布愈不对称)，而是随皮托管深入管道内距离的增加，其流速逐渐增大，在0.3d～0.4d附近，其流速达到最大，随后随皮托管深入管道内的距离增大，流速逐渐较小。上述流速分布尽管变得均匀规则，但其分布与正常状态下的流速分布(正常状态下的流速分布是在管道中心线附近，流速最大，距离中心线越远流速越小，并且以中心线为中心呈对称分布)相比仍然具有较大改善。

调节阀对管道中的水流流场扰动以后，会产生较大的水流脉动及流速分布不对称现象。经过10倍管径长度的直管段整流，水流脉动基本可以消除，使得水流变得均匀、规则;但10倍管径长度的直管段整流使得水流流速分布的对称性相对较好，但与正常状态下的水流流速分布相比仍有一定差异。

4 结束语

利用皮托管可以测量管道中水流流速的优点，并通过改变皮托管深入管道内距离的方式，得到了距离调节阀1倍、5倍及10倍管径处的水流流速分布图;同时，对上述流速分布图进行了详细分析，得出了10倍管径长度的直管段还不能够完全将调节阀扰动后的水流流速分布转变成以管道中心线为中心的对称流速分布的结果。上述研究结果为深入了解调节阀对管道内流体的扰动现象，进一步揭示调节阀流场扰动对流量计量和检测带来的问题提供了有力的参考，从而为提出有效控制流场干扰的方法奠定了坚实的基础。

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