圓管過(guò)渡區(qū)流速特性的研究.pdf

1、目前，國(guó)家正在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排。能源的計(jì)量測(cè)試工作就屬于一項(xiàng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作。超聲波流量計(jì)做為流量計(jì)量主要的工具，其測(cè)試精度在能源的計(jì)量上起至關(guān)重要的作用。但是目前國(guó)產(chǎn)的超聲波流量計(jì)的技術(shù)水平還不夠高，測(cè)試精度和可靠性與國(guó)外產(chǎn)品還有一定的差距，其主要原因是對(duì)處于過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)流動(dòng)的流速特性缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)依據(jù)。因此，圓管內(nèi)過(guò)渡區(qū)的流速特性做為提高超聲波流量計(jì)測(cè)試精度的一個(gè)基礎(chǔ)研究成為一個(gè)重要課題。
　　 對(duì)于超聲波流量計(jì)，影響

2、其測(cè)試精度的主要因素為流場(chǎng)內(nèi)面-線平均速度的關(guān)系，這種關(guān)系被定義為七系數(shù)。傳統(tǒng)的研究對(duì)于層流和完全湍流，都已有相應(yīng)的修正方法。而對(duì)于過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)流動(dòng)的面-線平均速度關(guān)系，目前的研究尚屬空白。傳統(tǒng)的處理的方法是采用湍流狀態(tài)下的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算過(guò)渡區(qū)內(nèi)流動(dòng)的面一線平均速度關(guān)系，這種處理方式勢(shì)必會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，大量的待測(cè)工況均處于過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)。因此，對(duì)于圓管過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)面-線平均速度關(guān)系，即七系數(shù)的研究具有重要的理論意義

3、和工業(yè)價(jià)值。
　　 本文采用數(shù)值模擬計(jì)算和PIV(Particle Image Velocimetry)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)圓管Re=2000-20000范圍內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了研究，獲得了圓管過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)面-線平均速度關(guān)系。在研究基礎(chǔ)上，又針對(duì)兩款不同結(jié)構(gòu)的超聲波流量計(jì)內(nèi)的水流特性進(jìn)行了研究，給出了相關(guān)規(guī)律，具體有：
　　 采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)圓管內(nèi)Re=5400的流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)與Westerwell等人的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)

4、現(xiàn)采用該計(jì)算模型獲取的剖面速度分布存在較大誤差，因而采用LES(Large Eddy Simulation)對(duì)Re=5400的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明LES模型獲取的流場(chǎng)速度分布與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。通過(guò)LES模型計(jì)算了圓管內(nèi)當(dāng)Re=5400、6000、7000、8000、9000、10000流動(dòng)情況下的流場(chǎng)，采用LES計(jì)算模型所得到的結(jié)果研究了過(guò)渡區(qū)內(nèi)面-線平均速度關(guān)系，并與采用傳統(tǒng)的采用湍流范圍內(nèi)的修正公式計(jì)算所得到的結(jié)

5、果對(duì)比，說(shuō)明傳統(tǒng)的計(jì)算方式存在較大的誤差。
　　 搭建了流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了相關(guān)水力計(jì)算，說(shuō)明了本文搭建的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)滿足流量要求。分析了PIV測(cè)試系統(tǒng)的誤差，并采用一定的方法在一定程度上消除了測(cè)量誤差。通過(guò)PIV測(cè)試系統(tǒng)對(duì)圓管Re=2000-20000范圍內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)流場(chǎng)分析說(shuō)明了該范圍內(nèi)的流動(dòng)涵蓋了過(guò)渡區(qū)范圍。通過(guò)PIV測(cè)試結(jié)果分析研究了不同入射角度情況下圓管內(nèi)面-線平均速度關(guān)系，說(shuō)明了300入射角度較好的結(jié)論，并

6、給出了300入射角度傳播路徑上的面-線平均速度關(guān)系隨著雷諾數(shù)變化曲線，經(jīng)分析該曲線的變化規(guī)律可分為四部分，根據(jù)每部分k系數(shù)的變化規(guī)律，給出了相關(guān)的擬合公式。針對(duì)水平入射角度的傳播路徑亦進(jìn)行了研究，取水平方向11條不同的傳播路徑研究，結(jié)果表明位于靠近圓管中心處的三條傳播路徑的面-線平均速度關(guān)系較為合理。最后，建立了水平入射角度情況下k系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的數(shù)學(xué)模型。
　　 為了便于對(duì)超聲波流量計(jì)不同基表結(jié)構(gòu)的面-線平均速度關(guān)系進(jìn)行分析

7、，本文開(kāi)發(fā)了超聲波流量計(jì)測(cè)試系統(tǒng)。采用TDC-GP2芯片做為主要的流量采集芯片，采用TI公司的MSP430F417芯片做為主控芯片實(shí)現(xiàn)了超聲波流量計(jì)流量信號(hào)的采集與計(jì)算。
　　 通過(guò)TDC-GP2方案的流量采集線路控制和流量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)DN20型支架式U型反射裝置的超聲波流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用流量檢測(cè)臺(tái)測(cè)量了流量范圍從0.045-0.909m3/h，Re=1000-20000范圍內(nèi)基表超聲波傳播路徑上的面-線平均速度關(guān)系，

8、從k系數(shù)變化曲線可以看出，該超聲波流量計(jì)過(guò)渡區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律與圓管過(guò)渡區(qū)流動(dòng)的面-線平均速度關(guān)系曲線的變化規(guī)律基本吻合。但由于反射裝置對(duì)流場(chǎng)的影響，使基表內(nèi)的流動(dòng)提前進(jìn)入過(guò)渡區(qū)。分析結(jié)果表明，在0.091-0.246m3/h的流量下是k系數(shù)最不穩(wěn)定的區(qū)域，通過(guò)所獲得的k系數(shù)曲線給出了支架式U型反射裝置的超聲波流量計(jì)過(guò)渡區(qū)流量范圍內(nèi)的k系數(shù)修正方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該種反射裝置的超聲波流量計(jì)對(duì)溫度變化較為敏感，在高溫的情況下，流量誤差不穩(wěn)定

9、，分析其主要原因是塑料支架受溫度影響容易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致誤差不穩(wěn)定。
　　 為了克服支架式反射裝置受溫度影響的弊端，對(duì)不銹鋼反射柱的U型反射方式的DN20超聲波流量計(jì)進(jìn)行了研究，直接采用上述給出支架式U型超聲波流量計(jì)過(guò)渡區(qū)的k系數(shù)規(guī)律來(lái)對(duì)不銹鋼式反射的基表進(jìn)行流量修正。通過(guò)不同流量點(diǎn)下基表的測(cè)量誤差可以看出，該方案得到的流量誤差較小，且比較穩(wěn)定，說(shuō)明了所給出的U型反射方式的超聲波流量計(jì)過(guò)渡區(qū)面-線平均速度關(guān)系的正確性。檢測(cè)結(jié)果

10、還表明該方式反射的超聲波流量計(jì)在50°和80°溫度下基本不會(huì)改變，說(shuō)明其性能受溫度影響較小，克服了支架式反射裝置在高溫情況下誤差不穩(wěn)定的弊端。
　　 通過(guò)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了LES模型對(duì)于過(guò)渡區(qū)流動(dòng)所適用的雷諾數(shù)范圍，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果分析了圓管過(guò)渡區(qū)面-線平均速度的關(guān)系。通過(guò)與傳統(tǒng)的修正方式結(jié)果的對(duì)比，說(shuō)明了對(duì)于低雷諾數(shù)的情況下傳統(tǒng)方法對(duì)于過(guò)渡區(qū)修正存在較大誤差。實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圓管內(nèi)的剖面流速分布不對(duì)稱(chēng)，作者給出了這