圓管過渡區(qū)流速特性的研究.pdf

1、目前，國家正在大力倡導節(jié)能減排。能源的計量測試工作就屬于一項重要的技術基礎工作。超聲波流量計做為流量計量主要的工具，其測試精度在能源的計量上起至關重要的作用。但是目前國產(chǎn)的超聲波流量計的技術水平還不夠高，測試精度和可靠性與國外產(chǎn)品還有一定的差距，其主要原因是對處于過渡區(qū)范圍內(nèi)流動的流速特性缺乏相應的理論指導依據(jù)。因此，圓管內(nèi)過渡區(qū)的流速特性做為提高超聲波流量計測試精度的一個基礎研究成為一個重要課題。
　　 對于超聲波流量計，影響

2、其測試精度的主要因素為流場內(nèi)面-線平均速度的關系，這種關系被定義為七系數(shù)。傳統(tǒng)的研究對于層流和完全湍流，都已有相應的修正方法。而對于過渡區(qū)范圍內(nèi)流動的面-線平均速度關系，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)驗公式來計算過渡區(qū)內(nèi)流動的面一線平均速度關系，這種處理方式勢必會造成較大的測量誤差。在實際工業(yè)應用中，大量的待測工況均處于過渡區(qū)范圍內(nèi)。因此，對于圓管過渡區(qū)范圍內(nèi)面-線平均速度關系，即七系數(shù)的研究具有重要的理論意義

3、和工業(yè)價值。
　　 本文采用數(shù)值模擬計算和PIV(Particle Image Velocimetry)實驗方法來對圓管Re=2000-20000范圍內(nèi)的流動進行了研究，獲得了圓管過渡區(qū)范圍內(nèi)面-線平均速度關系。在研究基礎上，又針對兩款不同結構的超聲波流量計內(nèi)的水流特性進行了研究，給出了相關規(guī)律，具體有：
　　 采用標準k-ε模型對圓管內(nèi)Re=5400的流動進行了計算，通過與Westerwell等人的經(jīng)典實驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)

4、現(xiàn)采用該計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Re=5400的流動進行了數(shù)值模擬計算，計算結果表明LES模型獲取的流場速度分布與經(jīng)典實驗數(shù)據(jù)相吻合。通過LES模型計算了圓管內(nèi)當Re=5400、6000、7000、8000、9000、10000流動情況下的流場，采用LES計算模型所得到的結果研究了過渡區(qū)內(nèi)面-線平均速度關系，并與采用傳統(tǒng)的采用湍流范圍內(nèi)的修正公式計算所得到的結

5、果對比，說明傳統(tǒng)的計算方式存在較大的誤差。
　　 搭建了流動實驗臺，并進行了相關水力計算，說明了本文搭建的流動實驗臺滿足流量要求。分析了PIV測試系統(tǒng)的誤差，并采用一定的方法在一定程度上消除了測量誤差。通過PIV測試系統(tǒng)對圓管Re=2000-20000范圍內(nèi)的流動進行了測量，通過流場分析說明了該范圍內(nèi)的流動涵蓋了過渡區(qū)范圍。通過PIV測試結果分析研究了不同入射角度情況下圓管內(nèi)面-線平均速度關系，說明了300入射角度較好的結論，并

6、給出了300入射角度傳播路徑上的面-線平均速度關系隨著雷諾數(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，給出了相關的擬合公式。針對水平入射角度的傳播路徑亦進行了研究，取水平方向11條不同的傳播路徑研究，結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)學模型。
　　 為了便于對超聲波流量計不同基表結構的面-線平均速度關系進行分析

7、，本文開發(fā)了超聲波流量計測試系統(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現(xiàn)了超聲波流量計流量信號的采集與計算。
　　 通過TDC-GP2方案的流量采集線路控制和流量檢測實驗臺，對DN20型支架式U型反射裝置的超聲波流量計進行了實驗研究，采用流量檢測臺測量了流量范圍從0.045-0.909m3/h，Re=1000-20000范圍內(nèi)基表超聲波傳播路徑上的面-線平均速度關系，

8、從k系數(shù)變化曲線可以看出，該超聲波流量計過渡區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律與圓管過渡區(qū)流動的面-線平均速度關系曲線的變化規(guī)律基本吻合。但由于反射裝置對流場的影響，使基表內(nèi)的流動提前進入過渡區(qū)。分析結果表明，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過渡區(qū)流量范圍內(nèi)的k系數(shù)修正方法。通過實驗檢測發(fā)現(xiàn)該種反射裝置的超聲波流量計對溫度變化較為敏感，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，對不銹鋼反射柱的U型反射方式的DN20超聲波流量計進行了研究，直接采用上述給出支架式U型超聲波流量計過渡區(qū)的k系數(shù)規(guī)律來對不銹鋼式反射的基表進行流量修正。通過不同流量點下基表的測量誤差可以看出，該方案得到的流量誤差較小，且比較穩(wěn)定，說明了所給出的U型反射方式的超聲波流量計過渡區(qū)面-線平均速度關系的正確性。檢測結果

10、還表明該方式反射的超聲波流量計在50°和80°溫度下基本不會改變，說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。
　　 通過經(jīng)典的實驗數(shù)據(jù)說明了LES模型對于過渡區(qū)流動所適用的雷諾數(shù)范圍，通過數(shù)值模擬計算的結果分析了圓管過渡區(qū)面-線平均速度的關系。通過與傳統(tǒng)的修正方式結果的對比，說明了對于低雷諾數(shù)的情況下傳統(tǒng)方法對于過渡區(qū)修正存在較大誤差。實驗研究的結果發(fā)現(xiàn)，圓管內(nèi)的剖面流速分布不對稱，作者給出了這