新型节流装置风洞实验及相似函数的确定

　　0 引言

　　在冶金行业，炉容量大于3 000 m³的大型高炉和5 000 m³的巨型高炉投入运行，其送风管道的直径一般在 1. 2 m 以上，风量的精确控制是高炉生产中的关键因素之一; 在大型水电和火电企业中，流体输送管路也有大型化的趋势，管径大于 1. 6 m的圆形管道和管道边长达 2 ～ 3 m 的矩形管道也大量使用^[1]。

　　因此，对这类管道流量的测定方式的选择以及测量精度就非常重要，如果用传统的节流计对大管道、特大管道进行流量测量，就需要与待测管道管径匹配的节流装置，即大型节流装置，这样的大型节流装置存在制造加工成本高和现场安装难度大的现实问题，并且测量的精度不易保证。

　　在这种背景下，结合多年的实践经验和相关理论，研发一种新型的插入式节流装置，通过相似原理分析、样品设计、制造以及风洞实验，在对数据统计分析的基础上，确定相似准数方程中的待定系数，量化准数方程，应用于大管道、特大管道实际流体的流量测定，并且可以满足测量精度的要求。

　　1 新型节流装置结构与原理

　　新型插入式节流装置结构示意图如图 1 所示，固定法兰上端有引压导管接口，下端与悬臂支架焊接而成，测量管由入口稳流翼，前、后直管段和测量段孔板或喷嘴组成。

　　新型插入式节流装置流量测量原理示意图如图 2 所示。在实际的测量中，将节流装置插入管道内，采用固定法兰与测量管道上的法兰螺钉压紧连接的方式。通过测取喷嘴的前后压差计算流过直管段和喷嘴的流量，由于直管段内的流体与测量管道中的流体具有相似的流速分布，进而可以实现待测管道的流量测定^[1]。在对插入式节流装置实流校验的基础上，利用相似原理推测出相似的装置常数，就可以用插入式节流装置对大管道进行流量间接测量^[2]。

　　2 实际流体相似函数的导出

　　节流装置的流量测量是以能量守恒定律和流动连续性方程为基础，对充满管道的流体在经过节流装置时，流束在节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力降低，于是在节流件前后产生了静压力差( 压差) 。流体的流速越大，在节流件前后产生的压差也越大，通过测量压差来衡量流体通过节流装置时的流量大小^{[3 -4]。}

　　实际送风管道的流体，可以看作是一维不稳定流动的黏性流体，其动量平衡方程可由 Navier-Stokes 方程得^[3]

　　式中: ρ 为流体的密度，kg/m³; u 为流体的流速，m/s; t 为时间，s; g 为重力加速度，m / s²; μ 为流体的动力黏度，kg/( m·s)² ; x为流体的坐标位置，m; p 为流体的压力，Pa.