圆管流点速流量计的设计原理及测量点的选定

　　1　圆管流点速流量计的设计原理及特点

　　只需检测圆管流断面上一个点便可以测算出其流量的测流装置,称为圆管流点速流量计.这种流量计的测速原理是:根据流体力学理论,圆管流流量Q等于过流断面面积w与断面平均速度v的乘积,即

        Q=ωv     (1)

　　若检测出圆管流断面上某个点的速度u,并有办法将u折算为断面平均速度v,那么瞬时流量Q便可以由式(1)求得,要测累积流量,只需装上必要的二次仪表便可实现.

　　从上述原理可看出,点速流量计的新颖之处在于:它把测量流量的繁杂任务转变成只需测量一个点速度的简单工作.显然只需配备有较好的测速仪器,便可以进行流量测量.

　　由于点速流量计设计原理简单新颖,使它与传统的流量计相比,具有构造简单、流阻小、造价低和精度易控制等优点,是一种值得开发推广应用的流量计,但由于在如何选定测量点的问题上存在争议,致使该类流量计未能得以迅速开发推广.

　　点速流量计的测流原理表明,能否将测出的点速度u换算为断面平均速度v,是点速流量计可测性的关键,因此科学地选定测量点,使该点流速能换算为平均速度v,成了点速流量计生产设计的首要课题.本文重点讨论这一课题.

　　2　圆管流点速流量计测量点的选定

　　从点速流量计的测量原理可以看出,圆管流断面上能作为该流量计测点的点必须具有两个条件,一是该点的速度便于测量,二是该点速度u能精确换算为断面平均速度v.显然只有断面特征点才可能具有这两个条件.由流体力学理论知道:圆管流的断面速度分布是一个光滑的对称曲面,从任一轴纵剖面看,是一条连续对称的光滑曲线,如图1所示.图中R为管半径,y-及r-分别为断面平均速度v点距管壁及距管轴的距离,um为最大速度,y是以管壁为起点的坐标,r是以管轴为起点的坐标,r-=R-y-.

　　从图可以看到,管流断面上任一点的速度u在零和最大速度um范围变化,其中有3种速度特征点:第一种是y=0,u=0的点(在管壁上);第二种是y=y-,u=v的点,称为断面平均速度点(在半径r=r-的圆周上);第三种是y=R,u=um的最大速度点(在管轴心上).显然第一种点无测量意义,不可作为测量点,只有后两种可考虑作为测量点,只要能找出断面平均速度点的位置y-和导出v与um的换算公式,该两种点便可以作为点速流量计的测量点.下面分别对这两个测量点的可选性进行讨论.

　　3　圆管流断面平均速度位置点作为测量点的讨论

　　3.1　圆管流断面平均速度点位置的确定

　　流体力学指出,圆管流处于不同流态(层流或紊流)时,其速度分布规律不同,断面平均速度点位置也就不同,下面分别讨论.