弯管特性及其在流量检测中的应用

　　1　前言

　　在科研和生产过程中,常需对供给设备的流体介质流量进行监测,以保证生产设备在经济负荷和安全状态下运行。目前,用于流量检测的节流式孔板流量计、涡街流量计等,都存在一些不足或缺陷。节流式孔板流量计是一种比较成熟的流量计,但其量程比小、压力损失大,安装孔板的管道前后必须有足够长的直线段。涡街流量计是一种新型流量计,其压头损失小,量程大,但其结构复杂,造价高且性能稳定性差,还对工作环境要求严格,在生产现场难以接受。

　　在实验室中常采用毕托管来测量流量。其结构简单,造价低,安装方便,但采取测量管道流最大速度的方法测量流量,很难保证其测量结果的精度。另外,当管道内流体的流速小于10 m/s时,其流动产生动压头很小,也给测量带来困难和误差。

　　作者在进行流体流经弯管的流动特性实验时发现,由于管内流线显著的弯曲,沿断面有较大的惯性力(离心力)作用,在弯曲管段部分沿离心力方向流速减小而压力增加。弯管断面压力的不均匀分布,表现出压力与惯性力的平衡,而惯性力又与速度关联。可利用此特性测量流过弯管的流量。在实验过程中同时发现,弯管转弯处的压差值远大于用毕托管测得的动压值,这将有利于提高流量测量的范围和精度。另外,利用流体流经弯管的流动特性测定流量,没有附加阻力,安装简便,造价低,使用寿命长,维修量很少,尤其是利用弯管特性制作的流量检测仪-弯管流量计——可耐高温、高压,可在潮湿、粉尘、震动等恶劣环境中正常工作,是一般流量检测仪所不具备的[1],因此是一种值得推广的流量测量装置。

　　2　流体流经弯管的动力特性

　　假设流体为不可压缩的理想流体,由流体运动微分方程[2],有：

　　由流体流动的能量方程[2](柏努利方程),有

　　上述各式中,r为以弯管的曲率中心为圆心的半径,p、u分别为距弯管曲率中心r处的流体静压力和流速,z为以曲率中心为基准点的纵坐标位置,ρ为流体的密度,g为重力加速度,c为常数。

　　由式(1)和式(3)可见,理想流体在直管段截面上的流速u和都是均匀分布的;在弯曲管段部分断面上的速度变得不均匀了,沿管壁的压力分布也因而变得不均匀(如图1),管内壁处流速最大、压力最小,而管外壁处流速最小、压力最大;在弯管的出口处,速度和压力沿端面的分布又重新趋于均匀,在忽略位能的变化时,应用柏努利方程可将流体流速、压力变化的大小用无因次的压力变化系数Cp来表示,即

　　式中:p0、u0分别为上游截面的流体静压力和流体速度,其它符号意义同前。