槽道流量計(jì)的理論與應(yīng)用
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在能源日益緊張的今天，對流量計(jì)的另一個(gè)要求是減小流量計(jì)本身產(chǎn)生的能量損失。在有些情況下，過高的壓力損失還會使設(shè)備無法工作。電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)在管道中沒有節(jié)流裝置，理論上沒有任何損失。然而，在實(shí)踐中為了減小流量計(jì)上下游直管段，在管道中安置了流動(dòng)調(diào)節(jié)器，目的是使管內(nèi)流動(dòng)盡快達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)管流，以保證準(zhǔn)確的測量。槽道流量計(jì)正是在這樣的背景下產(chǎn)生的。
一、槽道流量計(jì)的原理和特點(diǎn)
在流量測量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，二次儀表技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。然而，對管道流動(dòng)流體力學(xué)特性的研究和應(yīng)用并未引起人們的充分注意，仍然停留在比較初級的水平，越來越成為流量測量技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。對于任何流量計(jì)來說，獲得準(zhǔn)確的流量的基礎(chǔ)是在流量計(jì)的上游獲得標(biāo)準(zhǔn)的管流，而這一點(diǎn)在實(shí)際使用中難以做到，從而無法獲得準(zhǔn)確的計(jì)量。
南京航空航天大學(xué)明曉教授從流體力學(xué)的源頭出發(fā)，以流動(dòng)控制的觀點(diǎn)來解決問題。他提出了一種有著優(yōu)秀流體力學(xué)特性的節(jié)流裝置。該節(jié)流裝置將管流迅速調(diào)整為環(huán)形槽道流動(dòng)，以獲得十分穩(wěn)定的差壓，該節(jié)流裝置的流量計(jì)被命名為槽道流量計(jì)。他們對槽道流量計(jì)進(jìn)行了大量的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，理論上證實(shí)了該流量計(jì)是迄今為止綜合性能最優(yōu)的差壓式流量計(jì)。目前，槽道流量計(jì)已獲得國家專利。
1.工作原理
如圖1所示，槽道流量計(jì)的節(jié)流件——紡錘體，沿測量管中心軸線安裝。其幾何形狀根據(jù)流體力學(xué)原理精心設(shè)計(jì)，并采用基因算法進(jìn)行優(yōu)化，呈完美的流線型，理論上能完全避免流動(dòng)分離和漩渦的產(chǎn)生，對流體的阻力達(dá)到最小。紡錘體中部適當(dāng)位置有一等直徑段，與測量管的內(nèi)壁之間形成均勻的環(huán)形通道。槽道流量計(jì)的高壓取自紡錘體頭部對應(yīng)的測量管壁處，低壓取自環(huán)形槽道的中后部。
圖2 槽道流量計(jì)測量原理和測量過程
2.槽道流量計(jì)的性能特點(diǎn)
(1)測量準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好
槽道流量計(jì)將各種實(shí)際流動(dòng)迅速調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的槽道流動(dòng)，取壓點(diǎn)壓力非常穩(wěn)定；節(jié)流裝置內(nèi)整個(gè)流場沒有分離發(fā)生，不會產(chǎn)生附加的壓力波動(dòng)。以水為介質(zhì)時(shí)，測量準(zhǔn)確度可優(yōu)于0.2%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%，各檢定點(diǎn)的示值誤差如表1所示。
表1 各檢定點(diǎn)的示值誤差 
節(jié)流件紡錘體的強(qiáng)大整流作用，使得槽道流量計(jì)擺脫了前后直管段的限制，適用范圍大為拓寬，安裝成本大為降低。
槽道流量計(jì)測量過程中，被測流體在接近紡錘體頭部的時(shí)候，其速度分布即開始受到調(diào)整；隨著流體流過紡錘體頭部，其速度分布受調(diào)整的力度不斷加大；當(dāng)流體進(jìn)入環(huán)形槽道以后，其速度分布開始被“標(biāo)準(zhǔn)化”；在環(huán)形槽道的中后部，即可形成環(huán)形槽道流動(dòng)，如圖3所示。
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