淺談平衡式流量計(jì)的直管段要求
百度詞條:“平衡流量計(jì)是一種較為特殊的差壓式流量儀表,源自2003年美國航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)測液氧流量計(jì),由美國NASA采用流量仿真技術(shù)設(shè)計(jì)和研發(fā)。它采用獨(dú)特的等雷諾數(shù)、增加節(jié)流件厚度和加工精度,使流動(dòng)性能接近文丘里,構(gòu)造依然簡潔、安全,性能有質(zhì)的飛躍,巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能在最短的直管段要求下,用相對(duì)較小的永久壓損換來較大的穩(wěn)定差壓,實(shí)現(xiàn)高精度長期穩(wěn)定測量”。
平衡式流量計(jì)在廠家給出的直管段要求中給出了前0.5D后0.5D的技術(shù)要求。這個(gè)技術(shù)要求在生產(chǎn)實(shí)踐中是不能滿足絕大多數(shù)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的。
平衡式流量計(jì)當(dāng)初是為了解決低雷諾數(shù)流體的測量問題,主要就是在層流的流態(tài)下的流體流量的測量,也就是航天發(fā)動(dòng)機(jī)的液態(tài)氧從燃料箱流出后,經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口的加熱段氣化進(jìn)入燃燒室的液態(tài)氧的流量,這個(gè)在較低的雷諾數(shù)的層流流態(tài),使用平衡是流量計(jì)可以保證較好的測量性能,同時(shí)對(duì)液氧的流態(tài)又有較好的控制,保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作。
層流中摩擦阻力及沿程水頭損失均與流速的一次方成正比,流速分布呈拋物線型。圓管層流流速分布如圖1所示。
湍流是自然界普遍存在的流體運(yùn)動(dòng),它只有在流體高速流動(dòng)(高雷諾數(shù))的情況下才會(huì)產(chǎn)生。湍流的基本特征在于其具有隨機(jī)性質(zhì)的渦旋結(jié)構(gòu),以及這些渦旋在流體內(nèi)部的隨機(jī)運(yùn)動(dòng),因此,湍流能引起相鄰各層流體間動(dòng)量、能量及濃度等的交換和脈動(dòng)。
由此可以看到在層流條件下,使用平衡式孔板流量計(jì),可以對(duì)前后直管段有較低的要求。
但隨流體流速的增加,雷諾數(shù)的提高,相鄰各層流體間動(dòng)量、能量及濃度等的交換和脈動(dòng)。由此帶來經(jīng)過流量計(jì)的節(jié)流裝置(孔板)后,就會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)分離。
這個(gè)分離強(qiáng)度與流體的雷諾數(shù)高度非線性相關(guān)。對(duì)于流量計(jì)而言就是流出系數(shù)與雷諾數(shù)高度非線性相關(guān)。
平衡式孔板流量計(jì)也是也一樣,即在湍流條件下,流體流經(jīng)每個(gè)孔時(shí)都會(huì)發(fā)生分離,由于流體流態(tài)的影響,每個(gè)孔的對(duì)應(yīng)的流體的流體流速的不同,其流經(jīng)后的分離強(qiáng)度是不一樣的,為了防止盡量小的后端流體分離漩渦的互擾(平衡性),其就要求每個(gè)平衡孔的流態(tài)盡量相似。
如何才能保證流態(tài)的盡量相似呢?最佳的手段就是盡量足夠的直管段,讓流體在平衡孔板前充分發(fā)展,保證足夠好的運(yùn)動(dòng)相似性。這樣才能保證測量性能。
根據(jù)Langhaar HL公式,L=0.058Re.d對(duì)進(jìn)口沒干擾的光滑圓管,湍流時(shí),L為25,50d。
由此,我們?cè)谑褂闷胶馐搅髁坑?jì)時(shí),要充分考慮直管段對(duì)其性能的影響,理想條件下的安裝要求不能作為生產(chǎn)實(shí)踐的技術(shù)指標(biāo)使用。
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