淺談幾種典型阻力件對(duì)流量?jī)x表的影響

我們知道影響流量?jī)x表準(zhǔn)確度的因素包括流體的物性、 性狀和流動(dòng)特性等，這些因素都可修正或采取一定措施減輕或消除其影響，唯獨(dú)流速分布很難解決，因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)不可能照顧到流量?jī)x表所需的直管段長(zhǎng)度，以下討論幾種典型阻力件對(duì)流量?jī)x表的影響。

一、彎頭

    在工藝流程中，為改變方向或高度常采用彎頭，是最常見(jiàn)的一種管道阻力件，無(wú)論是充分發(fā)展紊流或“自由流動(dòng)” (從大氣汲入)通過(guò)彎頭后，流動(dòng)都將變得較為復(fù)雜，流速分布不再對(duì)稱于軸心，且伴有漩渦(如方管還有二次流)，對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響主要取決于彎頭的曲率半徑及流速的大小。

    當(dāng)流體流經(jīng)彎管時(shí)，將發(fā)生離心力，外壁壓力增大流速下降；內(nèi)壁壓力減小流速上升，而自彎頭流向直管時(shí)，流動(dòng)的效應(yīng)相反，外側(cè)流速加大，內(nèi)側(cè)流速減小，同時(shí)由于流體流動(dòng)的慣性，在內(nèi)側(cè)將產(chǎn)生較大的漩渦區(qū)，外側(cè)形成較小的漩渦區(qū)。

    當(dāng)彎頭曲率半徑減小，或管徑增大時(shí)，分離的效應(yīng)將增強(qiáng)，在彎頭1/3處，流動(dòng)加劇惡化，但在流體粘性的作用下， 漩渦將逐漸弱化，流速分布將趨于均衡，約10D后基本改善流動(dòng)情況。因而，在單彎頭后10D之內(nèi)，不宜安裝流量?jī)x表。

    上述情況是單彎頭前為充分發(fā)展紊流，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)是很少見(jiàn)的。常見(jiàn)的是多個(gè)彎頭或彎頭與其他阻力件的組合，所以僅做幾個(gè)單頭試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決非充分發(fā)展紊流的問(wèn)題。這種復(fù)雜的組合，加大了二次流、漩渦 及離心力的強(qiáng)度，流動(dòng)會(huì)更加惡化，管道越大(D>400mm)改善越困難。據(jù)專業(yè)人士估計(jì)，直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)大于20D，否則準(zhǔn)確度很難達(dá)到5%。加大彎頭之間的間距有可能弱化相互的影響，我們建議二個(gè)彎頭之間的距離不應(yīng)小于5D。

二、變徑管

    為了改變工藝管道的口徑通常采用變徑管，主要有擴(kuò)管及縮管兩種形式。長(zhǎng)期以來(lái)它對(duì)流場(chǎng)的影響一視同仁，未加區(qū)別。但我們認(rèn)為，縮管如果處理適當(dāng)不僅不至于破壞流場(chǎng)，而且可以消除漩渦、改善流場(chǎng)，現(xiàn)對(duì)以下兩種情況進(jìn)行討論:

1、突變管：即管徑的改變沒(méi)有過(guò)渡，突然地?cái)U(kuò)大或突然縮小，都將產(chǎn)生漩渦，破壞流場(chǎng)，管徑變化越大，破壞性越強(qiáng)。

2、漸變管：一是漸擴(kuò)管，流體通過(guò)漸擴(kuò)管是一個(gè)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為位能的過(guò)程，如擴(kuò)張角不超過(guò)10°，這個(gè)轉(zhuǎn)變是漸變穩(wěn)定的，流體不會(huì)分離，也不會(huì)產(chǎn)生較大壓損，如文丘利的擴(kuò)張段。但工藝上往往不允許有如此長(zhǎng)的擴(kuò)張段，特別是當(dāng)管徑較大時(shí)，尤為突出；二是漸縮管，流體通過(guò)漸縮管是一個(gè)位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的過(guò)程，較易實(shí)現(xiàn)。以致收縮角大至60°都不會(huì)產(chǎn)生分離(如文丘利管的進(jìn)口)，而且還會(huì)消除漩渦改善流場(chǎng)，不少?gòu)S家已認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)，并利用它作為一種成本低、效率高的整流器，如文丘利渦街流量計(jì)、艾伯特流量計(jì)，美國(guó)康樂(lè)創(chuàng)的氣體超聲波流量計(jì)等等。據(jù)資料，上述后者對(duì)流量?jī)x表準(zhǔn)確度的影響將較前者可大到約20倍。

三、閥門(mén)

    在流程工業(yè)中通常采用閥門(mén)來(lái)改變流量的大小。閥門(mén)的形式多樣，是一個(gè)較復(fù)雜的阻力件，不僅給流動(dòng)帶來(lái)漩渦，而且惡化流速分布。相當(dāng)多的閥門(mén)在使用中都不是處于全開(kāi)的狀況，開(kāi)度越小，惡化流場(chǎng)越嚴(yán)重。而且，在流體的控制中閥門(mén)往往作為一個(gè)降壓裝置，使流體產(chǎn)生壓損，壓力急劇下降，還容易產(chǎn)生空穴，進(jìn)一步增加流量?jī)x表的誤差及危害。

    鑒于上述原因，在工藝布局上，應(yīng)盡可能地將閥門(mén)安排在流量?jī)x表的下游；如必需安排在上游，則流量?jī)x表距離閥門(mén)至少應(yīng)有5D以上的直管段長(zhǎng)度，如無(wú)法保證，則可將閥門(mén)安排在管道的旁路上，而在安裝流量?jī)x表的主管道上游安裝一個(gè)干擾較小的球閥或梭式閥。這里我們特別提醒要小心地安排流量?jī)x表與閥門(mén)之間的相對(duì)位置，否則會(huì)引起無(wú)法容忍的測(cè)量誤差。

四、歧管

    在流程工業(yè)中，如從主管道流出一部分流體或有一部分流體從外流入主管道都要采用歧管。一般來(lái)說(shuō)前者對(duì)流場(chǎng)的影響將小于后者，當(dāng)然這種影響還取決流入或流出流體的流量與主管道流量的比例，比例越小影響也越小。當(dāng)流體從歧管流入主管道時(shí)往往不可避免地和主管道的流動(dòng)產(chǎn)生漩渦并惡化流速分布，直到兩種流體完全混合為止。如必需確保流量準(zhǔn)確度，流量?jī)x表應(yīng)盡量避開(kāi)歧管，或加長(zhǎng)上游直管段長(zhǎng)度。

    上述介紹僅為幾種典型的阻力件，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，形形色色的阻力件會(huì)根據(jù)工藝要求，以各種方式組合起來(lái)，形成各種流動(dòng)形式，對(duì)流量?jī)x表的影響也很難通過(guò)試驗(yàn)來(lái)加以規(guī)范修正。當(dāng)前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISOTC30) 還是建議采用整流器(或稱流動(dòng)調(diào)整器)，以便在不長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度獲得較為理想的流場(chǎng)，讓流量?jī)x表保持較高準(zhǔn)確度。

    在流量?jī)x表家族中，經(jīng)典式節(jié)流裝置使用時(shí)間最長(zhǎng)，裝機(jī)量曾幾乎占60%以上，且積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。雖然優(yōu)點(diǎn)多多，但無(wú)法面對(duì)直管段不足，準(zhǔn)確度下降的矛盾，只能是無(wú)可奈何花落去了，這是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的形勢(shì)的要求，近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外，涌現(xiàn)了不少新型的節(jié)流裝置(內(nèi)錐、 整流、平衡流量計(jì)、槽道、梭式)，它們的共同特點(diǎn)就是上游直管段長(zhǎng)度只要求2~5D。即可保持±0.5~1%的準(zhǔn)確度。當(dāng)然它還稚嫩，這是一切新生事物都會(huì)遇到的問(wèn)題，想當(dāng)年孔板的發(fā)展初期不也是這樣嗎？