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基于PIV测量的涡轮流量计
发布日期:2019/12/19 10:15:57
涡轮流量计作为一种速度式仪表,因其具有诸多优点被广泛应用到工业生产以及实际生活中。在涡轮流量计的实际使用中,一般需要结合流量计本身的响应曲线来计算被测管流的实际流量。获得涡轮流量计响应曲线的方法主要有2种,一是通过标准流量平台标定,二是通过理论模型计算获得其响应。其中标定方法在实际生产中应用更广泛,不过特定的标定曲线往往仅适用于某些单一工況下的响应,局限性较大。因此通过对涡轮流量计理论模型的探索和改进从而更准确地预测流量计的响应曲线具有重要意义。

基于PIV测量的涡轮流量计
基于叶栅理论和不可压缩势流提出了较为系统的计算涡轮流量计响应的理论模型以下简称TG模型)。该模型可以将速度入口信息以及涡轮流量计各部件的几何和运动参数均纳入考虑因而被此后的研究广泛采用。流量测量设备的内流场对其响应有着重要影响,目前部分研究采用数值模拟手段对其进行计算进而分析仪表的响应情况。对于涡轮内流场的实际流动情况Xu采用了激光多普勒技术对口径100m的涡轮流量计轮毂与管壁间的12个不同位置的速度进行了测量并代入理论模型进行计算,理论计算结果与实验结果比较吻合。国内方面,对涡轮流量计理论进行了研究和改进,他们重点研究了均方根半径处叶栅的驱动特性用以代表整个叶片。分析了在涡轮流量计的理论计算中,入口条件采用均匀来流或是充分发展的速度分布造成的误差,并通过数值仿真计算涡轮环空空间的速度分布,代入理论模型与实验结果较为吻合。将涡轮理论模型用于水下测速,取得了较好的效果。
 
以上研究都表明,获得准确的涡轮流量计入口速度分布,结合TG模型可大大提高计算的准确性。由于实际涡轮上游情况比较复杂,不同的导流叶片、轮毂前缘设计等因素都对入口速度分布有着重要的影响,因而实际的涡轮入口速度分布,并非均匀分布或充分发展的环空分布,难以通过简单的黏性流理论获得通用的速度分布计算方法。因而采用实验的手段,获得能够反映切合实际的涡轮入口速度分布具有重要的应用价值。纵观以往的研究,对于入口速度分布的获得,多是采用理论计算或是数值模拟的方法,仅有Xu采用了LDA技术观察了涡轮环空的速度分布。LDA技术虽然计量准确,但其多光束汇聚和单点测量的性质决定了它测点较少,难以同时获得全流场信息的缺陷,因而其仅能用于口径较大的涡轮流量计流场测量。随着粒子图像测速PV)技术的发展,其瞬时获得全场信息的能力也被应用到流量测量的研究中,也可以用于涡轮流量计叶轮轮毂与管壁的研究中。基于以上考虑,本文应用粒子成像测速技术PNV)来获得流场的流速信息,以便通过更准确和全面的入口速度分布进而对流量计的响应获得深入的认识。
 
通过PV技术观测了涡轮流量计入口轴向速度分布并代入TG模型进行计算。结果表明,PIV技术可以作为涡轮流量计的入口速度的观测手段。PIV技术代入模型后计算所得的涡轮转速与实际较为吻合,而采用均匀速度入口或是充分发展的环空空间速度分布均与实际存在些许差异,代入模型后所得误差较大,也反映了不同的入口速度分布对流量计响应具有十分重要的影响。由于涡轮流量计入口速度分布受到多种因素的影响,难以完全依赖简单的理论计算,因而PV技术可以有的放矢地用于涡轮流量计的内流场观察,获得真实的流速分布信息,进而改进理论模型的计算和分析,在新一代涡轮流量计的研制和完善相关理论中发挥重要的作用。