Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИССЛЕДУЕМЫМ ВОПРОСАМ. 8
1.1. Сегментные диафрагмы 8
1.2. Методы выравнивания эпюры скоростей 39
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ СЕГМЕНТНЫХ ДИАФРАГМ 48
2.1. Описание гидродинамических стендов и измерительной аппаратуры 46
2.2. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных 53
3. ГИДРАВДИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕГМЕНТНЫХ ДИАФРАГМ 60
3.1. Исследование сегментных диафрагм в широком диапазоне относительных площадей отверстий на трубопроводе различных диаметров. Зона автомодельности, 60
3.2. Влияние степени притупления входной кромки сегментной диафрагмы на ее показания. 70
3.3. Влияние мест отбора давления на показания диафрагмы. 74
3.4. Анализ точности значений коэффициентов расхода сегментных диафрагм, полученных из экспериментов 81
4. ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОЙ КОМПОНЕНТЫ В ПОТОКЕ НА ПОКАЗАНИЯ
СЕГМЕНТНЫХ ДИАФРАГМ 87
4.1. Обоснование функциональной связи меаду расходом взвесенесущего потока и перепадом давления на сужающем устройстве 87
4.2. Результаты эксперимента. 101
5. ГИДРАВДИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТОКА ПОСЛЕ
КОНФУЗОРОВ С ПОМОЩЬЮ ТРЕШНАЛЬНОГО ЗОНДА И ЛАЗЕРНОГО
ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ (ЛДИС) 108
5.1. Особенности применения оптических методов измерения скоростей напорного потока. 108
5.2. Описание экспериментальных установок (ЛДИС и трехканальный зонд) 126
5.3. Исследование распределения скоростей в потоке после конфузоров и определение расхода по измерению скорости в одной точке выходного сечения конфузора 136
6. НАТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СЕГМЕНТНЫХ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ 157
6.1. Измерение расхода воды на гидромелиоративной насосной станции Каршнского магистрального канала с трубопроводом диаметром 3600 мм 157
6.2. Измерение расхода гидросмеси при производстве намывных работ земснарядами с трубопроводом диаметром 610 мм 168
6.3. Разработка и изготовление сегментной задвижки-расходомера для измерения расхода активного ила на станции аэрации с трубопроводом диаметром 200мм. 177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 184
Приложение I. Акт о проведении натурных испытаний сегментной диафрагмы (Минводхоз СССР) 193
Приложение II. Акт о проведении натурных испытаний сегментной диафрагмы (Минэнерго СССР) 196
Приложение III. Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения устройства дня измерения расхода гидросмеси на земснаряде с помощью сегментной диафрагмы 203
Приложение ІV. Использование результатов исследований сегментных сужающих устройств 209
- Сегментные диафрагмы
- Описание гидродинамических стендов и измерительной аппаратуры
- Исследование сегментных диафрагм в широком диапазоне относительных площадей отверстий на трубопроводе различных диаметров. Зона автомодельности,
- Обоснование функциональной связи меаду расходом взвесенесущего потока и перепадом давления на сужающем устройстве
- Особенности применения оптических методов измерения скоростей напорного потока.
Введение к работе
В настоящее время в промышленности и сельском хозяйстве интенсивно развивается трубопроводный транспорт с применением труб большого диаметра. Это относится к гидромелиорации, где используются напорные трубопроводы диаметром до 4,0 м, к канализационным системам, к гидромеханизации, применяющим также трубы больших диаметров. Их характерная особенность в том, что по ним может транспортироваться и взвесенесущая жидкость (гидросмесь).
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" / I / отмечено : "Обеспечить дальнейшее развитие мелиорации земель. Ввести в эксплуатацию 3,4 - 3,6 млн. гектаров орошаемых земель, осуществить меры по рациональному расходованию воды для нужд сельского хозяйства, улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель", и далее "Ускоренно развивать трубопроводный транспорт" .
Точное определение расходов различных веществ имеет большое значение для любой отрасли народного хозяйства. В целях увеличения производительности (коэффициента полезного действия) установок при учетных операциях, приемке и отпуске разного рода веществ требуется производить измерение их расхода в единицах массы и объема. До сих пор не существует простых, и в то же время достаточно точных методов измерения расхода жидкостей (в том числе загрязненных), особенно в трубопроводах больших диаметров. Традиционные методы измерения расхода (нормальные диафрагмы, расходомеры Вентури, мерные сопла и пр.) в этих* случаях малоудобны или совсем непригодны. Поэтому создание методов измерения расхода двухфазных потоков при больших диаметрах напорных трубо- - б - проводов представляет собой актуальную задачу.
Один из перспективных способов определения расхода напорных потоков в водоводах больших диаметров (до 4,0 м) при наличии взвеси основан на использовании сегментных сужающих устройств (сегментных диафрагм) с большой относительной площадью отверстия. Действие расходомеров с сужающими устройствами в виде сегментных диафрагм основано на связи между расходом потока и перепадом давления, создаваемым сегментом, установленным в трубопроводе. Перепад давления на сегментной диафрагме образуется в результате преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную.
Цель данной работы - создание метода определения расхода напорного потока на основе результатов гидравлических исследований сегментных сужающих устройств, лабораторных и натурных экспериментов и стендовых испытаний. В результате предложены расходомеры в виде сегментных диафрагм, которые можно использовать без предварительной градуировки.
Исследование влияния различных факторов (величины относительной площади отверстия, степени притупления входной кромки, способов отбора давления и пр.) на коэффициент расхода сегментных диафрагм проводились на гидродинамическом циркуляционном стенде, оборудованном образцовой расходомерной установкой (ОРУ) класса точности 0,2...0,3, а также на ряде других стендов. Диаметры рабочих участков трубопроводов составляли 105, 143 и 208 мм. В качестве рабочей жидкости применялась вода и водопесчаная смесь. В работе теоретически и экспериментально исследована связь между расходом взвесенесущего потока и перепадом давления на сужающем устройстве. Теоретические решения подтвердились экспериментальными данными.
Натурные эксперименты проводились на гидромелиоративной насосной станции Каршинского магистрального канала (Узбекская ССР) при диаметре трубопровода 3600 мм. Кроме того, с помощью сегментной диафрагмы измерялся расход пульпы в трубопроводе диаметром 610 мм земснаряда Шатурского участка МСУ Всесоюзного треста "Гидромеханизация" Министерства энергетики и электрификации СССР. В настоящее время проходит стендовые испытания задвижка-расходомер с рабочим органом в виде сегментной диафрагмы, предназначенная для измерения расхода активного ила на Люберецкой станции аэрации (трест "Мосочиствод" УЕКХ Мосгорисполкома). другим перспективным способом измерения расхода в напорных круглых трубах является определение расхода по скорости, измеренной в одной репрезентативной точке живого сечения трубы, в которой локальная скорость равна средней по сечению скорости. Произведение этой скорости на площадь живого сечения равно объемному расходу потока. При прямоугольной форме эпюры скоростей первичный преобразователь скорости можно поместить практически в любую точку сечения трубы. Поэтому в диссертации исследована кинематика потока после конфуз ора, с помощью которого создавалось равномерное поле скоростей. Для измерения местных скоростей использовались трехканальный зонд и лазерный доплеровский измеритель скорости (ДДИС). На основании полученных полей скоростей после конфузора определены некоторые турбулентные характеристики потока.
Сегментные диафрагмы
Применение сужающих устройств для измерения расхода потока началось сравнительно давно. Так еще в древнем Риме использовались диафрагмы как дроссельный орган. Однако систематические исследования и широкое применение этих устройств началось лишь в ХУІІІ и ИХ в.в. в связи с техническим прогрессом.
Экспериментальные результаты исследований трубы Вентури, получившей свое название в честь ее изобретателя итальянца Вентури, были опубликованы во Франции в 1797 г. Впервые трубы Вентури использовал в промышленности К.Гершель в США, а затем применение труб Вентури как метода измерений было разработано Парентом в 1886 г. Мерные сопла появились в 1895 г, что было связано с именем французского инженера Рато. Диафрагмы в современном смысле слова исследовались Флигюером в Цюрихе в 1885 г. Ж.Ходсон продолжил эту работу уже в начале XX века.
Немецкий исследователь Г.Ломан в 1938 г. опубликовал результаты исследования сегментных диафрагм в статье / 2 /. Экспериментальная часть работы проводилась на установке с трубопроводом диаметром 100 мм. В статье приводится рабочая формула для определения расхода жидкости с помощью сегментной диафрагмы в виде- перепад давления, кгсДг или мм в, ст. ; - удельный вес жидкости, кгс/м3 ; (Л. - коэффициент расхода диафрагмы. Площадь сечения сегментного отверстия определяют по формуле
В статье / 2 / рекомендуются размеры сегментных диафрагм, аналогичные размерам нормальных диафрагм по немецкому стандарту DIN 1952 / 3 /. Опыты с сегментными диафрагмами / 2 / проводились в диапазоне относительной площади отверстия диафрагмы т -= 0,1196...0,893 ( О /V = 0,1767...0,8380). Средняя квадрати-ческая погрешность эксперимента составляла ± (0,2. ..0,3)$. В работе, в частности, отмечается, что при больших относительных площадях отверстия т разброс экспериментальных точек несколько больше, чем при малых /П .
На рис. 1.2 представлены зависимости коэффициента расхода ОС от относительной площади отверстия т для сегментной диафрагмы Ходсона (в диапазоне Ш = 0,5...0,85) и для нормальной диафрагмы по немецкому стандарту DIN 1952 ( в диапазоне т -- 0,05.,.0,7) для сравнения с кривой Ломана (относящейся к так называемой "сегментной диафрагме Сименса"). Как видно, кривые расположены близко друг к другу величина коэффициента расхода сегментных диафрагм близка к величине коэффициента расхода нормальных диафрагм.
Описание гидродинамических стендов и измерительной аппаратуры
Образцовые расходомерные установки классифицируются по ряду признаков / 38 /. По способу получения информации о результатах измерений ОРУ подразделяются на статические и динамические. Их отличительные особенности состоят в том, что в статических ОРУ производят измерение количества жидкости, собранной в приемный резервуар, и за результат измерения принимают разность количества жидкости в резервуаре до и после испытаний. В динамических ОРУ определяют количество движущейся жидкости по разности двух его мгновенных значений, измеренных в фиксированные моменты времени в процессе испытаний.
По виду измерения количества жидкости ОРУ подразделяются на массовые и объемные.
По способу измерения количества жидкости классификация весьма разнообразная :
- в статических массовых ОРУ применяют только непосредственное взвешивание ;
- статические объемные ОРУ подразделяются на уровнемерные и погружающиеся ;
- в динамических массовых ОРУ используются различные методы : непосредственного взвешивания, нулевой метод с помощью весов-компараторов и др. ;
- динамические объемные ОРУ представлены уровнемерными и трубо поршневыми.
Для гидравлических исследований сегментных сужающих устройств в Гидравлической лаборатории МИЙТа была создана статическая массовая ОРУ в составе гидродинамического циркуляционного стенда с расходом 18...180 т3/ч. Стенд состоит из центробежного насоса (насос Д200-36, номинальный напор 25 м, номинальная мощность электродвигателя 22 кВт), всасывающего и напорного трубопроводов диаметром 105 мм, ОРУ (рис. 2.1) и приемного зумпфа емкостью 25 м3. Напорная магистраль имеет сменный прямолинейный участок, на котором можно устанавливать трубы диаметром ЮО бОмм. Длина прямолинейного участка составляет величину порядка 25 м, что обеспечивает формирование нормальной эпюры скоростей, характерной для турбулентного потока в трубах, перед исследуемым прибором.
Процесс измерения расхода заключается в следующем. В исходном положении ("Пролив") перекидное устройство 2 (рис. 2.1) установлено таким образом, чтобы весь поток поступал в бассейн 7 через сливную трубу 9. При этом на весах 5 фиксируется начальная масса М измерительного резервуара 4. После достижения требуемого значения расхода по команде с блока управления секундомером и перекидным устройством ЕУСиЛУ (нажатие импульсной кнопки "Пуск") приводной механизм перекидного устройства 3 (электромагнит Щ) перемещает подвижной элемент - разделитель потока.
Для определения границ интервала осреднения расхода используются выключатель конечный бесконтактный КВП-8 (I, рис. 2.1) и упор, закрепленный на разделителе потока. При движении разделителя потока в некоей точке В (рис. 2.2) , когда упор проследует мимо КШ-8, этот датчик через БУСиГО" выдаст команду на начало счета времени частотомеру-хронометру Ф-599. Траектория движения упора относительно неподвижного датчика КШ-8 при движении разделителя выбирается таким образом, чтобы границы интервала осреднения соответствовали точкам В и Е на графике
Исследование сегментных диафрагм в широком диапазоне относительных площадей отверстий на трубопроводе различных диаметров. Зона автомодельности
Экспериментальное исследование влияния какого-либо параметра на коэффициент расхода сегментной диафрагмы как правило проводилось с комплектом из 12 ... сегментных диафрагм, различающихся для данного параметра лишь величиной относительной площади отверстия т . Такой прием был трудоемок, однако в результате получалась зависимость OL = оС ( т ) для данного параметра, полностью описывающая влияние этого параметра на коэффициент расхода диафрагмы ОС в широком диапазоне изменения т =0,5...0,96. Выбор именно такого диапазона т обусловлен тем, что сегментные диафрагмы при т 0,7 исследованы за рубежом достаточно полно. В то же время, как отмечалось выше, преимущества сегментных диафрагм по сравнению с другими сужающими устройствами проявляются именно при т 0,7 (в зоне, где остальные сужающие устройства практически не действуют). Например, значению т =0,96 соответствует значение О /В =0,92 ( а - высота сегментного отверстия), т.е. при диаметре трубопровода D = І м высота сегмента не превысит 8 см. Для сравнения - нормальная диафрагма с такой же относительной площадью отверстия /п =0,96 имела бы с/ /D =0,98, т.е. при том же диаметре трубопровода внутренняя кромка диафрагмы отстояла бы от стенки всего лишь на расстоянии I см. Ясно, что в таких условиях действие нормальной диафрагмы практически равнялось бы нулю.
class4 ВЛИЯНИЕ ТВЕРДОЙ КОМПОНЕНТЫ В ПОТОКЕ НА ПОКАЗАНИЯ
СЕГМЕНТНЫХ ДИАФРАГМ class4
Обоснование функциональной связи меаду расходом взвесенесущего потока и перепадом давления на сужающем устройстве
Для определения влияния загрязненности жидкости на показания сегментных диафрагм были проведены экспериментальные исследования на циркуляционной установке с трубопроводом диаметром 105 мм на рабочем участке / 43 - 46 /. Объемный расход Qcul л ПЛОТНОСТЬ гидросмеси рсм определялись объемно-весовым способом. Относительные площади отверстия диафрагмы изменялись в пределах т = = 0,5...0,962 при плотностях смеси вплоть до 1200 кг/м3 и крупности взвешенных частиц до 2 мм. Напорная кромка диафрагмы была скруглена до радиуса Гк = 0,3 мм, что обеспечивало на длительное время эксплуатации неизменность степени притупления.
Любое сужающее устройство (в том числе и сегментная диафрагма), изменяя сечение потока, изменяет его скорость, в соответствии с чем меняется также и давление жидкости. Используя связь между изменением давления и скорости, можно найти соотношение , определяющее расход как функцию перепада давления на сужающем устройстве. Для однородных жидкостей эта связь определяется уравнением Д.Бернулли. Если жидкость неоднородная и состоит из нескольких компонент, то правомерность использования уравнения Бернулли для такой среды требует обоснования. Необходимо определить также те осредненные характеристики смеси, которые войдут в искомое соотношение.
Действительную плотность двухкомпонентной смеси раа определим как средневзвешенную по объему каждой компоненты где и pB - плотности соответственно жидкой и твердой компоненты S, - действительная объемная консистенция гидросмеси/47 /, величина безразмерная и представляющая собой отношение суммы объемов движущихся твердых частиц в объеме трубы между ее поперечными сечениями к величине этого объема.
class5 ГИДРАВДИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТОКА ПОСЛЕ
КОНФУЗОРОВ С ПОМОЩЬЮ ТРЕШНАЛЬНОГО ЗОНДА И ЛАЗЕРНОГО
ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ (ЛДИС) class5
Особенности применения оптических методов измерения скоростей напорного потока
Вследствие сложности теоретического решения задач динамики жидкости имеют большое значение экспериментальные методы измерения параметров потока. Практически во всех задачах гидродинамики скорость потока является наиболее важным параметром. Средства измерения скоростей должны быть быстродействующими и не должны вносить возмущений в поля скоростей.
Миниатюрные гидрометрические трубки с успехом применяются для измерения осредненной во времени скорости и направления потока при временном разрешении порядка 0,1 с. Однако при исследовании резко нестационарных потоков нет возможности использовать этот прибор, поскольку его частотная характеристика и пространственное разрешение слишком грубы и не позволяют зафиксировать структуру мелкомасштабных вихрей.
Широкое распространение в экспериментальной аэро- и гидродинамике получил термоанемометрический метод. В его основе лежит явление изменения температуры, а следовательно, и электрического сопротивления нагретого чувствительного элемента (датчика) вследствие конвективного охлаждения, пропорционального скорости набегающего потока. В настоящее время в термоанемометрии, основы которой заложены более полувека назад, достигнут значительный прогресс как в технологии изготовления чувствительных элементов, так и конструкциях электронных узлов, преобразующих изменения параметров чувствительного элемента в выходной сигнал термоанемометра. Несмотря на достаточно хорошее пространственное разрешение (0,5...1,0 мм), значительное быстродействие, высокую чувствительность к пульсациям скорости (до 0,01$ от среднего ее значения), термоанемометры имеют серьезные недостатки, значительно ограничивающие области их применения. К основным недостаткам можно отнести ненадежность чувствительного элемента, необходимость и трудоемкость процесса градуировки, зависимость показаний от температуры исследуемого потока, нестабильность показаний вследствие загрязнения чувствительного элемента, нелинейность характеристики преобразования, влияние стенки при исследованиях пограничных слоев, возмущение потока чувствительным элементом и т.д.
