一种管道流场旋流强度测量装置及其测量方法

摘要

一种管道流场旋流强度测量装置，包括测量座和测速仪，测量座外型为圆筒体结构，测量座的中心线沿左右水平设置，测量座的左端通过左连接螺母连接有左管道接头，测量座的右端通过右连接螺母连接有右管道接头，测量座外壁沿径向方向开设有通透的插孔，测量座的外壁固定设有具有中心通孔的圆柱凸台，中心通孔的中心线与插孔的中心线重合，测速仪由外向内依次穿过中心通孔和插孔并伸入到测量座内，测速仪外表面沿平行于中心通孔的中心线方向设有径向刻度条；本发明结构简单、操作方便、能够通过测量手段计算管道内旋流强度。

说明书

技术领域

本发明属于流体强度测试技术领域，具体涉及一种管道流场旋流强度测量装置及其测量方法。

背景技术

旋流是一种广泛存在的流动现象，旋流具有与轴向速度量级相当甚至更高数值的切向速度流场。旋流的产生使流场由单纯的轴向流动改为轴向流动和切向流动共同存在，在流场中形成漩涡，工业上经常利用旋流的扰动作用实现物料充分混合或者物料长距离输送，在流体输送、射流技术、燃烧技术、旋风分离及涡管排沙等领域都有应用。

旋流强度是表征旋流强弱程度的无因次数，对旋流的速度分布、卷吸量、扩散角、速度衰减都具有较大影响，旋流强度被定义为切向动量矩和轴向动量矩的比值，采用积分形式得到，通常只能通过理论计算和数值模拟来确定。在实际应用中，尚未实现通过测量手段确定实际旋流强度，因此理论计算和数值模拟的结论难以得到验证，限制了工业中对旋流的控制和利用，也制约了对旋流强度的深入研究。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、能够通过测量手段计算管道内旋流强度的管道流场旋流强度测量装置及其测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种管道流场旋流强度测量装置，包括测量座和测速仪，测量座外型为圆筒体结构，测量座的中心线沿左右水平设置，测量座的左端通过左连接螺母连接有左管道接头，测量座的右端通过右连接螺母连接有右管道接头，测量座外壁沿径向方向开设有通透的插孔，测量座的外壁固定设有具有中心通孔的圆柱凸台，中心通孔的中心线与插孔的中心线重合，测速仪由外向内依次穿过中心通孔和插孔并伸入到测量座内，测速仪外表面沿沿平行于中心通孔的中心线方向设有径向刻度条，测速仪外套设有位于圆柱凸台外端面的夹紧爪，夹紧爪与测速仪之间设有密封圈，圆柱凸台外部螺纹连接有用于固定夹紧爪的固定螺母，固定螺母的外端面上设有四条刻度槽，四条刻度槽沿固定螺母的圆周方向均匀布置，其中一条刻度槽的长度方向沿测量座的轴向方向设置；

测量座的左侧部固定有指针，左管道接头上沿其圆周方向设有一圈周向刻度条，指针的左端指向周向刻度条。

固定螺母内壁和夹紧爪的外壁配合面为圆锥形结构，夹紧爪沿平行于中心通孔的中心线方向开设有若干紧缩槽孔，紧缩槽孔沿夹紧爪的圆周方向均匀布置。

一种管道流场旋流强度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

（1）安装测量装置：将本装置的左管道接头与待测管道的右侧连接，本装置的右管道接头与待测管道的左侧连接，其中测量座的内径与待测管道的内径相同；

（2）安装测速仪：将测速仪依次插入中心通孔和插孔并伸入到测量座内，旋紧固定螺母使夹紧爪的紧缩槽孔宽度缩小，从而夹紧测速仪，此时刻度槽的其中一条线沿测量座的轴向方向设置；

（3）离散化处理旋流强度公式：按照旋流强度的定义，旋流强度的数值由式，其中R为待测管道的半径，r为待测点距离待测管道中心线的距离，为待测点的轴向速度，为待测点的切向速度；通过积分确定，将式进行离散化处理，得到可以由多个离散点的轴向速度和切向速度计算得到旋流强度的式

，其中径向刻度条的刻度线为N等份，周向刻度条的刻度线为2M等份；

（4）测量并记录多个离散点的轴向速度和切向速度；径向刻度条的刻度线为1,2，3，……，N，总共为N等份，周向刻度条的刻度线为1,2，3，……，2M，总共2M等份，当指针指向周向刻度条的刻度线m，该m=1时，调整测速仪使测速仪上的径向刻度条的刻度线n，该n=1，然后读取并记录此时待测点（m=1，n=1）的轴向速度，之后将测速仪绕其中心线旋转90°，得到此时待测点（m=1，n=1）的切向速度，并把该切向速度记录下来，再次将测速仪旋转90°；接着调整测速仪使测速仪上的径向刻度条的刻度线n=2，然后读取并记录此时待测点（m=1，n=2）的轴向速度，之后将测速仪绕其中心线旋转90°，得到此时待测点（m=1，n=2）的切向速度，并把该切向速度记录下来，再次将测速仪旋转90°；

重复上述操作，得到待测点（m=1，n=3），（m=1，n=4），……，（m=1，n=N）的轴向速度和切向速度，并记录下来；

接着旋转测量座，使指针指向周向刻度条的刻度线m=2，接着重复上述操作，得到待测点（m=2，n=1），（m=2，n=2），（m=2，n=3），……，（m=2，n=N）的轴向速度和切向速度，并记录下来；

重复上述操作，依次得到待测点（m，n）的轴向速度和切向速度；

（5）将所有测量记录下来的待测点（m，n）的轴向速度和切向速度带入式，得到待测管道的旋流强度。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本装置将旋流强度的计算公式进行离散化处理，通过测量待测管道截面圆内多个待测点的轴向速度和切向速度，计算得到各待测点的切向动量矩和轴向动量矩，再进行求和计算，最终得到管道内的旋流强度；其中固定螺母内壁和夹紧爪的外壁配合面为圆锥形结构，夹紧爪沿平行于中心通孔的中心线方向开设有若干紧缩槽孔，此特殊设计使固定螺母夹紧测速仪；本测量方法测量方便，适合在工业应用中推广和使用。

其中旋流强度测量装置采用螺纹与管道进行连接，安装、拆卸方便，可以在管道中任意接头位置安装，测量位置灵活。测量座可以通过旋转实现对不同角度半径方向的速度测量，测速仪可以通过径向伸缩实现对不同半径上待测点的速度测量，二者结合，可以实现对整个截面圆内任意点的速度测量，具有结构简单、携带方便、测量范围大等优点，与旋流强度离散化计算公式相结合，可以较准确的确定管道流场的旋流强度，能够对工业应用和理论研究提供依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中A处的放大图；

图4是图2中B处的放大图；

图5是待测点的位置示意图。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明的一种管道流场旋流强度测量装置，包括测量座1和测速仪2，测速仪2为流速传感器，为现有常用的测速仪器，测量座1外型为圆筒体结构，测量座1的中心线沿左右水平设置，测量座1的左端通过左连接螺母3连接有左管道接头4，测量座1的右端通过右连接螺母5连接有右管道接头6，测量座1外壁沿径向方向开设有通透的插孔7，测量座1的外壁固定设有具有中心通孔10的圆柱凸台8，圆柱凸台8与测量座1一体制成，中心通孔10的中心线与插孔7的中心线重合，测速仪2由外向内依次穿过中心通孔10和插孔7并伸入到测量座1内，测速仪2外表面沿平行于中心通孔的中心线方向设有径向刻度条9，测速仪2外套设有位于圆柱凸台8外端面的夹紧爪11，夹紧爪11与测速仪2之间设有密封圈12，圆柱凸台8外部螺纹连接有用于固定夹紧爪11的固定螺母13，固定螺母13的外端面上设有设有四条刻度槽14，四条刻度槽14沿固定螺母13的圆周方向均匀布置，其中一条刻度槽14的长度方向沿测量座1的轴向方向设置。

测量座1的左侧部通过螺钉17固定有指针15，左管道接头4上沿其圆周方向设有一圈周向刻度条16，指针15的左端指向周向刻度条16。

固定螺母13内壁和夹紧爪11的外壁配合面为圆锥形结构，夹紧爪11沿平行于中心通孔的中心线方向开设有若干紧缩槽孔，紧缩槽孔沿夹紧爪11的圆周方向均匀布置。

采用管道流场强度测量装置进行管道流场旋流强度的测量方法，包括以下步骤：

（1）安装测量装置：将本装置的左管道接头4与待测管道的右侧连接，本装置的右管道接头6与待测管道的左侧连接，其中测量座1的内径与待测管道的内径相同；

（2）安装测速仪2：将测速仪2依次插入中心通孔10和插孔7并伸入到测量座1内，旋紧固定螺母13使夹紧爪11的紧缩槽孔宽度缩小，从而夹紧测速仪2，此时刻度槽14的其中一条线沿测量座1的轴向方向设置；

（3）离散化处理旋流强度公式：按照旋流强度的定义，旋流强度的数值由式，其中R为待测管道的半径，r为待测点距离待测管道中心线的距离，为待测点的轴向速度，为待测点的切向速度；通过积分确定，将式进行离散化处理，得到可以由多个离散点的轴向速度和切向速度计算得到旋流强度的式

，其中径向刻度条9的刻度线为N等份，周向刻度条16的刻度线为2M等份；

（4）测量并记录多个离散点的轴向速度和切向速度；径向刻度条9的刻度线为1,2，3，……，N，总共为N等份，周向刻度条16的刻度线为1,2，3，……，2M，总共2M等份，当指针15指向周向刻度条16的刻度线m，该m=1时，调整测速仪2使测速仪2上的径向刻度条9的刻度线n，该n=1，然后读取并记录此时待测点（m=1，n=1）的轴向速度，之后将测速仪2绕其中心线旋转90°，得到此时待测点（m=1，n=1）的切向速度，并把该切向速度记录下来，再次将测速仪2旋转90°；接着调整测速仪2使测速仪2上的径向刻度条9的刻度线n=2，然后读取并记录此时待测点（m=1，n=2）的轴向速度，之后将测速仪2绕其中心线旋转90°，得到此时待测点（m=1，n=2）的切向速度，并把该切向速度记录下来，再次将测速仪2旋转90°；

重复上述操作，得到待测点（m=1，n=3），（m=1，n=4），……，（m=1，n=N）的轴向速度和切向速度，并记录下来；

接着旋转测量座1，使指针15指向周向刻度条16的刻度线m=2，接着重复上述操作，得到待测点（m=2，n=1），（m=2，n=2），（m=2，n=3），……，（m=2，n=N）的轴向速度和切向速度，并记录下来；

重复上述操作，依次得到待测点（m，n）的轴向速度和切向速度；

（5）将所有测量记录下来的待测点（m，n）的轴向速度和切向速度带入式，得到待测管道的旋流强度。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。