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弯管流量计


陈祖祥 执笔
1981年9月

摘要

利用工艺管道上的直角弯头测量流量,<以下简称为弯管流量计>具有简单、可靠、没有附加压力损失等优点。特别是在大口径、大流量的情况下,远比标准孔板、喷咀、文丘利管等成本低廉、加工容易、安装方便。
采用直角弯头测量液体,气流流量,在国外已广泛地应用于工业部门。尤其是压水堆的核电站,几乎大多数都采用弯管流量计,但国内对它的研究甚少。为了使我国在流量测量方法上多样化,本文就它的工作原理、结构特点、安装要求、实验结果以及存在问题予以讨论。

一、 工作原理

流动的液体在弯管的任意一个断面上各点的动量矩大体上是相同的,弯管流量计就是利用这个原理测流量的[1]。当流体流过弯头时,流体产生离心力、使弯管同一直径的内外两侧产生压差,该压差与流量有关。由伯努利方程可知。<图1>;
              (1)
式中V1--表示在弯管内侧面的流速。
V2--表示在弯管外侧面的流速。
h1--表示在弯管内侧的压头<水柱>。
h2--表示在弯管外侧面的压头<水柱>。
g--表示重力加速度。

 
 
 
图1 弯管流量计员原理图
 
图1、根据动量矩守恒原理,弯管任一断面上各点动量矩相等。
 即:  V2(R+r)=V1(R-r)=m
式中的R为弯管的曲率半径。
r为弯管的内半径。
由(1)和(2)式得弯头的内外两点A1、A2处的压差;
      (3)
按(3)                                        (4)

图2 弯管截面流态原理图
假设管子是圆形断面如图2所示,当垂直于O`B的弦AC各点流速均与B流速相等时,通过微小面积部分
y·dθ·dy的微小流量为:
(5)

式中y为截面上的任一点到截面中心的距离
dθ为截面圆周角的微小增量
m为动量矩(速度×曲率半径)
R+ycosθ为点B相对于O`的曲率半径。
圆管内的全流量(体积流量)为:
  (6)
将(4)式代入(6)式得:
(7)   
令 x=R/r,则

                (8)
公式(8)中的项是由结构决定的,它是一个常数,本文称它为"弯管常数"用BX表示若h用来△P/ρ来代替,其中△p为差压 ρ为密度,那么
                         (9)
考虑到管路内实际流动状况,要乘上一个系数α(α<1)即:
                             (10)
另外,由于温度的变化管道发生面积变化和压力脉冲管液柱的影响引进两个修正系数Fa,Fm,并把αBX用S来表示,r用D/2表示。则,
                              (11)
由此得重量流量:
                         (12)
式中N是一个换算量(定值)。

二、 结构型式

目前国外已经推广使用的弯管流量计有以下两种,[图3(a)(b)];

 45º方向取压弯管流量计

 22.5º方向取压弯管流量计

图3 弯管流量计取压型式


一种是上游方向取压的弯管流量计,另一种是45o方向取压的弯管流量计。取压比45o取压所得到压差值更稳定、更可靠。这主要原因是流体超过上游以后流线脱离了管壁而造成45o取压的不稳定(图4)。但45o取压弯管流量计的优点是可以测两个方向的流量。

 

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