多流束水表的壓力損失分析及改善措施

李耀崗/真諾測(cè)量?jī)x表（上海）有限公司

0 引言

水表是用來(lái)監(jiān)控和節(jié)約水資源必不可少的計(jì)量器具，其安裝于輸水管道中用來(lái)計(jì)量在管道中流過的水量。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 778-2007《飲用冷水水表和熱水水表》對(duì)水表的制造技術(shù)要求、流量性能測(cè)試要求、檢驗(yàn)規(guī)范等進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

多流束水表在計(jì)量過程中，有多股水流沿著圓周方向同時(shí)沖擊計(jì)量機(jī)構(gòu)，因此產(chǎn)生的壓力損失會(huì)比較大。過大的壓力損失不僅在實(shí)際生產(chǎn)和使用中會(huì)消耗更多的能量，而且水表中的流場(chǎng)擾動(dòng)和畸變會(huì)比較顯著，這種流場(chǎng)的不穩(wěn)定性會(huì)影響到流量計(jì)量的重復(fù)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到水表計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性[1，2]。因此，降低壓力損失具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。研究表明，計(jì)量機(jī)構(gòu)及濾網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)壓力損失的影響比較大。為此，本文基于水流流經(jīng)濾網(wǎng)和計(jì)量機(jī)構(gòu)時(shí)壓力損失的產(chǎn)生原因和影響因素，通過分析壓力損失與流速及流量的關(guān)系，提出降低壓力損失（以下簡(jiǎn)稱壓損）的措施。

1 壓損產(chǎn)生的原因及影響因素分析

液體流動(dòng)中的壓損，主要有沿程壓損和局部壓損。液體流經(jīng)如閥口、彎管、通流截面變化等局部阻力引起的壓損，稱之為局部壓損。水表壓損作為局部壓損主要指水流流經(jīng)水表時(shí)，受到水表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響和約束，水流方向和速度會(huì)發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生流動(dòng)分離、漩渦、二次流等現(xiàn)象，同時(shí)流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間、質(zhì)點(diǎn)與固體壁面間因相互碰撞和劇烈摩擦而消耗能量[3]。通過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，濾網(wǎng)和計(jì)量機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生壓損比較顯著的構(gòu)件。

1.1 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)壓損的影響分析

為避免雜質(zhì)、廢屑、較大顆粒物等進(jìn)入水表從而影響計(jì)量準(zhǔn)確性，濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)上均設(shè)計(jì)有一定數(shù)量及通水面積的孔隙。因?yàn)V網(wǎng)結(jié)構(gòu)和尺寸的差異，孔隙的幾何結(jié)構(gòu)及通水面積是不同的?？紫睹娣e與濾網(wǎng)表面積的比值稱之為孔隙率。孔隙率也是水流通過的面積與總表面積之比。實(shí)驗(yàn)表明，孔隙率與壓損之間是存在一定相關(guān)關(guān)系的[4]，當(dāng)孔隙率大于某一闕值時(shí)，通過濾網(wǎng)的壓損與孔隙率之間表現(xiàn)為單調(diào)減函數(shù)，壓損變化比較平緩；當(dāng)孔隙率小于某一闕值時(shí)，通過濾網(wǎng)的壓損與孔隙率呈現(xiàn)二次函數(shù)的遞減關(guān)系，壓損變化比較陡峭。因此，改變孔隙率在一定程度上可以達(dá)到改變壓損的作用。

從微觀層面分析，當(dāng)水流通過濾網(wǎng)時(shí)，邊界的突然改變會(huì)產(chǎn)生局部阻礙，繞過孔隙邊界時(shí)會(huì)引起水流內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間強(qiáng)烈的混摻、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水流方向和速度會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，因黏滯作用水流產(chǎn)生較大的流速梯度和對(duì)邊界的剪切力，而壁面剪切力做功又消耗了過網(wǎng)水流的一部分能量，就產(chǎn)生了壓損[5-6]。

1.2 計(jì)量機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對(duì)壓損的影響分析

計(jì)量機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)件有葉輪盒、葉輪、上調(diào)整盤，如圖1所示。三個(gè)部件組成的腔體空間是水流流經(jīng)水表時(shí)流體運(yùn)動(dòng)的重要區(qū)域，水流沿葉輪盒圓周的十多個(gè)進(jìn)水口流入，沖擊并推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，腔體中的水流在葉輪葉片的推動(dòng)下再沿著分布在葉輪盒上部圓周的出水口流出，在各構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)的約束和影響下，腔體中的水流在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)消耗比較多的能量。

圖1 水表計(jì)量機(jī)構(gòu)

計(jì)量機(jī)構(gòu)中壓損的產(chǎn)生，主要是兩個(gè)方面的因素造成的。

1）漩渦的阻尼作用 水流推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中也會(huì)推動(dòng)葉片區(qū)域的水流發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而改變水流的方向，在圓柱腔體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生圍繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的漩渦。漩渦會(huì)造成葉輪盒進(jìn)出水口的水流方向及速度大小發(fā)生急劇變化，也會(huì)改變腔體壁面邊界層區(qū)域的水流方向及速度大小。因水流方向及速度大小的不一致，流體質(zhì)點(diǎn)間就形成越來(lái)越強(qiáng)烈的交叉、混摻、相對(duì)運(yùn)動(dòng)及相互剪切現(xiàn)象，引起阻尼作用[7]。

2）流動(dòng)分離 腔體中的葉輪在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，一方面葉片推動(dòng)中間區(qū)域的流體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面腔體底部和頂部區(qū)域的流體由于靠近腔體上下壁面，在構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)的影響作用下做湍流運(yùn)動(dòng)。在腔體不同區(qū)域的交界面及其附近，各質(zhì)點(diǎn)的水流方向和速度大小不一致，且各質(zhì)點(diǎn)間相互摩擦碰撞。而在遠(yuǎn)離中間區(qū)域和交界面的區(qū)域，水流方向和速度大小卻不受影響，因此產(chǎn)生了流動(dòng)分離。因流動(dòng)分離的出現(xiàn)，會(huì)形成對(duì)水流起到阻礙作用的、重復(fù)循環(huán)的二次流和脈動(dòng)流，從而需要消耗更多的能量[7]。

綜上分析，濾網(wǎng)和計(jì)量機(jī)構(gòu)是壓損產(chǎn)生的主要來(lái)源，其幾何結(jié)構(gòu)影響以及內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜的形態(tài)變化是壓損產(chǎn)生的重要原因。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在小于等于常用流量的流量區(qū)域內(nèi)水表壓損不能超過63 kPa[8]。因此，降低壓損需要了解壓損與流速、流量之間的關(guān)系，從而有效從幾何結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在兼顧流量性能精度的前提下達(dá)到降低壓損的目的。

2 壓損與流速、流量之間的關(guān)系

在定常流動(dòng)情況下，對(duì)于任一流束，單位時(shí)間內(nèi)流過任一截面的流體質(zhì)量都相等，假設(shè)斷面平均流速為v，密度為ρ，流束的截面積為A，則

在水流運(yùn)動(dòng)中，密度 是不變的，因此

從式（2）可知，流速與截面積成反比關(guān)系，截面積較大的地方流速小，截面積較小的地方流速大。單位時(shí)間內(nèi)通過的流體體積用流量Q來(lái)表示，則

因此，在流量恒定的情況下，流速會(huì)隨著截面積的增大逐漸減小。

假設(shè)流經(jīng)水表的壓損為Δp，p為壓強(qiáng)，r為重度，Z為位置高度，則可以運(yùn)用伯努力方程得到壓損[4]，

式中：v1，v2——水流流經(jīng)水表入口和出口的截面流速

將式（4）進(jìn)行簡(jiǎn)化，并引用一個(gè)壓損系數(shù) ，便得到：

壓損系數(shù)ξ與幾何結(jié)構(gòu)、物理特性以及水流強(qiáng)度等因素有關(guān)，壓損Δp是流速的二次方函數(shù)，與流速的平方成正比，隨著流速的增大，壓損逐漸增大，且增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大。

若將式（3）中的流速v代入式（5），得到壓損與流量的關(guān)系式。

那么，在截面積不變的條件下，壓損與流量的平方成正比例，隨著流量的增大，壓損逐漸增大，且增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大。此外，在流量Q恒定的情況下，壓損與截面積A成反比，截面積越大，壓損越小。

實(shí)際樣表在不同流量點(diǎn)下的壓損如圖3所示，可以看出在小流量區(qū)域壓損的增長(zhǎng)幅度不大，在大流量區(qū)域壓損的增長(zhǎng)幅度較為明顯，壓損與流量之間呈現(xiàn)近似于拋物線的遞增曲線。

圖3 壓損與流量的變化曲線圖

3 壓損的改善措施

通過前面分析，產(chǎn)生壓損最主要的構(gòu)件是濾網(wǎng)和計(jì)量機(jī)構(gòu)，而構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)不僅對(duì)流體的流場(chǎng)帶來(lái)影響，還會(huì)改變水流方向和速度大小。因此，降低壓損，一方面可以通過改變構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)盡量減小流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響，以及流場(chǎng)畸變?nèi)玟鰷u、流動(dòng)分離等對(duì)能量的耗損；另一方面，從式（6）可知，在流量恒定的情況下，壓損與截面積A成反比，截面積越大，壓損越小。因此，可以調(diào)整構(gòu)件局部結(jié)構(gòu)的水流截面積來(lái)改變流速，進(jìn)而改善壓損。

1）從幾何結(jié)構(gòu)的角度考慮，由于計(jì)量機(jī)構(gòu)的葉輪盒和上調(diào)整盤均設(shè)計(jì)有數(shù)排流量調(diào)節(jié)筋，對(duì)水流起到阻尼和調(diào)節(jié)的作用，因此可以考慮改變流量調(diào)節(jié)筋的幾何結(jié)構(gòu)，如常用的平頂矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改為梯形結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、圓頂矩形結(jié)構(gòu)及三角形結(jié)構(gòu)等[9-10]，并在尖端緣處增大倒角或圓角，盡量降低及削弱流場(chǎng)畸變帶來(lái)的影響，降低對(duì)水流能量的耗損。另外，通過調(diào)整濾網(wǎng)中通水孔的結(jié)構(gòu)形狀，也可以起到改善流場(chǎng)擾動(dòng)，降低壓損的作用。

2）從壓損與截面積的反比關(guān)系來(lái)看，增大截面積，可以降低壓損。那么可以通過增加水流通過構(gòu)件的截面積來(lái)降低壓損。如計(jì)量機(jī)構(gòu)中的葉輪盒，設(shè)計(jì)有數(shù)十個(gè)允許水流通過的進(jìn)水口和出水口，通過增大進(jìn)水口或出水口的截面積，可以降低壓損。濾網(wǎng)中設(shè)計(jì)有大量的通水孔，通過調(diào)節(jié)通水孔的截面積可以達(dá)到改善壓損的效果。

3）從孔隙率的角度考慮，通過調(diào)節(jié)濾網(wǎng)的孔隙率，即增加通水孔的表面積及數(shù)量，可以起到降低壓損的作用。表1給出了對(duì)多流束水表DN32壓損進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，孔面積改變前后分別為2015.07 mm2、2236.83 mm2，孔隙率從10.70%增大為12.60%。由表中結(jié)果可知，孔隙率增加約2%，孔面積增加約200 mm2，各個(gè)流量點(diǎn)下的壓損降比超過10%。尤其在大流量區(qū)域，壓損的降低幅度比較大。DN32水表的常用流量Q3=10 000 L/h，壓損從68 kPa減小到59 kPa，符合水表標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不超過63 kPa的壓損指標(biāo)。

表1 多流束水表DN32壓損進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)水流流經(jīng)水表時(shí)產(chǎn)生的壓損進(jìn)行原因及影響因素分析，指出了改善壓損的重要性和必要性。通過伯努力方程推導(dǎo)出的壓損與流速、流量及截面積的關(guān)系式，提出了減小壓損的幾個(gè)主要措施。一方面，可以從幾何結(jié)構(gòu)的角度來(lái)考慮改進(jìn)，如通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)筋的幾何結(jié)構(gòu)形狀，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)流場(chǎng)畸變對(duì)水流運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響；另一方面，根據(jù)壓損與截面積的反比關(guān)系，可以通過改變截面積來(lái)調(diào)節(jié)壓損，如增大進(jìn)水口或出水口的截面積，增大濾網(wǎng)通水孔的截面積，可以達(dá)到降低壓損的目的。此外，還可以通過調(diào)節(jié)濾網(wǎng)的孔隙率來(lái)達(dá)到減小壓損的效果。