[科普中國]-流阻

流阻是指在穩(wěn)定氣流狀態(tài)下，加在吸聲材料樣品兩邊的壓力差與通過樣品的氣流線速度的比值。單位是Pa·s/m。

在流體中，由泊肅葉定律，得Q=Δp/R，R即為流阻，其大小由流體的粘度、管子的長度和半徑?jīng)Q定?？梢钥闯?，該公式與電學(xué)中的歐姆定律類似。如果流過幾個“串聯(lián)”的流管，則總流阻等于各流管流阻之和：若“并聯(lián)”，則總流阻的倒數(shù)等于各分流管流阻倒數(shù)之和。

流阻測量的精度及測試方法流阻測量的精度：

流阻測量的精度一方面依賴于流阻儀本身的系統(tǒng)精度， 另一方面決定于利用標(biāo)準(zhǔn)流阻對儀器的校準(zhǔn)，對各種可能的標(biāo)準(zhǔn)流阻材料進(jìn)行了分析，最后確定使用玻璃管作標(biāo)準(zhǔn)流阻較適宜。因為玻璃管標(biāo)準(zhǔn)流阻既有足夠的精度又有容易獲得和制作。

常用的流阻測試方法：

隨著減阻技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)不同的減流阻性能測試的需要，涌現(xiàn)出不同的流阻測試方法。流阻測試裝置研制及涂層減阻性能。

應(yīng)變式天平測試法：

將試驗?zāi)Ｐ团c應(yīng)變式天平相連，模型在流體流動(水流)中受到的阻力會使與其相連的應(yīng)變式天平變形，這個變形通過電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電信號，然后通過電橋電路測量，并以電壓值的形式顯示出測量值。應(yīng)變天平的應(yīng)變值通過放大器放大，用精密數(shù)字示波器讀出，將數(shù)據(jù)采集到微型計算機(jī)上進(jìn)行處理后，將電壓值換算成阻力值，通過比較不同模型的阻力值大小來檢測模型的減阻性能。

采用了應(yīng)變式單分量阻力天平原理對四類不同的壁面(親水性光滑壁面、親水性粗糙壁面、疏水性光滑壁面和疏水性粗糙壁面)的平板模型減阻性能進(jìn)行了研究。該水洞試驗段為6.0mx0.4mx0.4m。實驗平板模型尺寸分別為950mmx392mmxsrnrn。

閥門流量流阻系數(shù)試驗裝置設(shè)計閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)值越大說明流體經(jīng)過閥門時的壓 損失越小。閥門的流阻系數(shù)可以衡量流體通過閥門后主要功率消耗。而閥門的流量系數(shù)、流阻系數(shù)取決于閥門的尺寸、形式、結(jié)構(gòu)，因此閥門流量流阻系數(shù)的試驗對閥門產(chǎn)品改進(jìn)、為流體工程系統(tǒng)降低功耗合理設(shè)計，能提供有效數(shù)據(jù)。1

裝置主要技術(shù)參數(shù)與功能根據(jù)建設(shè)方對試驗裝置的要求，設(shè)計的試驗裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

①能提供回路最高壓力：2.5MPa；②溫度：常溫（≤40℃）；③最大流量：150m3/h；④閥門最大口徑 ：100mm；⑤回路介質(zhì)：去離子水。

試驗裝置主要功能為：當(dāng)水流通過閥門達(dá)到穩(wěn)流時，測定各型閥門的流量系數(shù)與流阻系數(shù)，流量試驗和流阻試驗?zāi)軡M足 JB/T5296－1991《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法》的要求。1

主回路系統(tǒng)1）功能：

主回路系統(tǒng)為閉式循環(huán)回路，功能是為被測試閥門提供穩(wěn)定的流量。 根據(jù)現(xiàn)場條件以及建設(shè)方需求，設(shè)計的流量范圍為（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。

2）組成及特點：

①根據(jù)試驗及現(xiàn)場環(huán)境要求，需要盡可能減少泄漏，最大程度降低噪聲， 故選用 2臺型號為P4L100－65－250/37－2 的屏蔽泵。1臺屏蔽泵可提供80m3/h 的流量，出口壓力2.5MPa。 當(dāng)使用流量 （0～10）m3/h、（0～40）m3/h，只需啟動1臺屏蔽泵；當(dāng)使用流量為（80～200）m3/h，同時啟動2臺屏蔽泵。

②3 條通徑分別為 DN25，DN50，DN100 的測試管段，每個測試管段由1臺流量計、1臺電動調(diào)節(jié)閥、被測試閥門、1臺壓差計、2臺隔離閥、相應(yīng)的管路組成。

DN25、DN50、DN100 測試管段的流量范圍分別為：（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。 DN25 測試管段可用于測量 DN15、DN20、DN25 閥門 ；DN50測試管段可用于測試 DN32、DN40、DN50閥門；DN100 測試管段可用于測試 DN65、DN80、DN100閥門。

③1 條通徑為 DN100的旁通管段，用于調(diào)節(jié)閥門試驗段至額定壓力與流量。

④測量儀表（流量計、壓力表、壓差計、溫度計）。各測量儀表具有現(xiàn)場指示及控制臺集中顯示功能，能對現(xiàn)場工況實時監(jiān)控。

⑤排氣閥門及相應(yīng)管路、附件。

3）運行過程：

運行前先將主回路系統(tǒng)注滿水，然后在控制室啟動1臺或2臺屏蔽泵，通過補(bǔ)水系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、旁通閥將閥門被試驗段壓力調(diào)至公稱壓力，流量調(diào)至所需流量值，然后進(jìn)行閥門流量流阻系數(shù)試驗。1

試驗數(shù)據(jù)試驗應(yīng)按 JB/T5296－91 的規(guī)定進(jìn)行，被測試的閥門在回路充水前即安裝在試驗管段上，隨同回路一起升壓，達(dá)到試驗要求的溫度和壓力后即可進(jìn)行閥門的各項試驗。1

啟動主泵（當(dāng)需要的流量低于 80m3/h 啟動 1 臺主泵，否則同時啟動 2 臺主泵），主回路系統(tǒng)開始工作。在控制室中調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥可得到 5 個流量：測試閥門的最小流量 （Re=4×104）、25%最大流量 、50%最大流量、75%最大流量和最大流量，同時差壓計可測定對應(yīng)流量下閥門進(jìn)出口的壓差。試驗數(shù)據(jù)將自動儲存在計算機(jī)中，計算機(jī)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可得到被試驗閥門的流量系數(shù) C 和流阻系數(shù) K。

對 DN25 截止閥、DN50 截止閥 、DN100 蝶型止回閥進(jìn)行了流量流阻系數(shù)試驗，并由計算機(jī)生成試驗報告，試驗報告中的數(shù)據(jù)即為壓力損失△P 的對數(shù)與流量 Q 的關(guān)系。壓力損失△P 的對數(shù) lg△P 與流量 Q 的近似線性關(guān)系，并計算出閥門的流量系數(shù)與流阻系數(shù)。1

無閥壓電泵流阻測試裝置無閥壓電泵的泵送性能主要取決于管道系統(tǒng)中的正、反向流阻差值，因而對流阻的測試尤為重要。為此設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)自動或半自動上水功能的無閥壓電泵流阻測試裝置，該裝置測試液體的流速范圍較寬，易于分析、研究流阻作用規(guī)律； 以半球缺閥為例推導(dǎo)了阻力系數(shù)公式； 利用新、舊2種測試裝置對半球缺阻流體無閥壓電泵的流阻進(jìn)行了測試并計算了泵理論流量，與試驗流量的偏差分別為 34.38% 、117.33% 。研究表明： 無閥壓電泵流阻測試裝置極大地提高了流阻測試精度； 能夠進(jìn)行流阻測試、分析、泵理論流量計算及試驗流量的預(yù)測。2

無閥泵流阻測試原理半球缺阻流體無閥泵是一種新型的無閥泵，其形成無移動部件閥的結(jié)構(gòu)是置于泵腔中的阻流體半球缺，這里所謂的半球缺是 1 /4 球體。由于其球面和圓面具有對流體不等的阻流特性，能夠形成穩(wěn)定的流阻差，故置于泵腔中就起到了管道閥或腔底閥的作用，能夠使泵形成穩(wěn)定的輸出流量。除了通過電壓或頻率控制流量外，還可通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)半球缺相對于出入口的角度、有序增加半球缺的個數(shù)等方法提高泵的泵送性能，流量的可調(diào)可控性較好。2

因球面對流體的阻力小于圓面對流體的阻力，所以，泵在工作時，經(jīng)由左入口管流入泵腔的流體多于右出口管流入的流體； 由右出口管排出的流體多于左入口管排出的流體，故在泵的一個工作周期內(nèi)，形成了流體的單向流動。

通過分析無閥泵的流阻測試原理，推導(dǎo)出流阻系數(shù)計算公式。半球缺流阻系數(shù)計算是基于伯努利能量方程、質(zhì)量守恒方程，計算流體流經(jīng)半球缺后的水頭損失而獲得的。取入口管、出口管所在中心平面O-O 面為基準(zhǔn)面； 過流斷面Ⅰ-Ⅰ取為工作水箱給定水位自由液面處，距離基準(zhǔn)面為 H； 過流斷面Ⅱ-Ⅱ取為距出口管較近處。取過流斷面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ之間的流體區(qū)域為試驗測試段。具有一定勢能的恒定均勻水流從工作水箱出口管流入泵腔內(nèi)，流經(jīng)測試段區(qū)域，消耗掉一部分水頭能量，包括沿程水頭損失、局部水頭損失和由阻流體半球缺產(chǎn)生的水頭損失。

在泵腔內(nèi)放入半球缺后，流體分別繞流過半球缺的球面和圓面后會產(chǎn)生不同的水頭損失。若流體由入口流入、由出口流出的流動定義為正向流動，簡稱正流；流體由出口流入、由入口流出的流動定義為反向流動，簡稱反流。2

流阻測試試驗1、 流阻測試試驗比較：

為比較新、舊2種測試裝置的測試精度，現(xiàn)以半球缺阻流體無閥壓電泵為例，先后利用2種測量裝置進(jìn)行流阻測試。試驗中，分別調(diào)整新、舊2種測試裝置的水箱和儲液瓶中自由液面至泵腔中心水平面的距離H為相同高度，此處取為 300 mm，在相同的測試條件下先后利用2種測試裝置分別對半球缺阻流體無閥泵泵腔內(nèi)流阻系數(shù)進(jìn)行測試，測試的流體介質(zhì)為純凈水。試驗中需要測試的數(shù)據(jù)有： 無半球缺時流體流經(jīng)測試區(qū)域所需時間 Δt0 、加半球缺正向、反向流經(jīng)測試區(qū)域所需時間 Δtzh 、Δtf 。待測試流體的流量取 Q 為 300 mL，管道的橫截面面積 A 為3 × 10－4mm2。2

具有相同勢能的流體，流經(jīng)2種測試裝置后，流出相同體積的流體所消耗的時間不同，導(dǎo)致流體流經(jīng)半球缺后的流速不同，直接導(dǎo)致流阻系數(shù)的不同。新型流阻測試裝置，由于具有自動或半自動上水功能，能夠保證自由液面穩(wěn)定在固定高度 H 液面處，確保流速的穩(wěn)定，能夠提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；傳統(tǒng)流阻測試裝置自由液面高度 H 隨著試驗的進(jìn)行是無常的、實時變化的，使測試點速度波動較大，測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。2

2、泵流量試驗驗證：

泵理論流量與試驗流量均隨頻率增加而增加，二者變化趨勢一致； 傳統(tǒng)流阻測試裝置得到的阻力系數(shù)對應(yīng)的泵理論流量 QLJ 遠(yuǎn)大于新型流阻測試裝置對應(yīng)的理論泵流量 QLX ； 傳統(tǒng)與新型測試裝置對應(yīng)的理論與試驗流量 QS 的平均偏差分別為 117.33% 、34.38% 。分析表明，新型流阻測試裝置極大地提高了流阻測試精度，提高了泵理論流量計算精度； 可以應(yīng)用該裝置對無閥泵的流阻進(jìn)行測試、分析，并進(jìn)行泵理論流量的計算及試驗流量的預(yù)測； 同時，適當(dāng)調(diào)整載物臺高度，能夠保證測試數(shù)據(jù)點分布均勻，易于進(jìn)行流阻作用規(guī)律的分析，為無閥泵泵送性能的優(yōu)化提供有力的理論依據(jù)。2

盡管新型流阻測試裝置提高了流阻測試精度，但其對應(yīng)的理論流量與試驗流量仍然存在較大偏差。其中，對偏差影響較顯著的是泵理論流量計算公式。因流場運動的復(fù)雜性和瞬變性，難以建立工程中實用的流動方程式，對于數(shù)學(xué)上各種流動問題分析，進(jìn)行模型的移植、簡化是常用的處理方式。泵理論流量的推導(dǎo)是將瞬態(tài)流模型簡化為定常流模型而實現(xiàn)的，而試驗中的流態(tài)仍是瞬態(tài)流，瞬態(tài)流容易產(chǎn)生激波、振動、撞擊，會消耗大量的能量，這些能量不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使沿程機(jī)械能不守恒，直接導(dǎo)致試驗流量低于理論流量； 另外，氣穴、泵腔密封性、環(huán)境條件、人為因素等在一定程度上也將減小泵的試驗流量。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)