王昊飛 姚 蜜
在我們的日常生活中,水表是向水務部門提供居民、企業(yè)等用戶用水量的主要依據(jù),所以,水表的工作質(zhì)量直接關(guān)系到用戶的利益和水務部門的經(jīng)濟效益。也正因為如此,水務部門和用戶都對水表運行質(zhì)量予以高度重視。而水表壓力損失則是影響水表使用質(zhì)量的關(guān)鍵,它將會對水量計量的穩(wěn)定性和精確性產(chǎn)生很大的影響,因此,對于水表壓力損失,我們應做到足夠重視。
壓力損失也就是液體在流動過程中所產(chǎn)生的能量損失,主要包括局部的壓力損失和沿程的壓力損失。水表局部的壓力損失是由內(nèi)部旋渦所導致的液體質(zhì)點與液體質(zhì)點,或者是液體質(zhì)點與固體壁面之間的碰撞以及劇烈摩擦過程中造成的壓力損失。
因為水表有著不同的種類,所以水表也有著多種多樣的結(jié)構(gòu)形式,就常見的單流束式水表、多流束式水表以及容積式水表而言,他們的組成就具有很大差異。但是就各個構(gòu)件的功能來看,不同種類水表的構(gòu)建主要都包括過濾網(wǎng)、表殼、流量調(diào)節(jié)板、計量機構(gòu)和隔板[1]。
水表之所以會產(chǎn)生壓力損失,其主要原因是當水流經(jīng)過各個構(gòu)件時,其速度和方向都會發(fā)生相應的改變,這樣就會導致流場發(fā)生畸變,進而影響到其速度分布,這樣就產(chǎn)生了壓力損失。
旋渦的產(chǎn)生主要是因為水流改變了方向,這在水表計量機構(gòu)中將會表現(xiàn)得十分明顯,且水表計量機構(gòu)自身的功能將會對旋渦產(chǎn)生情況起到?jīng)Q定性作用。也就是說,計量機構(gòu)里的葉輪會借助于旋轉(zhuǎn)水流來保障自身轉(zhuǎn)動的連續(xù)性,以此來實現(xiàn)水量計量。所以,計量機構(gòu)對水表自身的計量特性也會起到?jīng)Q定性作用。
所謂二次流動,指的是在水流分離作用下所形成的二次渦流,這種二次渦流不僅會受到水流分離限制,且可以重復循環(huán)。在水表中,導致二次渦流形成的主要構(gòu)件包括表殼和流量調(diào)節(jié)板。在水流從表殼經(jīng)過的過程中,與水流垂直的表殼截面面積會在水流的作用下出現(xiàn)突然性的增大或者縮小,而在表殼截面增大的位置或縮小的位置附近,就會有二次渦流形成。水表的流量調(diào)節(jié)板主要在計量機構(gòu)底部或上部分布,它可以起到分離水流的作用,而二次渦流也正因為分離而形成,進而讓水流的能量降低,流速減慢,以此來避免因為葉輪元件轉(zhuǎn)速太快所導致的運動元件磨損過快情況,保障水表的使用壽命[2]。
上述的這些構(gòu)件都會對流場產(chǎn)生影響,而這些影響的綜合結(jié)果就是導致速度矢量的軸向、切向以及徑向的不對稱,其主要的表現(xiàn)就是壓力損失,且對于不同結(jié)構(gòu)形式的水表而言,壓力損失各項的速度矢量也會有著不同的敏感程度,所以對流場變化所產(chǎn)生的影響也會有所差異,這就使得不同結(jié)構(gòu)形式的水表流量計量方面的可靠性、穩(wěn)定性以及重復性存在差異。
經(jīng)長時間的實踐發(fā)現(xiàn),在受到設備條件、安裝方式等各種工況條件的影響作用下,各種水表所表現(xiàn)出的計量誤差在穩(wěn)定性以及一致性方面從次到好的順序為單流束式水表、多流束式水表和活塞式水表。在流量為每小時5立方米的情況下,通過對DN20水表中各個構(gòu)件壓力損失情況所進行的實驗,具體試驗中,將水流量控制統(tǒng)一控制(每小時5立方米),然后分別將單流束式水表、多流束式水表以及活塞式水表安裝好,并通過壓力損失測量裝置對水表中各個構(gòu)件的壓力損失情況進行測量。具體的試驗結(jié)果如下表所示。
通過上表可知,在水表的各個組成構(gòu)件中,最重要的壓力損失構(gòu)件是水表的計量機構(gòu),而壓力損失產(chǎn)生的主要原因則是由旋渦所導致的流場激變。計量機構(gòu)將會對水表壓力損失產(chǎn)生很大的影響,也就是說,在水表的所有構(gòu)件中,計量機構(gòu)所導致的壓力損失占比越大,水表計量過程中所表現(xiàn)的穩(wěn)定性和重復性也就會越差[3]。
在水表的實際應用過程中,水表壓力損失和流量之間有著十分復雜的關(guān)系,在對其關(guān)系進行具體分析的過程中,我們可以用以下的二次函數(shù)加以粗略表示,其公式為:
在以上的二次函數(shù)公式中,水表壓力損失值用Λp來表示;流量用Q來表示,常數(shù)項分別是a、b、c。
在具體的測試中,分別在不同的流量條件下對單流束式水表、多流束式水表以及活塞式水表的壓力損失進行測試,經(jīng)過測試,得出了這三種水表在不同流量條件下的壓力損失情況,具體情況如下圖1所示。
通過以上的曲線圖可以看出,在流量條件相同的情況下,單流束式水表的壓力損失最大,多流束式水表的壓力損失次之,活塞式水表的壓力損失最小。之所以會出現(xiàn)這樣的情況,主要是因為在通過水表進行計量時,由于水表計量機構(gòu)不同,旋渦、二次流以及脈動流所導致的流場激變不同,流場穩(wěn)定性降低情況和水表流量計量結(jié)果所受到的影響也不同,所以其壓力損失也就會呈現(xiàn)出差異性[4]。
所以,在具體的水表使用過程中,若要提升水表計量的準確性,就應該通過科學合理的方法來降低計量機構(gòu)所造成的壓力損失,比如對葉輪進行優(yōu)化等。這樣才能保障水表的計量效果,避免計量機構(gòu)壓力損失對流量計量產(chǎn)生過大的不利影響。
表1水表中各個構(gòu)件所造成的壓力損失情況
圖1不同流量條件下三種水表壓力損失情況曲線圖
本文主要對水表壓力損失對水表計量的影響進行分析,通過分析可知,在應用水表進行水量計量的過程中,導致水表壓力損失的一個最主要構(gòu)件就是水表中的計量機構(gòu)。在整個的水表壓力損失中,計量機構(gòu)導致的壓力損失占比越大,該水表中計量機構(gòu)對流量變化所引起的壓力損失也就會越明顯,這就會使該水表在水量計量過程中的穩(wěn)定性受到不利影響。
由此可知,要想有效解決水表流量計量穩(wěn)定性和重復性方面的問題,一個最有效的方法就是對計量機構(gòu)進行優(yōu)化,使其所造成的壓力損失在整體水表壓力損失中的比例降低,這樣才可以讓由于計量機構(gòu)壓力損失過大所導致的流場激變情況得到有效改善,避免流場的無規(guī)律性和不確定性,將由于流場激變所導致的計量元件動態(tài)波動情況做到最大化降低。這樣才可以解決水表計量穩(wěn)定性和重復性方面的問題,讓水表在具體的水量計量工作中發(fā)揮出自身充分的優(yōu)勢,以此來保障用戶和水務單位雙方的經(jīng)濟效益。