□梁柱志

在保定市南水北調中線配套工程中，輸水方式主要為地埋管道輸水，在首端、末端及分水口處設有流量計量裝置，根據安裝和檢修等多方面因素的考慮，管徑在0.9m及以上的多采用超聲波流量計。為了更好地使用設備，分析設備使用中出現(xiàn)的各種狀況，熟悉了解管道輸水過程中水流形態(tài)和設備工作原理，對管道輸水安全運行十分重要。

1.管道輸水水流形態(tài)

1.1 水流形態(tài)分類

管道內的水流分為層流和紊流兩種形態(tài)，判斷管內水流形態(tài)的依據為雷諾數Re：

式中：

υ—管道內水流平均速度；

d—管道內徑；

ν—水的黏滯系數。

當Re＜2000時，水流形態(tài)為層流。Re＞2000時，水流形態(tài)為紊流。

經查閱南水北調中線配套工程基礎運行資料得到供水壓力約為0.1Mpa～0.35Mpa，溫度約為10℃～35℃。根據工程流體力學相關知識，流體壓力對黏滯系數的影響極小，一般不考慮；溫度對黏滯系數的影響比較顯著。不同溫度下動力黏滯系數值見表1。

表1 不同溫度下水的黏滯系數

因水的黏滯系數隨溫度升高而降低，雷諾數計算中流速與黏滯系數成反比，為計算輸水管道層流狀態(tài)下的最大流速，則需取溫度較高狀態(tài)下的黏滯系數最低值，即ν=0.658。

2017年1月—2018年6月門診收治的68例腦梗塞患者，患者均符合1995年全國第四屆腦血管病學術會議對于腦梗塞疾病診斷標準，經過頭顱CT確診。按照收治時間將以上患者分為觀察組及對照組，每組34例。觀察組男性患者20例，女性患者14例年齡32～70歲，平均（52.3±8.0）歲，對照組男性患者18例，女性患者16例，年齡35～75歲，平均（55.3±7.5）歲，分析兩組患者一般資料差異不顯著。本次臨床用藥患者均知情同意，治療方案經過我院院辦認可。

1.2 典型管道輸水水流形態(tài)

經篩選保定市南水北調配套工程輸水管道，確定了安裝超聲波流量計的各尺寸管徑中流量較大5條管道為典型輸水管道來分析，其雷諾數Re'計算見表2。

根據表2可知，5條典型輸水管道雷諾數Re'遠遠小于2000，水流形態(tài)是較為穩(wěn)定的層流。

表2 5條典型輸水管道水流形態(tài)分析表

1.3 典型層流流速計算

根據雷諾數值分析，5條典型輸水管道在設計工況范圍內，過水斷面的流速分布為較為典型的層流運動分布—拋物線型，其斷面流速可根據典型層流運動分布流速公式計算。拋物線型層流流速分布示意圖見圖1。

圖1 拋物線型層流流速分布示意圖

各層點流速為：

過水斷面的平均流速為：

式中：

U—各層點流速；

umax—斷面最大點流速；

J—水力坡度；

μ—水的動力黏滯系數；

γ—管道半徑。

2.超聲波流量計基本情況

2.1 類型特點

根據測量方法不同，當前流量計類型大致可分為：差壓式流量計、速度式流量計、容積式流量計、質量式流量計。其中速度式流量計主要有：渦輪流量計、渦街流量計、旋進旋渦流量計以及時差式超聲波流量計。

時差式超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關、精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認為是較好的大管徑流量測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應用。

2.2 型號樣式

根據管道管徑大小不同，時差式超聲波流量計換能器安裝方式有V形、Z形、W形3種形式，通常情況下選用V形標準安裝方式；管徑大于400mm時，采用Z形；小管徑采用W形。不同工況下選用不同的安裝方式，可保證換能器超聲波信號強度高，測量穩(wěn)定性好。

5條典型輸水管道選用時差式插入式超聲波流量計，傳感器為rittmeyer品牌，1MHZ頻率，Z法安裝，采用4聲道平行交叉相結合的布置方式安裝，安裝布置示意圖見圖2。

圖2 4聲道傳感器Z法安裝布置示意圖

插入式超聲波流量計具有非常簡單的安裝方式，可以實現(xiàn)帶壓安裝與拆卸，過程無需停水、排水。采用4聲道的測量，能有效地減小不穩(wěn)定發(fā)展流場對測量結果的影響，并能在一個聲道出現(xiàn)故障時繼續(xù)使用其他正常聲道進行有效測量，由此提高儀器的準確度及可靠性。

2.3 工作原理

超聲波流量計每聲道傳感器有2只，在工作時，2支傳感器互相發(fā)射、接收超聲波信號。通過數字處理技術以及時差探測法，測量出傳感器所在斷面流體流速對超聲波信號傳輸時間產生的影響，如圖3所示。

圖3 斷面1四支傳感器工作原理

我們將上游傳感器探頭A發(fā)射的超聲波信號被下游傳感器探頭B接收的時間記為t1，將下游傳感器探頭B發(fā)射的超聲波信號被上游傳感器探頭A接收的時間記為t2。當管線介質靜止時，t2-t1=0。當管線介質流動時，流體流速對超聲波信號的傳輸產生影響，導致上游到下游的超聲波信號傳輸速度加快，下游到上游的超聲波信號傳輸速度減慢，即t2-t1=Δt。通過兩個信號之間的時間差計算得到傳感器之間的水流平均速度v1聲道。

2.4 數據處理

根據二維斷面流態(tài)分析和測量，直接計算得出的傳感器間水流平均速度v1聲道、v2聲道，結合立體管道流態(tài)分析，得出該斷面的流速v12；同理可通過v3聲道、v4聲道計算得斷面2的流速v34。通過較為復雜的數學模型分析和推導計算得管道橫截面的平均流速v，再乘以管線橫截面積S，即計算得出流體的體積流量V。即：

經查閱大量文獻、咨詢專業(yè)廠家得知，管道流態(tài)的數學模型及其相關公式推導運算，均屬商業(yè)機密內容，不同品牌流量計的精度差異大多也是因建模和系數之間的不同而引起，現(xiàn)不作過多闡述。