CN104913902A - 一种小通道阻力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小通道阻力测量装置，包括空气管路系统、油管路系统和小通道实验段，空气管路系统包括依次用连接的空气压缩机、储气罐、减压阀、空气流量计、针型阀和单向阀，单向阀与掺混器的进气端连接，油管路系统包括依次用连接的油箱、第二球阀、过滤器、齿轮油泵、第四球阀、管道加热器和液体流量计，液体流量计与掺混器的进油端连接，小通道实验段包括与掺混器出口端连接的小通道实验装置、与小通道实验装置连接的分离器、与分离器连接的第一球阀和与第一球阀连接的空冷散热器，空冷散热器的端部与油箱连接。本发明适用于单相和两相试验，试验件具有可拆卸的优点，能针对不同直径、不同排列方式的小通道进行实验，更加灵活方便。

Description

一种小通道阻力测量装置

技术领域

本发明涉及流体力学领域，尤其涉及一种小通道阻力测量装置

背景技术

随着小通道在微电子机械系统、小型换热器、化学工业及其他新兴的技术领域的广泛应用，小通道内流体的流动特性成为一个重要的研究课题。小尺度条件下，流场内各种作用力的作用效果会发生相应变化，即小尺度领域中流体流动过程呈现出许多与常规尺度情况不同的现象。很多学者关于常规通道流体流动情况已经做了细致的研究，关于小通道流体流动变化的研究却相对较少，而且研究大部分集中在对小通道直管段内流体的流动特性研究。在实际情况中，除了摩擦引起的沿程阻力外，还有各种各样的局部阻力，比如管道的突缩、突扩，弯曲管段。在《化工学报》第58卷05期《小通道单相流体突缩和突扩局部阻力特性》中，作者搭建了小管道试验台，对去离子水进行试验，研究了小通道内突然扩大和突然缩小的局部阻力特性。但是该装置研究对象仅限于单相流体流动，无法研究两相流体通过小通道时阻力的变化，也不能研究温度对小通道流体阻力变化的影响。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种既能测量单相和两相流体通过的小通道阻力测量装置以实现对小通道内局部阻力的计算。

本发明的目的是这样实现的：包括空气管路系统、油管路系统和小通道实验段，空气管路系统包括依次用管路连接的空气压缩机、储气罐、减压阀、空气流量计、针型阀和单向阀，单向阀的端部通过管路与掺混器的进气端连接，且在单向阀和掺混器的进气端之间设置有第一压力测点和第一温度测点，油管路系统包括依次用管路连接的油箱、第二球阀、过滤器、齿轮油泵、第四球阀、管道加热器和液体流量计，液体流量计的端部与掺混器的进油端连接，齿轮油泵与第四球阀之间设置一旁接管道，且所述旁接管道与油箱之间设置第三球阀，且在液体流量计与掺混器的进油端之间设置有第三压力测点和第三温度测点，小通道实验段包括与掺混器出口端连接的小通道实验装置、与小通道实验装置连接的分离器、与分离器连接的第一球阀和与第一球阀连接的空冷散热器，空冷散热器的端部与油箱连接，且在掺混器的出口端与小通道实验装置之间设置有第二压力测点和第二温度测点。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述小通道实验装置包括依次密封连接的进口管箱、中间管箱和出口管箱，且进口管箱与中间管箱之间、中间管箱与出口管箱之间设置有带孔板片，所述进口管箱上设置有与掺混器的出口端连接的进口喷嘴，出口管箱上设置有与分离器连接的出口喷嘴，中间管箱中设置有小通道管道，进口管箱的箱壁上设置有进口小孔，进口小孔通过管道伸入至进口管箱内部作为第四压力测点，位于中间管箱的中心位置的小通道管道上等间距设置有六个中间小孔，六个中间小孔通过管道伸出至中间管箱外部构成第五压力测点、第六压力测点、第七压力测点、第八压力测点、第九压力测点和第十压力测点，出口管箱的箱壁上设置有出口小孔，出口小孔通过管道伸入至出口管箱内部作为第十一压力测点，第四压力测点至第十一压力测点分别通过对应的管路以及阀门与压差变送器连接。

2.所述小通道管道有n个，n个小通道管道构成小通道管束，所述小通道管束是三角形管束或正方形管束或转置正方形管束。

3.所述油管路系统的管路是不锈钢管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明由小通道管束构成，这就有效的避免了单管研究时由于流量小导致选泵难的问题。而且在实际情况中，小通道都是以管束的情况存在，比如小型换热器内部是由换热管束组成，本发明可以研究流量和温度对小通道阻力的影响，适用于单相和两相试验，而且试验件具有可拆卸的优点，能够针对对不同直径，不同排列方式的小通道进行实验，更加灵活方便。且本发明为了同时研究单相和两相流体通过小通道阻力的变化，设置了空气路、油路和气液掺混装置，通过阀门的开闭选择单相还是两相实验，更加具有灵活性和实用性；为了研究温度对流体流过小管道阻力变化的影响，本发明采取了管道加热和油箱加热两种方式，管路内设置管道加热器，管道加热器通过PID控制，保证了控制油加热后的温度准确性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的小通道阻力测量装置原理图；

图2是本发明的小通道实验装置的结构示意图；

图3是本发明的小通道实验装置段的压力测点分布示意图；

图4(A)本发明三角形管束排列方式示意图；图4(B)本发明正方向管束排列方式示意图；图4(C)本发明转置正方形管束排列方式示意图；

图5(A)是本发明的小通道管束进口流动示意图，图5(B)是本发明的小通道管束出口流动示意图；

图6是本发明的小通道局部阻力系数随雷诺数变化图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明包括空气管路系统、油管路系统和小通道实验段，空气管路系统包括依次用管路连接的空气压缩机1、储气罐2、减压阀3、空气流量计4、针型阀5和单向阀6，单向阀6的端部通过管路与掺混器9的进气端连接，且在单向阀6和掺混器9的进气端之间设置有第一压力测点7和第一温度测点8，油管路系统包括依次用管路连接的油箱16、第二球阀17、过滤器18、齿轮油泵19、第四球阀21、管道加热器22和液体流量计23，液体流量计23的端部与掺混器9的进油端连接，齿轮油泵19与第四球阀21之间设置一旁接管道，且所述旁接管道与油箱16之间设置第三球阀20，且在液体流量计23与掺混器9的进油端之间设置有第三压力测点24和第三温度测点25，所述油管路系统的管路是不锈钢管，本发明的油箱16内可以设有油箱加热器，并在油管路设有管道加热器，可以控制流体进入小通道实验装置12的入口温度；小通道实验段包括与掺混器9出口端连接的小通道实验装置12、与小通道实验装置12连接的分离器13、与分离器13连接的第一球阀14和与第一球阀14连接的空冷散热器15，空冷散热器15的端部与油箱16连接，且在掺混器9的出口端与小通道实验装置12之间设置有第二压力测点11和第二温度测点10。

结合图2和图3，所述小通道实验装置12包括依次密封连接的进口管箱26、中间管箱33和出口管箱31，且进口管箱26与中间管箱之间33、中间管箱33与出口管箱31之间设置有带孔板片28，所述进口管箱31上设置有与掺混器9的出口端连接的进口喷嘴27，出口管箱31上设置有与分离器13连接的出口喷嘴34，中间管箱33中设置有小通道管道29，进口管箱26的箱壁上设置有进口小孔，进口小孔通过管道伸入至进口管箱内部作为第四压力测点35，且本发明所述的第四压力测点35的位置靠近对应的带孔板片，位于中间管箱33的中心位置的小通道管道上等间距设置有六个中间小孔，六个中间小孔通过管道伸出至中间管箱外部构成第五压力测点36、第六压力测点37、第七压力测点38、第八压力测点39、第九压力测点40和第十压力测点41，出口管箱31的箱壁上设置有出口小孔，出口小孔通过管道伸入至出口管箱内部作为第十一压力测点42，第十一压力测点42的位置靠近对应的带孔板片，第四压力测点至第十一压力测点分别通过对应的管路以及阀门与压差变送器43连接。

结合图4(A)、图4(B)和图4(C)，所述小通道管道29有n个，n个小通道管道构成小通道管束，所述小通道管束是三角形管束或正方形管束或转置正方形管束。

这样通过本发明设置的各个压力测点和各个温度测点可以实现对小通道的阻力的测量，还可以控制是单相流体或两相流体，实现不同的计算，也实现了研究温度对流体流过小通道管道时阻力变化的影响。用来测量各个压力测点和温度测点的测量仪表与数据采集系统连接，数据采集系统包括一台数据采集仪及计算机。

也即本发明所提供的小通道阻力测量装置主要分为油管路系统、空气管路系统、小通道实验段，空气管路系统包括空气压缩机1、储气罐2、空气流量计4。空气管路系统从空气压缩机1开始连接，连接储气罐2，储气罐的另一端连接减压阀3，减压阀3的作用是控制空气在掺混前的压力，减压阀3与针型阀5之间设置空气流量计5，针型阀5另一端与单向阀6相连，单向阀6另一端连接掺混器9。在单向阀6和掺混器9之间设置有第一压力测点7和第一温度测点8，用来测量空气在混合前的温度和压力。

油管路系统包括油箱16、过滤器18、泵19、管道加热器22、液体流量计23。油管路系统采用1/2英寸的不锈钢管连接各个元件。油箱16内设有油箱加热器，采用手动控制功率的方式，油管路中还设有管道加热器，采用自动控制的方式，一起控制流体进入小通道实验装置的入口温度。油管路系统从油箱16开始连接，连接球阀17，20，球阀20作为旁通阀通过旁路直接通入油箱16，球阀17的另一端连接过滤器18，过滤器18连接齿轮油泵19，过滤器18的作用是去除油中的杂质，保护齿轮油泵19，齿轮油泵19和管道加热器22之间设置球阀21，管道加热器22另一端连接液体流量计23，液体流量计23和掺混器9之间设置第三压力测点24和第三温度测点25，掺混器9另一端(出口端)连接小通道实验装置的进口喷嘴27，掺混器9与进口喷嘴27之间设置第二压力测点11和第二温度测点10，设置的压力测点7、11、24的目的是为了确定两相混合物的气液比。小通道实验装置12的出口喷嘴34连接分离器13，分离器13的作用是把油气混合物分离，分离器13和空冷散热器15之间设置球阀14，空冷散热器15的另一端连接油箱16，这样完成了一个油管路系统。

需要说明的是，为了同时研究单相和两相流体通过小通道阻力的变化，本实验装置设置了空气路、油路和气液掺混装置，通过阀门的开闭选择单相还是两相实验，更加具有灵活性和实用性；为了研究温度对流体流过小管道阻力变化的影响，本实验装置采取了管道加热和油箱加热两种方式，管路内设置管道加热器22，管道加热器22通过PID控制，保证了控制油加热后的温度准确性和稳定性。

图2是小通道实验装置的切面图，为了达到小通道管束可更换、拆卸的目的，本发明中进口管箱26、出口管箱31和中间管箱33采用光孔紧固螺栓24连接，用密封胶垫23进行密封，进口管与小通道实验装置12采用进口喷嘴27连接，进口喷嘴27后端有外螺纹，与壳体连接，前端有内螺纹，与带有外螺纹的不锈钢管连接，出口管与小通道实验装置12采用出口喷嘴34连接，出口喷嘴34后端有外螺纹，与壳体连接，前端有内螺纹，与带有外螺纹的不锈钢管连接，这样就可以对不同管径、不同排列方式的小通道管束进行实验。图3所示为不同排列方式的小通道管束。

结合图3，本发明在进口管箱26和出口管箱31的箱壁上分别钻有1个小孔，且该小孔的轴线的位置距离板片1cm，1㎝是优选的距离，实际工作中只要保证该小孔也即对应的测点靠近带孔板片就可以，中间管箱33内的中心位置的小通道管道上等距离钻6个小孔，且小通道管道上第1个孔距离板片0.5cm，第6个孔距离板片0.5cm，其他4个孔等距离分布，构成本发明所述的第四压力测点至第十一压力测点，而用压差变送器43通过小孔测得流体通过小通道沿程阻力和局部阻力的变化。也即在进口管箱26内设置压力测点4，出口管箱34内设置压力测点11，位于中间管箱中心位置的小通道管段上设置6个压力测点，第四压力测点至第十一压力测点和压差变送器43之间均设置有阀门，通过对阀门的切换可以测量不同测压点之间的压差。

下面结合图4(A)、图4(B)和图4(C)、图5(A)和图5(B)对本发明的计算过程进行详细说明，通过调节阀门的开闭，利用压差变送器43可以测点压力测点35和压力测点36的压差ΔP₁、压力测点35和压力测点41的压差ΔP₂、压力测点35和压力测点42的压差ΔP₃。

压力测点41和压力测点42的压差

ΔP₄＝ΔP₃—ΔP₂

利用多孔介质的思想，将每根小通道管道内流体视为由小通道管束入口处固定流动截面流入，由小通道管束出口处固定流动截面流出，不同管道排列方式流动截面分割图如4(A)、图4(B)和图4(C)所示。

当小通道管束为三角形排列时，每根小通道对应流动截面为边长Pt的正六边形；当小通道管束为正方形和转置正方形排列时，每根小通道对应流动截面为边长为Pt的正方形。

常规管道局部阻力ΔP_N由下式计算

$\mathrm{\Δ}P=\mathrm{\ξ}\frac{{\mathrm{\ρv}}^2}{2}$

采用第二个公式计算得到的局部阻力与压差变送器43测得的ΔP₁差别较大，但是变化趋势相同。因此小通道局部阻力计算公式也应该具有与第一个公式相同的计算形式，不同的只能是局部损失系数ξ。本计算方法以常规管道流动面积突扩突缩水头损失计算公式为基础，以小通道内水头损失实验数据对其进行一定修正，最终给出小通道局部阻力的计算方法。

首先设定修正系数f，则当小通道流动面积突然扩大时：

ΔP_N,1＝f·(1-A₁/A₂)²·ρv²/2

当小通道管道流动面积突然减小时：

ΔP_N,2＝f·0.5·(1-A₁/A₂)·ρv²/2

流体截面突然变化时的阻力系数不仅取决于管段的几何参数，而且还取决于流动状态(Reynolds数)。通过调节齿轮油泵19改变液体流量，进而改变液体的雷诺数，本发明中的小通道局部阻力系数随Reynolds数变化如图6所示。

由图6可知：在实验范围内小通道内流体过流断面突缩的局部阻力系数随Re的增加而减小，局部阻力系数ζ随Re增加变化趋于平缓，和常规通道的情况变化趋势一致，但是远远高于流体流过常规通道时的局部阻力系数；小通道内流体过流断面突扩的局部阻力系数随Re的增加而减小，和常规通道的情况变化趋势一致，但是远远高于流体流过常规通道时的局部阻力系数。

将通过本发明设置的各个测点所测得的实验数据与所得修正因子相关联，当流动面积突然缩小时：

$\begin{array}{cc}f=\frac{2900}{\mathrm{Re}}& {\mathrm{\ΔP}}_{N,2}=\frac{2900}{\mathrm{Re}}\·0.5(1-\frac{A_1}{A_2})\end{array}\·\frac{{\mathrm{\ρv}}^2}{2}$

当流动面积突然扩大时：

$\begin{array}{cc}f=\frac{2300}{\mathrm{Re}}& {\mathrm{\ΔP}}_{N,1}=\frac{2300}{\mathrm{Re}}\·{(1-\frac{A_1}{A_2})}^2.\frac{{\mathrm{\ρv}}^2}{2}\end{array}$

用修正后的公式去计算流体局部阻力的变化，发现计算值和实验值基本吻合。本计算方法能够准确计算小通道阻力，为以后小通道的设计和选取提供技术支撑。

Claims (5)

1.一种小通道阻力测量装置，其特征在于：包括空气管路系统、油管路系统和小通道实验段，空气管路系统包括依次用管路连接的空气压缩机、储气罐、减压阀、空气流量计、针型阀和单向阀，单向阀的端部通过管路与掺混器的进气端连接，且在单向阀和掺混器的进气端之间设置有第一压力测点和第一温度测点，油管路系统包括依次用管路连接的油箱、第二球阀、过滤器、齿轮油泵、第四球阀、管道加热器和液体流量计，液体流量计的端部与掺混器的进油端连接，齿轮油泵与第四球阀之间设置一旁接管道，且所述旁接管道与油箱之间设置第三球阀，且在液体流量计与掺混器的进油端之间设置有第三压力测点和第三温度测点，小通道实验段包括与掺混器出口端连接的小通道实验装置、与小通道实验装置连接的分离器、与分离器连接的第一球阀和与第一球阀连接的空冷散热器，空冷散热器的端部与油箱连接，且在掺混器的出口端与小通道实验装置之间设置有第二压力测点和第二温度测点。

2.根据权利要求1所述的一种小通道阻力测量装置，其特征在于：所述小通道实验装置包括依次密封连接的进口管箱、中间管箱和出口管箱，且进口管箱与中间管箱之间、中间管箱与出口管箱之间设置有带孔板片，所述进口管箱上设置有与掺混器的出口端连接的进口喷嘴，出口管箱上设置有与分离器连接的出口喷嘴，中间管箱中设置有小通道管道，进口管箱的箱壁上设置有进口小孔，进口小孔通过管道伸入至进口管箱内部作为第四压力测点，位于中间管箱的中心位置的小通道管道上等间距设置有六个中间小孔，六个中间小孔通过管道伸出至中间管箱外部构成第五压力测点、第六压力测点、第七压力测点、第八压力测点、第九压力测点和第十压力测点，出口管箱的箱壁上设置有出口小孔，出口小孔通过管道伸入至出口管箱内部作为第十一压力测点，第四压力测点至第十一压力测点分别通过对应的管路以及阀门与压差变送器连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种小通道阻力测量装置，其特征在于：所述小通道管道有n个，n个小通道管道构成小通道管束，所述小通道管束是三角形管束或正方形管束或转置正方形管束。

4.根据权利要求1或2所述的一种小通道阻力测量装置，其特征在于：所述油管路系统的管路是不锈钢管。

5.根据权利要求3所述的一种小通道阻力测量装置，其特征在于：所述油管路系统的管路是不锈钢管。