RU2314496C1

RU2314496C1 - Method and device for of measuring flow rate of fluid

Info

Publication number: RU2314496C1
Application number: RU2006132694/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Альфредович Кузма-Кичта (RU); Юрий Альфредович Кузма-Кичта; Олег Сергеевич Степанов (RU); Олег Сергеевич Степанов; Геннадий Ираклиевич Кикнадзе (RU); Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе (RU); Иван Александрович Гачечиладзе; Михаил Александрович Данилов (RU); Михаил Александрович Данилов; Александр Сергеевич Анчишкин (RU); Александр Сергеевич Анчишкин
Original assignee: Юрий Альфредович Кузма-Кичта; Олег Сергеевич Степанов; Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе; Михаил Александрович Данилов; Александр Сергеевич Анчишкин
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-01-10

Abstract

FIELD: instrument industry.

SUBSTANCE: device comprises measuring section provided with inlet and outlet branch pipes. At least one hollow is made in the section surface between the branch pipes. The hollow has curved surface shaped into a chute. The surface of the hollow has two sections whose curvature signs are opposite. The method comprises measuring pressure drop between a point on the smooth surface and a point on the concave surface and determining the flow rate using calibration.

EFFECT: enhanced precision.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам измерения скорости и расхода сплошной среды, и может быть использовано, например, для измерения расхода жидких и газообразных сред в магистралях.The invention relates to the field of instrumentation, and in particular to instruments for measuring the speed and flow rate of a continuous medium, and can be used, for example, to measure the flow rate of liquid and gaseous media in highways.

Известен способ измерения расхода среды путем измерения перепада давления на диафрагме (Измерение расхода методом переменного перепада давления. Правила 28-64. М.: Стандартиздат, 1964).A known method of measuring the flow rate of the medium by measuring the differential pressure across the diaphragm (Measurement of flow by the method of variable differential pressure. Rules 28-64. M: Standardizdat, 1964).

Известно устройство для измерения расхода, содержащее измерительную секцию с размещенной в ней диафрагмой (Измерение расхода методом переменного перепада давления. Правила 28-64. М.: Стандартиздат, 1964).A device for measuring flow, containing a measuring section with a diaphragm located in it (Flow measurement by the method of variable differential pressure. Rules 28-64. M: Standardizdat, 1964).

Недостатком известного способа является увеличение сопротивления движению жидкости вследствие уменьшения проходного сечения магистрали за счет установки диафрагмы.The disadvantage of this method is the increase in resistance to movement of the liquid due to the reduction of the flow area of the line due to the installation of the diaphragm.

Техническими результатами предложенного способа являются увеличение точности измерения и дополнительные возможности использования данного изобретения не только для жидкостей, но и для газов.The technical results of the proposed method are to increase the measurement accuracy and additional possibilities of using the present invention not only for liquids, but also for gases.

Недостатками известного устройства являются увеличение сопротивления движению жидкости, вследствие уменьшения проходного сечения, небольшой сигнал при измерении перепада давления на диафрагме.The disadvantages of the known device are the increase in resistance to movement of the liquid, due to the reduction of the flow area, a small signal when measuring the pressure drop across the diaphragm.

Техническими результатами предложенного устройства являются простота изготовления и эксплуатации изобретения, увеличение точности измерения, устранение участка уменьшения проходного сечения, благодаря чему не меняются осредненные характеристики потока и появляются дополнительные возможности использования данного изобретения не только для жидкостей, но и для газов, уменьшение отложений на поверхности.The technical results of the proposed device are the simplicity of manufacturing and operation of the invention, increasing the accuracy of the measurement, eliminating the area of reduction of the flow cross-section, due to which the averaged flow characteristics do not change and there are additional possibilities of using this invention not only for liquids, but also for gases, reducing deposits on the surface.

Технический результат достигается тем, что способ измерения расхода среды характеризуется тем, что на пути потока в стенке канала создают, по крайней мере, одно углубление с осесимметричной криволинейной поверхностью двойной кривизны, имеющее форму лунки, при относительной глубине криволинейного участка в интервале 0,025≤h/D≤0,25, где h - глубина, D - диаметр лунки, измеряют перепад между давлением в точке на исходно гладкой поверхности и в точке, находящейся на вогнутой криволинейной поверхности, и определяют расход, используя калибровку.The technical result is achieved by the fact that the method of measuring the flow rate of the medium is characterized in that at least one depression with an axisymmetric curved surface of double curvature, having the shape of a hole, is created on the flow path in the channel wall with a relative depth of the curved section in the range of 0.025≤h / D≤0.25, where h is the depth, D is the diameter of the hole, measure the difference between the pressure at a point on an initially smooth surface and at a point located on a concave curved surface, and determine the flow rate using calibration.

Технический результат достигается также тем, что устройство для измерения расхода среды содержит измерительную секцию с входным и выходным патрубками, между которыми на поверхности секции выполнено, по крайней мере, одно углубление с осесимметричной криволинейной поверхностью двойной кривизны в форме лунки, при относительной глубине в интервале 0,025≤h/D≤0,25, где D - диаметр лунки, h - глубина лунки, и измерительный прибор, с которым соединены точки отбора давления, находящиеся соответственно на исходно гладкой поверхности и на вогнутой криволинейной поверхности. Криволинейная поверхность углубления имеет два сопряженных участка с противоположными знаками кривизны, при этом радиусы кривизны выпуклой и вогнутой частей криволинейной поверхности находятся в диапазоне 10≤R/R≤1.The technical result is also achieved by the fact that the device for measuring the flow rate of the medium contains a measuring section with inlet and outlet nozzles, between which at least one recess is made on the surface of the section with an axisymmetric curved surface of a double curvature in the shape of a hole, with a relative depth in the range of 0.025 ≤h / D≤0.25, where D is the diameter of the hole, h is the depth of the hole, and the measuring device to which pressure sampling points are connected, located respectively on the initially smooth surface and on the concave curve linear surface. The curved surface of the recess has two conjugate sections with opposite signs of curvature, while the radii of curvature of the convex and concave parts of the curved surface are in the range 10≤R / R≤1.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предложенный способ. На фиг.2 показаны в качестве примера экспериментально измеренные распределения перепада давления вдоль стенки плоского канала с одиночным углублением при различных скоростях основного потока. Лунка имеет диаметр 46 мм, глубину 10 мм. Теплоноситель - вода.Figure 1 presents a diagram of a device that implements the proposed method. Figure 2 shows as an example the experimentally measured distribution of the pressure drop along the wall of a flat channel with a single recess at different speeds of the main stream. The hole has a diameter of 46 mm, a depth of 10 mm. The coolant is water.

Устройство измерения расхода (фиг.1) содержит измерительную секцию 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, на поверхности секции между патрубками выполнено, по меньшей мере, одно углубление с криволинейной поверхностью 4 двойной кривизны, при этом радиусы кривизны выпуклой и вогнутой частей осесимметричной криволинейной поверхности находятся в диапазоне 10^-3≤R₊/R_-≤1, при относительной глубине осесимметричного криволинейного участка по отношению к радиусу исходно гладкой поверхности, находящейся в интервале 0,025≤h/D≤0,25, причем, по меньшей мере, одна точка 5 измерения давления находится на исходно гладкой поверхности, и, по меньшей мере, одна точка 6 находится на вогнутой части криволинейной поверхности, при этом отборы давления в этих точках соединены с измерительным прибором.The flow measurement device (Fig. 1) contains a measuring section 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles, at least one recess with a curved surface 4 of double curvature is made on the surface of the section between the nozzles, while the radii of curvature of the convex and concave parts of the axisymmetric curvilinear surfaces are in the range of 10 ^-3 ≤R ₊ / R _- ≤1, with relative depth axisymmetric curved portion with respect to the radius of the originally smooth surface ranging 0,025≤h / D≤0,25, wherein at m D, one pressure measuring point 5 is located on the originally smooth surface and at least one point 6 located on the curved surface of the concave portion, wherein the selection pressure at these points are connected with a measuring instrument.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Направляют среду в измерительную секцию 1 с углублением 4 описанной выше конфигурации. Производят измерение давления в точке 5 на плоской поверхности и в точке 6 на вогнутой части криволинейного участка с помощью датчика давления 7 и определяют расход, используя калибровку.The medium is directed into the measuring section 1 with a recess 4 of the configuration described above. Measure the pressure at point 5 on a flat surface and at point 6 on the concave portion of the curved section using a pressure sensor 7 and determine the flow rate using calibration.

Углубления имеют обтекаемую поверхность второго порядка в виде сопряженных участков с противоположными знаками кривизны, в которых под действием сил инерции, инициированных формой рельефа углубления, формируется вторичное течение и происходит его эволюция.The depressions have a streamlined second-order surface in the form of conjugate sections with opposite signs of curvature, in which, under the action of inertia forces, initiated by the relief's relief form, a secondary flow forms and its evolution occurs.

Обтекание криволинейных поверхностей двойной кривизны в углублении приводит к возникновению и самоорганизации вторичных смерчеобразных вихрей. Процесс зарождения вторичных вихревых структур определяется вязкостным механизмом взаимодействия между основным потоком вязкой сплошной среды и той же средой в углублении. Даже при малой относительной глубине h/D основной поток увлекает среду в углубление за счет сил вязкости. Например, при h/D≈0,005 увлечение среды можно наблюдать уже при скоростях потока над углублением U≥0,002 м/с. Увлеченная масса среды натекает на нижние по потоку скаты углубления, упруго от них отражается, в результате чего внутри углубления вблизи его криволинейного дна возникает возвратное движение. Так как, вторичное течение в углублении не может развиваться в направлении основного потока из-за жесткого препятствия в виде скатов и скоростного напора над углублением, возникает, практически, единственно возможное возвратное движение. Возвратное течение среды в углублении достигает его верхних по потоку скатов, где препятствия для контакта с натекающим течением уже нет. В этой зоне возвратное течение, имея из-за упругого отражения от нижних по потоку скатов скорость, практически равную скорости натекающего потока, подхватывается им, сшивается с ним и замыкает циркуляцию среды в углублении. Например, на криволинейных поверхностях углублений с относительной глубиной рельефа h/D≈0,005 прямой и возвратный потоки уже при скорости всего U≈0,02 м/с порождают трехмерный пограничный слой, состоящий из вихрей, носящих имя Гертлера. Именно посредством этих вихрей, образующих мелкодисперсный трехмерный пограничный слой, осуществляется взаимодействие циркулирующего вторичного вихря в углублении с его криволинейной поверхностью.The flow around curved surfaces of double curvature in the recess leads to the emergence and self-organization of secondary tornado-like vortices. The process of nucleation of secondary vortex structures is determined by the viscous mechanism of interaction between the main flow of a viscous continuous medium and the same medium in the recess. Even with a small relative depth h / D, the main flow carries the medium into the recess due to the viscosity forces. For example, at h / D≈0.005, entrainment of the medium can be observed even at flow rates above the recess U≥0.002 m / s. The entrained mass of the medium flows onto the downstream slopes of the recess, is reflected elastically from them, as a result of which a return movement occurs inside the recess near its curved bottom. Since the secondary flow in the recess cannot develop in the direction of the main flow due to a rigid obstacle in the form of slopes and high-speed pressure above the recess, there is practically the only possible return movement. The return flow of the medium in the recess reaches its upstream slopes, where there is no longer any obstacle to contact with the flowing stream. In this zone, the return flow, having due to the elastic reflection from the downstream slopes, a speed practically equal to the velocity of the inflowing stream, is picked up by it, sewn with it and closes the circulation of the medium in the recess. For example, on curved surfaces of depressions with a relative relief depth h / D≈0.005, direct and return flows, even at a speed of only U≈0.02 m / s, generate a three-dimensional boundary layer consisting of vortices bearing the name of Gertler. It is through these vortices, which form a finely dispersed three-dimensional boundary layer, that the circulating secondary vortex interacts in a depression with its curved surface.

Циркуляция среды, возникшая в углублении, обуславливает возникновение силы типа силы Магнуса, направленной от криволинейной поверхности углубления в основной поток среды. Помимо этого, движение среды относительно криволинейных поверхностей вызывает действие на движущийся в ней поток сил инерции, которые интенсифицируют рождение мелкодисперсных вихрей на поверхности и возникновение сил, также направленных в основное течение. При этом истекающая из углубления вторичная струя имеет радиальную сходимость и согласно проведенным измерениям описывается точными решениями нестационарных уравнений Новье-Стокса непрерывности, что обеспечивает однозначное соответствие измеряемого поля давления, формируемого при обтекании углубления, и расхода среды через измерительную секцию.The circulation of the medium that has arisen in the recess causes the appearance of a force such as the Magnus force directed from the curved surface of the recess into the main flow of the medium. In addition, the motion of the medium relative to curved surfaces causes an inertial force to move in it, which intensifies the birth of fine-dispersed vortices on the surface and the emergence of forces also directed into the main flow. In this case, the secondary jet flowing from the cavity has radial convergence and, according to the measurements, is described by exact solutions of the non-stationary Novier-Stokes continuity equations, which provides an unambiguous correspondence between the measured pressure field generated during the flow around the cavity and the flow rate of the medium through the measuring section.

Изложенный механизм подтверждается измерениями перепада давлений, приведенных на фиг.2 на углублениях сферической формы. Типичный пример такого распределения приведен на указанных выше фигурах.The above mechanism is confirmed by measurements of the differential pressure shown in figure 2 on the recesses of a spherical shape. A typical example of such a distribution is shown in the above figures.

Экспериментальные исследования показали, что эффект увеличения точности измерения и уменьшения отложений на поверхности канала с углублениями достигается только в интервале указанных в изобретении соотношений.Experimental studies have shown that the effect of increasing the accuracy of measurement and reducing deposits on the surface of the channel with recesses is achieved only in the range specified in the invention ratios.

Claims

1. The method of measuring the flow rate of the medium, characterized in that on the flow path in the channel wall create at least one recess with an axisymmetric curved surface of double curvature, having the shape of a hole, with a relative depth of the curved section in the range of 0.025≤h / D≤0.25 where h is the depth, D is the diameter of the well, the difference between the pressure is measured at a point on an initially smooth surface and at a point located on a concave curved surface, and the flow rate is determined using calibration.

2. A device for measuring the flow rate of the medium containing a measuring section with inlet and outlet nozzles, between which at least one recess is made on the surface of the section with an axisymmetric curved surface of a double curvature in the shape of a hole, with a relative depth in the range of 0.025≤h / D≤0, 25, where h is the depth, D is the diameter of the well, and the measuring device to which pressure sampling points are connected, located respectively on the initially smooth surface and on the concave curved surface.

3. The flow measurement device according to claim 2, characterized in that the curved surface of the recess has two conjugate sections with opposite signs of curvature, while the radii of curvature of the convex and concave parts of the curved surface are in the range 10 ⁻³ ≤R ₊ / R _- ≤1 .