一种用于弯管后流场测量的流动调整器
阅读说明：本技术 一种用于弯管后流场测量的流动调整器 (Flow regulator for measuring flow field behind bent pipe ) 是由 刘立军 张恒 王道成 周晨阳 刘雷 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于弯管后流场测量的流动调整器,包括径向叶片、管道以及中心管,中心管和管道同轴设置,径向叶片沿着管道和中心管的圆周呈阵列布置,径向叶片将管道和中心管之间的空间分隔成多个通道,所述通道长度方向沿着管道的轴线方向；中心管为通孔的闭合结构；位于弯管内弧径向叶片的间隔角度小于弯管外弧径向叶片的间隔角度；本发明所提供的流动调整器采用弯管内外侧非对称结构,重点对内侧流动状态进行调整,减少了流动中的涡流,实现弯管后较均匀的流场；在较低压损情况下,最大程度消除弯管后液体流动产生的漩涡和流场速度畸变,对于提高测量仪器测量结果的准确性和稳定性具有重要意义。(The invention discloses a flow regulator for measuring a flow field after bending a pipe, which comprises radial blades, a pipeline and a central pipe, wherein the central pipe and the pipeline are coaxially arranged; the central tube is a closed structure of a through hole; the spacing angle of the radial blades positioned on the inner arc of the bent pipe is smaller than that of the radial blades positioned on the outer arc of the bent pipe; the flow regulator provided by the invention adopts an asymmetric structure of the inner side and the outer side of the bent pipe, and the flow state of the inner side is mainly regulated, so that the vortex in the flow is reduced, and a more uniform flow field after the bent pipe is realized; under the condition of lower pressure loss, the vortex and flow field speed distortion generated by liquid flowing after the elbow pipe is eliminated to the maximum extent, and the method has important significance for improving the accuracy and stability of the measurement result of the measuring instrument.)
技术领域
本发明属于流动测量装置技术领域，尤其涉及一种用于弯管后流场测量的流动调整器。
背景技术
压缩机、水泵、通风机等流体机械在冶金、石油化工、水利等重点行业领域发挥着重要作用。根据统计，流体机械每年消耗全国总电能的30％以上，因此，其系统的运行效率、可靠性、经济性都直接影响着我国经济社会发展。为了使整个系统更加高效、节能，在系统运行过程中流体机械设备需要根据系统所需的参数提供匹配的流量和压力等参数，因此在设备出厂试验和实际现场运行中，对整个系统进行准确的测量获得更加精确的性能参数对节能减排与过程控制具有重要意义。测量系统的严谨性会直接对结果的正确性和合理性产生重要的影响。其中流量计和压力测量仪表作为能源计量与工业系统控制的重要传感设备，其测量结果的准确性与可靠性直接关系测试结果的安全可靠。
常用的流量计有差压流量计、电磁流量计、科里奥利质量流量计等，压力主要通过在测量截面处的管壁上设置取压孔测量。流量和压力测量的准确性和可靠性与管道内流体的流动状态直接相关，截面需要具有轴对称的速度分布、等静压分布、无装置引起的漩涡等要求，实际试验系统和实际现场管道系统中由于场地限制，无法布置较长的直管段消除流场畸变，不可避免存在弯管等管件设备，流体流过弯管使得管道中产生较大的速度分布畸变、旋转流等不均匀的非定常流动现象，从而影响流量计和取压孔测量结果准确度和可靠性。因此通过在测量装置上游安装流动调整器，减少或消除从测量装置上游弯头产生并延伸而来的流态畸变。
国际标准ISO5167中推荐了几种对直管段调整效果较好的流动调整器，包括管束式、孔板式和方形栅格式，但是由于弯管内外两侧的流态不同，弯管后内侧由于离心力的作用在横剖面内产生较强的二次流、脉动流、速度畸变使得流场畸变更加严重，因此现有的流动调整器对于弯管后流体流态的调整效果不如对直管的调节效果好，需要对现有技术进行进一步开发。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于弯管后流场测量的流动调整器，具有结构简单、通用性强、加工制造简单，且压力损失小等优点，可以克服管道中弯管后产生的流态畸变导致测量仪器的精度、准确度和可靠性下降的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于弯管后流场测量的流动调整器，包括径向叶片、管道以及中心管，中心管和管道同轴设置，径向叶片沿着管道和中心管的圆周呈阵列布置，径向叶片将管道和中心管之间的空间分隔成多个通道，所述通道长度方向沿着管道的轴线方向；中心管为通孔的闭合结构；位于弯管内弧径向叶片的间隔角度小于弯管外弧径向叶片的间隔角度。
所述通道包括A区通道、B区通道和C区通道，A区通道的径向叶片之间的间隔角大于B区通道径向叶片之间的间隔角，B区通道的径向叶片之间的间隔角大于C区通道径向叶片之间的间隔角，A区通道和B区通道安装在弯管弯曲的外弧方向，C区通道安装在弯管弯曲的内弧方向。
A区通道的扇形区域设置为60°，每个叶片相隔角度为30°，B区通道位于A区通道两侧，一侧B区通道的扇形区域设置为60°，每个叶片相隔角度为20°，C区通道的扇形区域设置为180°，每个叶片相隔角度为15°。
中心管和管道之间同轴设置多个径向分隔管，所述分割管和径向叶片将管道分隔成多个通道。
径向分隔管沿所述管道的半径均匀布置，径向分隔管与其所在半径处的径向叶片轴向长度相同。
径向叶片与中心管、管道以及所述径向分隔管一体化挤压成型，或径向叶片与中心管以及管道通过焊接方式成型，径向叶片与径向分隔管通过焊接方式成型。
管道的轴向长度大于径向叶片的轴向最长长度，径向叶片的轴向最长长度不小于管道长度的80％。
迎着介质的一端为喇叭形，径向叶片在入口端为圆弧形的直叶片，径向叶片在入口端随着直径的减小其轴向长度减小的形状，且管道内壁处径向叶片的轴向长度最长，中心管处径向叶片的轴向长度最短。
径向叶片轴向最长的长度大于管道直径的两倍，中心管的直径为管道直径的0.15倍。
管道的两端设置法兰。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
由于弯管内外两侧的流态不同，弯管后内侧由于离心力的作用在横剖面内产生较强的二次流，流动畸变比较外侧更加严重，因此本发明提出的径向叶片将管道截面分为间隔角度不同的三个非均匀通道，弯管内、外两侧分别布置间隔小的通道和间隔较大的通道，通过对弯管内侧设置更加密集的径向叶片，重点对弯管后内侧的流动状态进行调整，减少了流动中的大尺度涡流，减小了流场的脉动，提高了测量仪器的精度、准确度和可靠性；
进一步的，本发明提供的径向分隔管，将管道截面分为若干个圆环型通道，对径向叶片分割的扇形通道进行进一步加密，进一步增强消除流动中的二次流旋涡和速度不均匀性的能力，结构设计合理、加工制造成本低、安装方便，且采用弯管内外侧非对称结构，在产生较低压损的情况下，最大程度消除弯管后内侧流体流动产生的漩涡和流场速度畸变，流场可以被整流成均匀、对称的流场，提高测量仪表测量结果的准确性和稳定性。
进一步的，根据流动介质在管道中心流速较大且沿径向流速减小的流动特性，将径向叶片设置成为沿着直径的减小轴向长度减小的形状，即叶片前端为弧形，增大边界层处流速冲角的同时减小中间流速较高处的冲角，极大的减小了流体流动过程对于径向叶片的冲击损失，使得整个流动调整器的阻力减小，效果达到最好。
进一步的，本发明提供的径向栅格和中心管与所述径向叶片一体成型，不仅起到了整流的作用，更加支撑整流器本体和增加流动调整器强度，使得整个整流器内部结构更加稳定，可以适用于管径更大、流速更大的系统。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，更加明显的表示本发明的其它特征、目的和优点，其中：
图1是本发明所提供的实施例的立体结构示意图。
图2是本发明所提供的实施例的管道内部叶片和径向分隔管的立体结构示意图。
图3是本发明提供的实施例的沿径向的剖面示意图。
图4是本发明所提供的实施例沿轴向的剖面示意图。
图5是本发明提供的径向叶片。
图6是弯管的三维示意图。
图7是弯管后横剖面处压力等值线图。
附图标记说明：1-径向叶片，2-管道，3-径向分隔管，4-中心管，5-法兰。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明所提供的一种用于弯管后流场测量的流动调整器，适用于消除弯管后内侧的速度分布畸变、二次涡流的流场畸变影响，包括如图1所示的径向叶片1和径向分隔管3以及中心管4，这三个内部部件安装在如图1所示的管道2中，共同组成完整的流动调整器。流动调整器的两端设置有螺孔的法兰5，将流动调整器放置于两段管道的中间，通过若干个螺栓将流动调整器沿管道轴向固定。使用过程中，将该流动调整器布置于管道弯头后，测量仪表之前，并应和测量仪表有一定距离。
参考图1和图2，一种用于弯管后流场测量的流动调整器，包括径向叶片1、管道2以及中心管4，中心管4和管道2同轴设置，径向叶片1沿着管道2和中心管4的圆周呈阵列布置，径向叶片1将管道2和中心管4之间的空间分隔成多个通道，所述通道长度方向沿着管道的轴线方向；中心管4为通孔的闭合结构；位于弯管内弧径向叶片1的间隔角度小于弯管外弧径向叶片1的间隔角度。
所述通道包括A区通道、B区通道和C区通道，A区通道的径向叶片1之间的间隔角大于B区通道径向叶片1之间的间隔角，B区通道的径向叶片1之间的间隔角大于C区通道径向叶片1之间的间隔角，A区通道和B区通道安装在弯管弯曲的外弧处，C区通道安装在弯管弯曲的内弧处。
如图2所示的流动调整器内部可以看到，所述径向叶片具有一定沿圆管轴向方向的长度；所述径向叶片关于管道的中心轴线呈圆周阵列分布，并将管道横截面分隔成多个通道；所述径向叶片将管道横截面通道分为A区域、B区域、C区域三个区域，所述A区域、B区域、C区域三个区域内径向叶片间的间隔角度依次减小，即A区域内所述径向叶片数最少，C区域内所述径向叶片数最多，所述A区域和B区域安装在弯管弯曲后的外侧方向，C区域安装在弯管弯曲后的内侧方向。所述的C区域位于弯管的内侧，设置更加密集的径向叶片，对内侧流动状态进行更强的流动调整，阻断流动中的大尺度涡流的二次流运动和脉动，使得内部流体强制性沿轴向运动。
所述A区域、B区域、C区域角度所占总管道横截面积的比值应该依次增大，当管道直径增大时，流动调整器的径向叶片数量和径向分隔管数量都应增大，获得更加强的整流能力。
如图5所示，径向叶片5的前端为圆弧形的等厚度直叶片，前端圆弧与所述管道2内壁相垂直，与所述中心管4相切，即将所述径向叶片设置成沿着半径的减小，轴向长度减小的形状，且管道4内壁处的径向叶片1的轴向长度最长，中心管4处的径向叶片1的轴向长度最短，这一结构特征在图5以及图2中容易看出。
参考图2，所述分割管沿所述管道的半径均匀布置，将整个管道截面分隔为若干个环形通道，且分割管与径向叶片1相互呈交错式垂直连接，在不同半径处所对应的径向分隔管轴向长度和径向叶片的轴向长度相同。
如图1和图4所示，中心管4为通孔的闭合结构，中心管4与管道同轴设置；Dpipe为管道2的直径。
管道2的轴向长度大于径向叶片1的轴向最长长度，径向叶片1的轴向最长长度不小于管道2长度的80％。
管道2两端的法兰5通过若干个螺栓与测试系统管道相连；为了将内部叶片和径向分隔管3完全置于所述管道内部，所述管道的轴向长度应大于所述径向叶片的轴向最长长度。
如图1所示为本发明一较佳实施例的结构示意图，本发明所提供的流动调整器包括轴向上设定厚度的径向叶片1，如图3为左视图可以看出，整个通道分为A区通道、B区通道和C区通道，根据需要将A区通道的扇形区域设置为60°，每个叶片相隔角度为30°，B区通道位于A区通道两侧，一侧B区通道的扇形区域设置为60°，每个叶片相隔角度为20°，C区通道的扇形区域设置为180°，每个叶片相隔角度为15°。本实施例中径向叶片1的管道侧轴向长度为管道2直径的2倍。
径向分隔管3沿所述管道的半径均匀布置，如图3所示在本实施例中设置为两个内部径向分隔管3直径分别为管道直径的三分之一和三分之二，将管道截面分隔为3个环形通道，用来分开此处的漩涡流动，增强流动调整器的整流能力；本实施例中所述中心管4的直径为所述管道2直径的0.15倍。
参考图6，弯管的三维示意图，流动调整器设置在弯管的下游，流体介质通过弯管后，经过流动调整器对流场进行流速和压力分布调整，再流经测量仪表测量压力和流量。
经过该流动调整器后可以调节管道截面内流体的压力和速度分布情况，使得流场分布更加均匀。
对如图6所示的弯管系统进行计算流体力学数值模拟计算，截取弯管后的流场信息，参考图7为未设置流体调整器时弯管后横剖面处压力等值线图，从图7中可以看到，截面内弯管的压力梯度较大，明显的是弯管外侧避免附近的压力大于内侧壁面，内侧产生较大的二次流涡流，引起横截面方向上的动能和能量交换，所以整个截面的流场不均匀性程度增强，主要不均匀的位置在弯管内侧。
以上实施例仅供说明本发明的具体特征，而非对本发明的限制，适当增加或者减少进行变换，因此所有等同的技术方案也应该属干本发明的范畴应由各权利要求限定。
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