[发明专利]非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置及测试方法

摘要

本发明所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，包括高水位水箱、低水位水箱、用于测量水箱中水位随时间变化情况的波高仪、用于测量被测管道管壁所受水流压强的压力传感器和用于数据记录、处理和储存的计算机；所述高水位水箱设置有出水孔，所述低水位水箱设置有进水孔，并安装有可开启或关闭进水孔的水闸；所述波高仪由两个波高采集探头和一个波高处理仪组成，波高处理仪与计算机连接；所述压力传感器由压力采集器和压力变送器组成，压力变送器与计算机连接。还提供了使用本发明所述测试装置的非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试方法。本发明所述装置和方法能快速、准确地测试出非恒定流下不同液体流速所对应的管道内壁的沿程阻力系数。

主权项

1.非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试方法，其特征在于使用的测试装置包括高水位水箱(1)、低水位水箱(2)、用于测量水箱中水位随时间变化情况的波高仪、用于测量被测管道管壁所受水流压强的压力传感器和用于数据记录、处理和储存的计算机(9)；所述高水位水箱(1)的一侧壁下部设置有出水孔(5)，所述低水位水箱(2)的一侧壁下部设置有进水孔(6)，并安装有可开启或关闭进水孔的水闸(4)，低水位水箱(2)的与设置进水孔的侧壁朝向相反的侧部底部设置有排水孔(7)，并配备有蓄水时用于封堵排水孔的塞子；所述波高仪由两个波高采集探头(3‑1)和一个波高处理仪(3‑2)组成，测试时，两个波高采集探头分别安装在高水位水箱和低水位水箱内，并分别通过传输线与波高处理仪连接，所述波高处理仪与计算机连接；所述压力传感器由压力采集器(8‑1)和压力变送器(8‑2)组成，压力采集器(8‑1)的数量与被测管道(10)上设置的测压孔(10‑2)的数量相同，测试时，各压力采集器分别安装在被测管道上设置的测压孔内，并通过传输线与压力变送器连接，所述压力变送器与计算机连接；步骤如下：①被测管道的加工将被测管道(10)的两端加工成喇叭口(10‑1)，在靠近两端喇叭口的管壁上分别加工一个测压孔(10‑2)，被测管道的长度L控制在200～300cm,喇叭口的最大的外径d3＝1.6d1～2d1，式中，所述d1为被测管道的内径，单位为cm；②被测管道与测试装置的组合将测试装置中的高水位水箱(1)、低水位水箱(2)安放在同一高程上，并使高水位水箱设有出水孔(5)的侧壁与低水位水箱设有进水孔(6)的侧壁处于相对的方位，将被测管道的两端喇叭口采用粘接的方式分别固定在高水位水箱(1)的出水孔中和低水位水箱(2)的进水孔中；将测试装置中的两个波高采集探头(3‑1)分别安装在高水位水箱和低水位水箱内，并分别将两个波高采集探头通过传输线与波高处理仪(3‑2)连接，将波高处理仪与计算机(9)连接；在被测管道的各测压孔(10‑2)中分别安装上测试装置中的压力采集器(8‑1)，并将压力采集器通过传输线与压力变送器(8‑2)连接，将压力变送器与计算机(9)连接；③测试装置的调试操作水闸关闭低水位水箱的进水孔(6)，并用塞子封堵低水位水箱的排水孔(7)，然后分别向高水位水箱(1)与低水位水箱(2)中注水，低水位水箱的注水量控制在低水位水箱中的水位h2＝4d1～6d1，高水位水箱(1)的注水量控制在高水位水箱中的水位h1满足不等式h2＜h1≤0.8c1，式中，所述d1为被测管道的内径，c1高水位水箱的高度，再后操作水闸打开低水位水箱的进水孔，并记录高水位水箱(1)和低水位水箱(2)中的水位达到平衡所需的时间t1，继后打开低水位水箱的排水孔(7)，将高水位水箱和低水位水箱中的水全部排出后关闭低水位水箱的进水孔(6)和排水孔(7)；④测试操作操作水闸关闭低水位水箱的进水孔(6)，并用塞子封堵低水位水箱的排水孔(7)，向高水位水箱(1)和低水位水箱(2)中分别注入与步骤③相同的水量，使高水位水箱(1)与低水位水箱(2)形成与步骤③相同的水位差，然后接通电源，设置压力传感器、波高仪的采集频率和采集时间，所述采集时间设置为步骤③中高水位水箱(1)和低水位水箱(2)中的水位达到平衡所需的时间t1，继后打开低水位水箱的进水孔，并在打开低水位水箱进水孔的同时使压力传感器、波高仪开始工作，将采集到的信号进行处理和转换后传送给计算机，计算机将接收到的高水位水箱和低水位水箱中的水位随时间变化的数据及被测管道管壁所受水流压强随时间变化的数据进行处理和保存；⑤沿程阻力系数的获取通过计算机将高水位水箱和低水位水箱中的水位随时间变化的数据分别拟合成多项式函数，将得到的两个多项式函数对时间求导，分别得到两个水箱中水流的流速，再根据高水位水箱中的水流流速由连续性方程v1A1＝v2A2求得被测管道中水流的流速vhg，根据低水位水箱中的水流流速由连续性方程v1A1＝v2A2求得被测管道中水流的流速vdg，将vhg和vdg进行比较，当两个差值的绝对值小于或等于10cm/s时，则以vhg或vdg来作为被测管道中水流的流速，当两个差值的绝对值大于10cm/s时，表示测试系统有错误，则需检查测试系统，再次进行测试，所述连续性方程中，v1为高水位水箱或低水位水箱中水流的流速，v2为被测管道中水流的流速，A1为高水位水箱或低水位水箱的底面积，A2为被测管道内孔的横截面面积，根据采集的同一时间被测管道管壁所受水流压强数据和被测管道水流流速数据通过有压管道非恒定流运动方程求出被测管道沿程水头损失，再通过达西公式求出被测管道沿程阻力系数；所述有压管道非恒定流运动方程如下：式中，z₁和z₂分别为有压管道任意断面1和断面2的平均位能，和分别为断面1和断面2的平均压能，和分别为断面1和断面2的平均动能，为能量损失，为惯性水头；所述达西公式如下：式中，hf是沿程水头损失，λ是沿程阻力系数，d是被测管道内径，g是重力加速度，l是两个测压孔之间的距离。