CN106546374B - 一种复杂流场内静压测量装置及流速测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂流场内静压测量装置及流速测算方法，包括取压管、连接管、取压头、取压机构以及折流板，所述取压头设置在取压机构中，连接管设置在取压管和取压头之间且连接管的两端分别与取压管和取压头连接，连接管与取压头连接的端头设置在取压机构内部，并且连接管与取压机构连接，折流板与取压机构固定，且取压管、连接管、取压头以及取压机构依次连通。本发明能够在流体流动方向不断变化的复杂瞬变流场内，在各种流体流动方向条件下有效屏蔽瞬变动压的影响，配合压力传感器实时测量复杂瞬变流场内静压，并根据静压与全压的区别，测算出流场内特定位置实时流速，为流场测算提供基础。

Description

一种复杂流场内静压测量装置及流速测算方法

技术领域

本发明涉及核电环境中压力、流场测量领域，具体涉及一种复杂流场内静压测量装置及流速测算方法。

背景技术

在复杂瞬变流场内，针对静压的测量，会受到瞬变流体流动产生的瞬变动压影响，为了屏蔽瞬变动压对静压测量的影响，实时测量复杂瞬变流场内的静压，迫切需要一种复杂流场内静压测量装置，其中：

(1)美国A.S.CHIPLEY等针对静压测量申请了专利，该专利采用T型取压口结构，测量静压。但是该专利在特定的流场条件下测量静压较为准确，但是在复杂瞬变流场内测量结果可能会出现波动，适用性较差。

(2)美国John R.Andrus等人针对流体静压测量申请了专利，该专利使用两级缓冲隔腔减弱气体运动的原理测量静压。从其取压口可以看出，该专利取压口在逆流方向条件下测量所得静压偏低，因此在复杂瞬变流场内适用性较差。

(3)美国的A.Robert Porro等人针对气态流场内环境压力测量申请了专利。该专利在液体环境条件下适应性较差，且无法测算流速。

通过以上对国内外文献和专利技术的查询表明，至今为止，未见关于一种复杂流场内静压测量装置及流速测算方法的专利记录。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有在复杂瞬变流场内针对静压的测量时，会受到瞬变流体流动产生的瞬变动压影响，无法准确测量出静压值，影响对核电站中流场情况的监测，提供了一种复杂流场内静压测量装置及流速测量方法，该装置及方法能够在复杂瞬变流场内，实时测量静压，并根据静压与全压的区别，测算出流场内特定位置实时流速，为流场测算提供基础。

本发明通过下述技术方案实现：

一种复杂流场内静压测量装置，包括取压管、连接管、取压头、取压机构以及折流板，所述取压头设置在取压机构中，连接管设置在取压管和取压头之间且连接管的两端分别与取压管和取压头连接，连接管与取压头连接的端头设置在取压机构内部，并且连接管与取压机构连接，折流板与取压机构固定，且取压管、连接管、取压头以及取压机构依次连通，取压管远离连接管的一端连接有压力传感器。在核电环境中进行压力或者流速测量时，流场中的工作介质通常为水介质、蒸汽介质、气体介质以及油介质，压力为常压～30MPa，温度为常温～300℃，由于流场中流体流动方向多变或者不稳定，或者其它因素影响而形成复杂流场，因此需要对该流场内的静压进行测量，而现有的测量设备或测量方法都是针对于特定的流场条件下测量静压或单纯的气态流场内环境压力测量，特定的流场条件下测量静压很容易实现，能够得到准确的测量结果，但是在核电站复杂瞬变流场内测量结果可能会出现波动，造成测量值不准确，无法满足使用需求，而仅能够进行单纯的气态流场内环境压力测量设备，其在液体环境条件下适应性较差，且无法测算流速，也不能满足使用需求。本方案设计的测量装置及方法，其通过设置取压管、连接管、取压头、取压机构以及折流板，将取压管与压力传感器连接，利用公式u＝[2×(P_全-P_静)/ρ]^0.5来进行复杂流场内流体流速的测算，其中P_全为取压管单独放置于需要测量流速的位置时，取压管的取压口迎向需要得到流速的方向，取压管与压力传感器连接时压力传感器测量所得压力；P_静为本装置安装于复杂瞬变流场内需要测量流速的位置时，取压管与压力传感器连接时压力传感器测量所得压力；ρ为流体密度。本方案设计的测量装置及方法能够在流体流动方向不断变化的复杂瞬变流场内，在各种流体流动方向条件下有效屏蔽瞬变动压的影响，配合压力传感器实时测量复杂瞬变流场内静压，并根据静压与全压的区别，测算出流场内特定位置的实时流速，为流场测算提供基础，其能够适用于多种流场中的工作介质，适用性强，而且测得的数据准确，尤其是在复杂瞬变流场内针对静压的测量时，不会受到瞬变流体流动产生的瞬变动压影响，能够快速且准确测量出静压值，从而满足核电站中流场情况的监测需求。

折流板包括长折流板和短折流板，短折流板固定在取压机构的外壁上，长折流板设置在取压机构远离取压管的一端，在长折流板和取压机构之间设置有连接棒，且连接棒同时与长折流板和取压机构连接，其中短折流板与取压机构固定的侧壁内凹形成安装腔，并且安装腔的壁面与取压机构上对应的外壁无缝固定。折流板是用于对流场内工作介质的流向进行改变，其材质根据取压管的材质选取，与取压管的材质保持一致。

连接棒的数量优选为三根，且三根均与长折流板和取压机构连接，三根连接棒均匀布置，两两夹角均为120°，长折流板与三根连接棒焊接，需保证折流板与取压机构的相对位置，连接棒的材质根据取压管的材质选取，与取压管的材质保持一致。连接棒的数量也可以是两根、四根或五根等，根据实际需求进行选择。

取压机构包括连接段和缓冲腔室，且连接段和缓冲腔室连接为整体结构，取压头设置在缓冲腔室中，连接管设置在连接段中并与连接段的内壁螺纹旋合，并且在缓冲腔室远离与连接段连接的一端设置有与缓冲腔室连通的通孔，通孔与缓冲腔室内部连通，且设置在三根连接棒之间，即在缓冲腔室的一端设置有通孔，没有设置通孔的一端与连接段相连接，通孔可以使得缓冲腔室内部与外界流场连通。取压机构的材质根据取压管的材质选取，与取压管的材质保持一致。连接段与缓冲腔室外表面之间需加工出倾斜角度45°的过渡段。连接段与缓冲腔室内部表面之间通过孔径差异自然过渡连接。

取压头为平口三通取压头，平口三通取压头的支管与连接管远离取压管的一端固定且连通。平口三通取压头的材质根据取压管的材质选取，与取压管的材质保持一致，且平口三通取压头是等径三通。这样使得取压时能够实现压力稳定，而且取压头的三通连线呈T型状，与连接管连通的支管与另外两根支管垂直，并且朝向长折流板方向的侧壁没有开设支管。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明能够在流体流动方向不断变化的复杂瞬变流场内，在各种流体流动方向条件下有效屏蔽瞬变动压的影响，配合压力传感器实时测量复杂瞬变流场内静压，并根据静压与全压的区别，测算出流场内特定位置实时流速，为流场测算提供基础。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为连接管的结构示意图；

图3为取压头的结构示意图；

图4为取压机构的结构示意图；

图5为图4的A向示意图；

图6为图5的A向示意图；

图7为短折流板的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-取压管，2-连接管，3-取压头，4-取压机构，5-短折流板，6-连接棒，7-长折流板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至图7所示，一种复杂流场内静压测量装置，其结构包括取压管1、连接管2、取压头3、取压机构4以及折流板，折流板包括长折流板7和短折流板5，所述取压头3设置在取压机构4中，连接管2设置在取压管1和取压头3之间且连接管2的两端分别与取压管1和取压头3连接，连接管2与取压头3连接的端头设置在取压机构4内部，并且连接管2与取压机构4连接，折流板与取压机构4固定，且取压管1、连接管2、取压头3以及取压机构4依次连通。由于本方案适用于流场中的工作介质通常为水介质、蒸汽介质、气体介质以及油介质，压力为常压～30MPa，温度为常温～300℃，取压管1可选取耐腐蚀不锈钢材质或铜材。如果取压管1存在内外温差较大，如温差超过30℃区段，则选取耐腐蚀不锈钢材质，否则选取铜材。在工作压力为常压～15MPa，取压管壁厚δ_取压为1.5mm；工作压力高于15MPa而不高于30MPa条件下，取压管壁厚δ_取压为2mm。取压管内径din_取压按照不同工作介质环境选取。工作介质为水介质和油介质时，取压管内径din_取压为6～8mm；工作介质为蒸汽介质和气体介质时，取压管内径din_取压为4～6mm。

连接管2采用螺纹连接管，并且其材质根据取压管1的材质选取，与取压管1的材质保持一致。螺纹连接管以内径din_螺纹、壁厚δ_连接、长度L_连接的管材作为基础进行加工，加工出螺纹公称直径d_螺纹，螺纹长度为L_螺纹的螺纹段，螺纹段距螺纹连接管的两端长度相等。螺纹连接管的两端需要加工出倾斜角度45°～60°的焊接坡口，长度3mm。设定螺纹连接管的内径与取压管内径相等，即din_螺纹＝din_取压，基础管材的壁厚选取为取压管壁厚的3倍，即δ_连接＝3×δ_取压，实际应用时基础管材的长度L_连接可取为16mm，螺纹公称直径d_螺纹按下式确认，即d_螺纹＝din_螺纹+2×δ_连接，螺距为1.5mm或1.25mm，螺距具体值根据螺纹公称直径，依据国家标准确定。如该公称直径下两种螺距都存在，则优选螺距为1.5mm，而螺纹长度L_螺纹可取为10mm。

平口三通取压头的材质根据取压管1的材质选取，与取压管1的材质保持一致，平口三通取压头是内径为din_三通的等径三通，三通主管内径为din_三通，主管壁厚为δ_三通主管，主管长度为L_三通主管，三通支管内径为din_三通，支管壁厚为δ_三通支管，支管长度为L_三通支管，支管长度指的是从主管中心线至三通支管接口的长度，等径三通的内径与取压管1内径相等，即din_三通＝din_取压，主管壁厚选取为不小于取压管壁厚的1.3倍，即δ_三通主管≥1.3×δ_取压，支管壁厚选取为不小于取压管壁厚的1.7倍，即δ_三通支管≥1.7×δ_取压，主管长度L_三通主管按下式确认，即L_三通主管＝din_三通+2×δ_三通支管，支管长度L_三通支管按下式确认，即L_三通支管＝0.5×din_三通+2.5×δ_取压。

取压机构4的材质根据取压管的材质选取，与取压管的材质保持一致。取压机构分为连接段和缓冲腔室。连接段与缓冲腔室外表面之间需加工出倾斜角度45°的过渡段。连接段与缓冲腔室内部表面之间通过孔径差异自然过渡连接。

缓冲腔室不与连接段连接的一端定义为取压机构缓冲腔室外端面，外端面壁厚δ_缓冲端。以外端面几何中心为圆心，加工出直径d_缓冲端的通孔。壁厚δ_缓冲端按下式确认，即δ_缓冲端＝1.8×δ_取压。直径d_缓冲端按下式确认，即d_缓冲端＝din_取压。取压机构连接段外表面为外径dout_连接段的圆柱体，长度选为10mm。取压机构的连接段外径dout_连接段按下式确认，即dout_连接段＝d_螺纹+3.5×δ_取压。取压机构的连接段的内表面为公称直径d_螺纹的螺纹孔，长度选为10mm。取压机构的连接段螺纹孔的螺距与螺纹连接管螺纹的螺距相匹配。取压机构的缓冲腔室内表面为直径din_缓冲腔室的圆柱腔室，长度选为Lin_缓冲腔室。直径din_缓冲腔室按下式确认，即din_缓冲腔室＝L_三通主管+din_取压。长度Lin_缓冲腔室按下式确认，即Lin_缓冲腔室＝L_三通支管+1.5×din_取压+δ_三通主管+1mm。取压机构的缓冲腔室外表面为正六边形柱体，正六边形柱体的内接圆直径为dout_缓冲腔室，长度为Lout_缓冲腔室。内接圆直径dout_缓冲腔室按下式确认，即dout_缓冲腔室＝din_缓冲腔室+2×δ_缓冲端。长度Lout_缓冲腔室按下式确认，即Lout_缓冲腔室＝Lin_缓冲腔室+δ_缓冲端+1mm。

短折流板5的材质根据取压管1的材质选取，与取压管1的材质保持一致。短折流板5选取壁厚为δ_短折流板的方形金属板，折流板的壁厚δ_短折流板按下式确认，即δ_短折流板＝2×δ_取压。短折流板的高度H_短折流板按下式确认，即H_短折流板＝0.29×dout_缓冲腔室+din_取压。短折流板的宽度W_短折流板按下式确认，即W_短折流板＝dout_缓冲腔室。在上述方形金属板上，切除底边长W_短折流板、底角30°、壁厚δ_短折流板的等腰三角形体形成安装腔。

连接棒6的材质根据取压管1的材质选取，与取压管1的材质保持一致。连接棒选取直径Φ3的棒材，连接棒数量为3根，连接棒的长度L_连接棒按下式确认，即L_连接棒＝1.2×din_取压。

长折流板7的材质根据取压管1的材质选取，与取压管1的材质保持一致。长折流板7选取壁厚为δ_折流板的方形金属板，长折流板的壁厚δ_折流板按下式确认，即δ_折流板＝2×δ_取压。长折流板的高度H_折流板按下式确认，即H_折流板＝1.2×dout_缓冲腔室+din_取压。长折流板的宽度W_折流板按下式确认，即W_折流板＝dout_缓冲腔室。

将螺纹连接管的一端与取压管焊接，将螺纹连接管的另一端与平口三通取压头的支管焊接。将取压机构的缓冲腔室部分的六边形体的一个尖角朝下，将短折流板的三角凹陷侧面朝上，将短折流板与取压机构的缓冲腔室部分配合焊接，配合的位置靠近取压机构缓冲腔室外端面，使得短折流板与取压机构缓冲腔室外端面平齐。

将3根连接棒分别焊接于取压机构缓冲腔室外端面，三根连接棒均匀布置，两两夹角均为120°。长折流板与三根连接棒焊接，需保证长折流板与取压机构的相对位置，缓冲腔室远离与连接段连接的一端设置有与缓冲腔室连通的通孔，通孔与缓冲腔室内部连通，且设置在三根连接棒6之间。在测量时，由于连接棒6并没有堵塞通孔，工作介质通过折流板引导进入到通孔后在缓冲腔室中形成缓冲，且没有直接冲击到平口三通取压头，即平口三通取压头的管口开设位置没有朝向通孔正对在取压头的壁面，防止工作介质的流速对测量结果造成影响，经过缓冲腔室的缓冲后流体将压力通过彼此连通的管道传递给压力传感器获得信号，得到准确的静压数值，配合全压测量，通过计算公式，即获得在该复杂流场内静压流速。

将取压机构与短折流板焊接的尖角朝下，保持短折流板宽度为W_短折流板的边水平。此时，短折流板宽度与缓冲腔室外端面宽度相等，需保证在宽度方向，短折流板刚好遮盖缓冲腔室外端面。在高度方向，短折流板下部边沿的高度与取压机构缓冲腔室外端面朝下尖角的端部高度相等。

将取压管、螺纹连接管、平口三通取压头的焊接体与取压机构连接，平口三通取压头朝向取压机构内腔室，将螺纹连接管的螺纹拧入取压机构连接段的螺纹孔，直至螺纹连接管的螺纹端刚好没入螺纹孔位置，将取压管与压力传感器连接，用于压力测量。

将本装置安装于复杂瞬变流场内需要测量流速的位置，将取压管与压力传感器连接，压力传感器测量所得压力即为当地静压P_静，单位是Pa。将取压管单独放置于需要测量流速的位置，并将取压管的取压口迎向需要得到流速的方向，将取压管与压力传感器连接，压力传感器测量所得压力即为当地该方向的全压P_全，单位是Pa，流体密度为ρ，单位是kg/m³，而在复杂流场内静压流速测算公式为u＝[2×(P_全-P_静)/ρ]^0.5，通过这种方式计算，能够在流体流动方向不断变化的复杂瞬变流场内，在各种流体流动方向条件下有效屏蔽瞬变动压的影响，配合压力传感器实时测量复杂瞬变流场内静压，并根据静压与全压的区别，测算出流场内特定位置实时流速，为流场测算提供基础。其可安装于被测流场内，结构简单，性能稳定，可以实时测量静压，并测算该处实时流速。可用于实时测量复杂瞬变流场内特定位置处静压，还可用于流场的测算。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，包括取压管(1)、连接管(2)、取压头(3)、取压机构(4)以及折流板，所述取压头(3)设置在取压机构(4)中，连接管(2)设置在取压管(1)和取压头(3)之间且连接管(2)的两端分别与取压管(1)和取压头(3)连接，连接管(2)与取压头(3)连接的端头设置在取压机构(4)内部，并且连接管(2)与取压机构(4)连接，折流板与取压机构(4)固定，且取压管(1)、连接管(2)、取压头(3)以及取压机构(4)依次连通；所述折流板包括长折流板(7)和短折流板(5)，短折流板(5)固定在取压机构(4)的外壁上，长折流板(7)设置在取压机构(4)远离取压管(1)的一端，在长折流板(7)和取压机构(4)之间设置有连接棒(6)，且连接棒(6)同时与长折流板(7)和取压机构(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，所述短折流板(5)与取压机构(4)固定的侧壁内凹形成安装腔，并且安装腔的壁面与取压机构(4)上对应的外壁无缝固定。

3.根据权利要求1所述的一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，所述连接棒(6)的数量为三根，且三根均与长折流板(7)和取压机构(4)连接，三根连接棒(6)均匀布置，两两夹角均为120°。

4.根据权利要求1所述的一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，所述取压管(1)远离连接管(2)的一端连接有压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，所述取压机构(4)包括连接段和缓冲腔室，且连接段和缓冲腔室连接为整体结构并相互连通，取压头(3)设置在缓冲腔室中，连接管(2)设置在连接段中并与连接段的内壁螺纹旋合。

6.根据权利要求5所述的一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，所述缓冲腔室远离与连接段连接的一端设置有与缓冲腔室连通的通孔，通孔与缓冲腔室内部连通，且设置在三根连接棒(6)之间。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种复杂流场内静压测量装置，其特征在于，所述取压头(3)为平口三通取压头(3)，平口三通取压头(3)的支管与连接管(2)远离取压管(1)的一端固定且连通。

8.一种复杂流场内流速测算方法，其特征在于，

u＝[2×(P_全-P_静)/ρ]^0.5m/s

其中：P_全为取压管单独放置于需要测量流速的位置时，取压管的取压口迎向需要得到流速的方向，取压管与压力传感器连接时压力传感器测量所得压力，单位是Pa；

P_静为本装置安装于复杂瞬变流场内需要测量流速的位置时，取压管与压力传感器连接时压力传感器测量所得压力，单位是Pa；

ρ为流体密度，单位是kg/m³。