T型靠背風速管研制及其在動車組流量測試中的應用

許良中,潘云艷,劉堂紅

(1.中南大學 交通運輸工程學院 軌道交通安全教育部重點實驗室,長沙 410075; 2.南車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

目前差壓測速元件分標準型皮托管和非標準型皮托管2類。標準型皮托管在使用時具有諸多局限性：首先，標準型皮托管主要用于實驗室內測量清潔氣流和含塵濃度小于0.05mg/kg的氣流流速；其次，安裝時要求全壓孔對準氣流方向，靜壓孔在氣流的垂直方向上，因此對標準L型皮托管安裝要求較高，氣流的風偏角不能大于3°[1-2]；第三，測試風道內的平均流速需要多個測速元件按照相關標準同時布置在風道斷面上，對于比較細小的管道，特別是在管道四周比較狹窄，安裝空間不足的情況下，使用標準型皮托管具有相當大的局限性；最后，在風道氣流具備雙向流動特性的特殊情況下，標準型靠背管完全不適用。因此，對非標準測速元件的開發，特別是對結構簡單、制造使用方便和適用于工程應用測速元件的開發顯得尤為重要。

孫志強等人利用流場數值分析、結合實驗等手段研究了一種改良S型皮托管的流速系數，并分析了馬赫數對流速系數的影響[3]。張澄、趙秀英等研究了各種形式的單支測壓探頭，對各種不同形狀的探頭，在不同的流速和來流方向下分析流速系數變化規律；最后確定彎頭形式的單只探頭(見圖1)壓力系數在不同的速度之下變化很小，對氣流方向的敏感程度也很小，在許多單支探頭中是較佳的全壓孔形式[4]。最佳的背壓孔布置在了直管段背風側[5]，這種形式的靠背管形式新穎，但不是對稱結構，不能解決雙向流問題。

圖1 最優全壓孔單只探頭形式

為解決動車組底板和部分通風通道流速方向變化、安裝空間狹小而無法采用傳統測速儀器的問題，本文研制的T型靠背管采用彎頭式靠背管形式，由兩根具有最優全壓孔探頭同徑管背靠背焊接而成，其示意圖如圖2所示，具有全壓孔形式，而且結構對稱可滿足雙向流測試的需要，是一種新型的測速元件；并且在嚴格標定和適當修正后，可達到較高的測量精度。

圖2 T型靠背管示意圖

1 靠背管原理

靠背管為非標準測量元件，但其原理與標準皮托管原理相近，其流速系數受結構尺寸和安裝角度等影響，在使用前必須對流速系數進行標定；測速管流速系數是與標準靜壓皮托管在勻速風洞內進行對比標定中得到的[6]，對于靠背管的伯努利方程表達式如公式(1)所示，標準皮托管伯努利方程如公式(2)所示[7]。

假設氣流的大小和方向都不變的情況下，公式(3)中的ζ0，pd都是由標準皮托管的特性決定的，而不同形式流速管上測壓孔形狀所測得的ΔpS值是有差異的，直接影響流速系數[4]；

(1)

(2)

式中：ζ0為標準靜壓皮托管的校正系數，一般在0.99～1.01之間;Δpd為標準靜壓皮托管的壓差值 (即動壓);ΔpS為靠背管的壓差值。

由公式(1)和公式(2)可得到靠背管流速系數表達公式為：

(3)

2 T型靠背管特性研究

對T型靠背管特性研究包含2方面內容，一是結構尺寸優化，如靠背管彎頭段的長度等；二是靠背管敏感度研究，如靠背管彎頭段與風速偏角對流速系數的影響等。在風洞試驗中對以上2個問題及靠背管流速系數進行了標定試驗，將靠背管固定在支架上，放入風洞內進行標定，靠背管支架為柵型結構(見圖3)，采用這種形狀的原因是：一方面透風率比較高，阻塞效應小；另一方面支架上可放置多種形式的靠背管[8]。將靠背管連接至動態壓差傳感器后，即可進行流速系數的標定。

(4)

圖3 T型靠背管風洞內標定實物圖

2.1長徑比L/D對流速系數影響研究

表1 不同彎管段長度流速系數測試數據

圖4 不同彎管段長度流速系數變化規律

2.2流速對流速系數的影響

彎管段長度L=5mm的靠背管流速系數對風速的變化敏感程度比較小，但標定的最高動壓為138Pa，流速約為15m/s。為了能夠更大范圍的對風速管進行標定，并研究其流速系數的變化規律，在風洞內對彎管段長度5mm的靠背管進行了最高動壓為353Pa，流速約為24m/s的標定試驗，約每3m/s為一個速壓差，將標定得到的壓差及由公式(4)得到的流速系數列于表2。

表2 流速系數標定數據

2.3風偏角對流速系數的影響

靠背管工作時應該保持全壓端對準來流方向，背壓端完全背對來流方向，靠背管的彎管段軸線方向與氣流方向一致。在實際測試過程中我們并不能保持這一絕對精度，總會有所偏差，彎管段的軸線與來流速度的偏角對流速系數會有影響[10-11]。為研究風偏角對流速系數的影響，將靠背管安裝座安裝在由步進電機控制的轉臺上，通過旋轉轉臺改變靠背管風偏角大小。采用的步進電機型號為雷賽86HS45，該電機步距角為1.8°，配上細分驅動器后其步距角可細分256倍，精度較高。以5°為一個角度間隔，測試的水平偏角為別為0°、5°、10°和15°。靠背管偏角示意圖如圖4所示，測試壓差及由公式(4)得到的流速系數分別列于表3。

圖5 靠背管與風速夾角示意圖

表3不同風偏角下流速系數測試結果

Tabel3Testdataofthevelocitycoefficientunderdifferentwindyawangles

Δpd/Paθ/°73132223ΔpSa2sΔpSa2sΔpSa2sa2s-0960．7531770．7383020．7310．7415970．7451780．7343040．7260．735101010．7161910．6843220．6860．695151040．6951940．6743290．6710．680

圖6 流速系數隨風偏角變化規律

3 靠背管在流量測試試驗中的應用

3.1測點布置

將動車組換氣裝置新風口從車底設備艙內部移至列車風擋外端墻空隙處后，為考核新風流量能否滿足設計要求，需要對新風通道內的新風流量進行測試。

動車組新風風道位于設備艙底部，利用多根靠背管同時測試管道內多點的實時流速，利用算術平均的處理方法得到風道內的平均流速，進而得到新風風道截面流量。新風風道的截面形狀為一矩形，截面尺寸為163mm×156mm，高于120km/h運行工況下新風額定流量為1440 m3/h，測試布點實物圖如圖7所示，測試結果列于表4。

根據GB10178-2006《工業通風機現場性能試驗》中規定，對于矩形截面流量測點應按照切貝切夫法布置[13]，實際工程應用中，此法布置測點過多，造成阻塞比過大，影響測試結果，需進行簡化。根據現場條件，新風風道截面接近正方形，直管段較長，而且流速較為穩定，因此新風風道中心附近流速能很好地反映風道內流場情況；根據切貝切夫法在0.5L處，沿高度方向在0.288H和0.712H處布置兩個流速測點；在0.5H處，沿長度方向，在0.235L和0.765L處布置兩個流速測點，共布置4個流速測點，測點布置示意圖如圖8所示。將4個測點各自測試得到的流速平均后得到所測試截面的平均流速，由公式(5)計算即可得到該截面的流量。

(5)

圖7 流量測試布點實物圖

圖8 布點示意圖

3.2試驗結果

以上4個測點的風速取平均值后，作為矩形截面的平均流速，與面積的乘積即為該風道的流量值，將現場實車試驗測試數據列于表4，以此來說明該新型靠背管測試的精度及穩定性。

表4 流量測試數據

試驗中根據T型靠背管的標定流速系數，通過測試靠背管兩管內的壓差，通過公式(1)得到風道內的空氣流速，再根據公式(5)得到風道垂直截面內的空氣流量。由測試的結果可以看出，測得的流量值和額定風量1440m3/h相差均在4.03％以內，最小相差-0.28％。

4 結 語

本文針對動車組底板和部分通風通道流速方向變化、安裝空間狹小而無法采用傳統測速儀器的問題，研制了一種新型的測速元件，運用風洞標定的試驗方法研究了其特性，得出了最佳的彎管段長度以及最佳彎管段下的流速系數，并且研究了風偏角對其流速系數的影響，得到了流速系數隨風偏角變化規律，并且在動車組新風通道的流量測量中應用了這一測速元件，其結構簡單，適用性較強，工作穩定可靠，未出現測壓孔被堵塞等現象，且測試結果準確，精度較高。

參考文獻:

[1]國家質量技術監督局.JJG518-1998 皮托管檢定規程[S].北京: 國家標準化管理委員會,1998：2-3.

General Administration of Quality and Technical Supervision of the People’s Republic of China.JJG518-1998 Verification Regulation of Pitot Tubes[S].Beijing: Standardization Administration of the People’s Republic of China,1998：2-3.

[2]Melick,Todd,Sommer,Todd.Instrumentation for measuring air/gaseous flow in hot dusty process streams[J].Technical Papers of ISA,2005,459:203-216.

[3]孫志強,鄭劍武.類S型皮托管及其測量特性研究[J].傳感器與微系統,2007,26(5): 40-42.

Sun Zhiqiang,Zheng Jianwu.Study on quasi-S type pitot tube and its measurement characteristic[J].Transducer and Micro System Technologies,2007,26(5): 40-42.

[4]張澄,趙秀英.含塵氣流測速管的研究與開發[J].通風除塵,1996,(4): 1-4.

Zhang Cheng,Zhao Xiuying.Research and development of the tube to test velocity of the duty airflow[J].Building Energy & Environment,1996,(4): 1-4.

[5]張澄,趙秀英.JS型測速管的研究[J].同濟大學學報,1995,23(6): 706-711.

Zhang Cheng,Zhao Xiuying.Research on JS type pitometer[J].Journal ofTongji University,1995,23(6): 706-711.

[6]王子延.熱能與動力工程測試技術[M].西安: 西安交通大學出版社,1998: 99-104.

Wang Ziyan.The test technology ofthermal and dynamic engineering[M].Xian: XI’AN Jiao Tong University Press,1998: 99-104.

[7]祝賀,汪文晃.S型皮托管的性能研究[J].通風除塵,1995,(1):1-6.

Zhu He,Wang Wenhuang.Character research on S type pitometer[J].Building Energy & Environment,1995,(1): 1-6.

[8]Wecel D,Chmielniak T,Kotowicz J.Experimental and numerical investigations of the averaging Pitot tube and analysis of installation effects on the flow coefficient[J].Flow Measurement and Instrumentation,2008,19(5): 301-306.

[9]Zhu Ying,Wang Yang,Wang Xiaohua.Numerical simulation of the effect of section size on averaging pitot tube[J].Applied Mechanics and Materials,2012,188: 277-282.

[10]孫志強,周孑民.皮托管測量影響因素分析I.檢測桿與安裝角的影響[J].傳感技術學報,2007,20(3): 690-693.

Sun Zhiqiang,Zhou Jiemin.On the influencing factors in a pitot tube measurement I.influence of air horn and mounting angle[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2007,20(3):690-693.

[11]楊歡,秋實.探頭偏轉角對皮托管測速精度影響分析[J].測控技術,2012,31(10): 12-15.

Yang Huan,Qiu Shi.Impact analysis of the probe deflection angle to the pitot-tube in velocity measurement accuracy[J].Measurement & Control Technology,2012,31(10):12-15.

[12]Sun Zhiqiang,Li Zhiyong,Zheng Jianwu.Influence of improper installation on measurement performance of pitot tube[J].2009 International Conference on Industrial Mechatronics and Automation,2009: 53-56.

[13]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB10178-2006 工業通風機現場性能試驗[S].北京: 國家標準化管理委員會,2006: 27-38.

General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China.GB10178-2006 Industrial fans-Performance testing in situ[S].Beijing: Standardization Administration of the People's Republic of China,2006: 27-38.

作者簡介:

許良中(1983-)，男，江蘇徐州人，博士研究生。研究方向：列車空氣動力學。通信地址：湖南省長沙市韶山南路22號中南大學鐵道校區交通運輸工程學院高速列車研究中心(410075)。E-mail：xuliangzhong1@126.com