文丘里不同傾角對實驗精度影響研究

張曉麗，許怡寧

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

1 概述

實驗室常見的壓差式流量計主要有三種：文丘里流量計、孔板流量計和噴嘴流量計。其中孔板流量計應用最為廣泛，因為其造價低、結構簡單、安裝方便，無可動部件等特點而廣泛應用于測量封閉管道中。文丘里流量計測量管路中穩定流動狀態下，以伯努利方程和質量守恒為基礎建立數學模型，而在瞬變流動狀態下，穩態流動時的數學模型并不適用，流量測量會產生很大的誤差[1]。和另外兩種流量計比較，它的能量損失最小，并且能夠實現信號的遠傳，流量系數能夠達到0.98 左右。文丘里流量計廣泛應用于各個領域用于流量的測量。

流體力學是理工院校相關專業必修課程。流體力學實驗是流體力學課程中不可或缺的實踐環節[2-5]。很多工科專業都是以培養出應用型、復合型、創新型的高水平人才為目標，因此實踐性環節的作用顯得尤為突出[6-7]。結合專業特點，對流體力學實驗教學進行改革增加自主創新實驗項目，提高學生實做興趣，培養學生創新能力。本文圍繞文丘里實驗，自主設計并制作了三種不同傾角文丘里流量計，并對流量計精度進行實驗測試。對可能出現的誤差進行了詳細分析，經過多次精細實驗討論文丘里不同傾角對實驗精度的影響。

2 文丘里實驗設計

經過反復查閱資料，認真分析國內各個文丘里流量計生產廠家提供的參數，為了研究文丘里流量計不同傾角對精度的影響及改進，設計加工以下幾組不同規格的文丘里流量計，具體情況如圖1 所示：

圖1 不同傾角文丘里管

從前至后，文丘里流量計尺寸依次為：

（1）喉口直徑：0.8cm，收縮的前傾角：15°，擴展的后傾角：15°。

（2）喉口直徑：1.05cm，收縮的前傾角：10°，擴展的后傾角：15°。

（3）喉口直徑：0.7cm，收縮的前傾角：17.5°，擴展的后傾角：15°。

3 實驗數據及圖表分析

3.1 第一組實驗

喉口直徑：0.8cm，收縮的前傾角：15°，擴展的后傾角：15°。

表1 為水溫 22.5℃管徑 d1=1.4cm，d2=0.8cm 條件下測取數據，經過計算，結果見表1。

表1 實驗數據整理計算表

3.2 第二組實驗

喉口直徑：1.05cm，收縮的前傾角10°，擴展的后傾角15°。

表1 為水溫22.5℃管徑d1=2.0cm，d2=1.05cm 條件下測取數據經過計算，結果見表2。

表2 實驗數據整理計算表

3.3 第三組實驗

喉口直徑：0.7cm，收縮的前傾角：17.5°，擴展的后傾角：15°。

表3 為水溫 22.5℃管徑 d1=1.4cm，d2=0.7cm 條件下測取數據。經過計算，結果見表3。

通過以上數據分析可以得出以下結論：喉管長度、喉管直徑是影響文丘里管阻力的主要因素，當文丘里管喉口與均勻段壓差減小時，能量損失增大。

表3 實驗數據整理計算表

4 數據分析與處理

通過數據分析，可以得出一些基本結論，為進一步分析文丘里不同傾角之間的關系，分別繪出幾組數據的qv～Δh 的關系曲線，具體如下圖2-4 所示。

通過以上圖表分析可以得出以下結論：收縮角在10°～21°，喉道平直段長度等于喉道直徑，擴張角為15°左右時能量損失最小。喉口直徑d1與均勻段直徑d2之比約為1/2 時實驗數據較為合理，能量損失最小。

5 實驗結論

對實驗數據進行整理分析，可以得出以下結論：

（1）從以上實驗可以得出喉管長度、喉管直徑是影響文丘里管阻力的主要因素，實驗（水為流體）的μ 值大小與 qv、d1、d2、Δh 有關，其中 d1、d2影響最敏感。

（2）文丘里流量計，其前、后兩靜壓測孔分別布置在文丘里管入口管壁處、喉管1/2 長度管壁處較為合理，流量計算截面應選在喉管1/2 長度軸截面。

（3）當文丘里管喉口與均勻段壓差減小時，能量損失增大。

（4）收縮角在 10°～21°，喉道平直段長度等于喉道直徑，擴張角為15°左右時能量損失最小。

（5）喉口直徑d1與均勻段直徑d2之比約為1/2 時實驗數據較為合理，能量損失最小。

圖2 第一組qv～Δh 的關系曲線

圖3 第二組qv～Δh 的關系曲線

圖4 第三組qv～Δh 的關系曲線