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(xué)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(yīng)用最為廣泛，因為其造價低、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，無可動部件等特點而廣泛應(yīng)用于測量封閉管道中。文丘里流量計測量管路中穩(wěn)定流動狀態(tài)下，以伯努利方程和質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，而在瞬變流動狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)流動時的數(shù)學(xué)模型并不適用，流量測量會產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)信號的遠傳，流量系數(shù)能夠達到0.98 左右。文丘里流量計廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域用于流量的測量。

流體力學(xué)是理工院校相關(guān)專業(yè)必修課程。流體力學(xué)實驗是流體力學(xué)課程中不可或缺的實踐環(huán)節(jié)[2-5]。很多工科專業(yè)都是以培養(yǎng)出應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型的高水平人才為目標(biāo)，因此實踐性環(huán)節(jié)的作用顯得尤為突出[6-7]。結(jié)合專業(yè)特點，對流體力學(xué)實驗教學(xué)進行改革增加自主創(chuàng)新實驗項目，提高學(xué)生實做興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。本文圍繞文丘里實驗，自主設(shè)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(xiàn)的誤差進行了詳細分析，經(jīng)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(shè)計

經(jīng)過反復(fù)查閱資料，認真分析國內(nèi)各個文丘里流量計生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)，為了研究文丘里流量計不同傾角對精度的影響及改進，設(shè)計加工以下幾組不同規(guī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，經(jīng)過計算，結(jié)果見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)過計算，結(jié)果見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。經(jīng)過計算，結(jié)果見表3。

通過以上數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：喉管長度、喉管直徑是影響文丘里管阻力的主要因素，當(dāng)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(shù)據(jù)整理計算表

4 數(shù)據(jù)分析與處理

通過數(shù)據(jù)分析，可以得出一些基本結(jié)論，為進一步分析文丘里不同傾角之間的關(guān)系，分別繪出幾組數(shù)據(jù)的qv～Δh 的關(guān)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(jié)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(shù)據(jù)較為合理，能量損失最小。

5 實驗結(jié)論

對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，可以得出以下結(jié)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(guān)，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(yīng)選在喉管1/2 長度軸截面。

（3）當(dāng)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(shù)據(jù)較為合理，能量損失最小。

圖2 第一組qv～Δh 的關(guān)系曲線

圖3 第二組qv～Δh 的關(guān)系曲線

圖4 第三組qv～Δh 的關(guān)系曲線