非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置及测试方法与流程

本发明属于液体量测技术领域，特别涉及管道内壁沿程阻力系数的测试装置及测试方法。

背景技术：

在管道输送液体过程中，管道内壁沿程阻力系数是表征液体沿程所受阻力大小的一个量纲。管道内为层流时的管道内壁沿程阻力系数已有理论公式计算，但管道内壁为紊流时的管道内壁沿程阻力系数至今尚无理论公式计算，需要通过实验测试得到。现有测定管道内壁沿程阻力系数的方法是向被测管道内通入恒定流，用流量计测得管道的流量，用测压管或压力传感器测得水头损失，然后计算出管道内壁沿程阻力系数。由于这种方法一次只能测得一个特定液体流速下的管道内壁沿程阻力系数，因此若要得到液体不同流速对应的管道内壁沿程阻力系数，尤其紊流条件下的沿程阻力系数，则需要进行多次实验，不但操作时间长，而且测试的准确度也有待提升。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种非恒定流下管道内壁沿程阻力系数的测试装置及测试方法，以便能快速、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。

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；所述高水位水箱的一侧壁下部设置有出水孔，所述低水位水箱的一侧壁下部设置有进水孔，并安装有可开启或关闭进水孔的水闸，低水位水箱的与设置进水孔的侧壁朝向相反的侧壁底部设置有排水孔，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和一个波高处理仪组成，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和压力变送器组成，压力采集器的数量与被测管道上设置的测压孔的数量相同，测试时，各压力采集器分别安装在被测试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。

上述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，所述低水位水箱设置进水孔的侧壁为夹层结构，所述水闸由闸门和连接在闸门上的提把构成，闸门安装在侧壁的夹层中，提把的手持端延伸出侧壁的夹层。

上述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，高水位水箱侧壁下部所设出水孔的中心线与该出水孔所在侧壁宽度方向的中心线垂直并相交，低水位水箱侧壁下部所设进水孔的中心线与该进水孔所在侧壁宽度方向的中心线垂直并相交，低水位水箱侧壁底部所设排水孔的中心线与该排水孔所在侧壁宽度方向的中心线垂直并相交。

上述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，高水位水箱所设出水孔的孔径＝低水位水箱所设进水孔的孔径＝1.6d1～2d1，高水位水箱所设出水孔的中心线与高水位水箱底壁内表面之间的间距＝低水位水箱所设进水孔的中心线与低水位水箱底壁内表面之间的间距＝2d1～3d1，低水位水箱所设排水孔的孔径＝0.6d1～d1，低水位水箱所设排水孔的中心线与低水位水箱底壁内表面之间的间距等于该排水孔的孔径，所述d1为被测管道的内径，单位为cm。

上述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，高水位水箱的长度a1＝宽度b1＝50～70cm，高水位水箱的高度c1＝120～200cm；低水位水箱的长度a2＝宽度b2＝30～50cm，低水位水箱的高度c2＝90～150cm。

本发明所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试方法，使用本发明所述测试装置，步骤如下：

①被测管道的加工

将被测管道的两端加工成喇叭口，在靠近两端喇叭口的管壁上分别加工一个测压孔，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、低水位水箱安放在同一高程上，并使高水位水箱设有出水孔的侧壁与低水位水箱设有进水孔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的出水口中和低水位水箱的进水口中；

将测试装置中的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，并分别将两个波高采集探头通过传输线与波高处理仪连接，将波高处理仪与计算机连接；

在被测管道的各测压孔中分别安装上测试装置中的压力采集器，并将压力采集器通过传输线与压力变送器连接，将压力变送器与计算机连接；

③测试装置的调试

操作水闸关闭低水位水箱的进水孔，并用塞子封堵低水位水箱的排水孔，然后分别向高水位水箱与低水位水箱中注水，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，并记录高水位水箱和低水位水箱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，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和排水孔；

④测试操作

操作水闸关闭低水位水箱的进水孔，并用塞子封堵低水位水箱的排水孔，向高水位水箱和低水位水箱中分别注入与步骤③相同的水量，使高水位水箱与低水位水箱形成与步骤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中高水位水箱和低水位水箱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分别对时间求导，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v_hg，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v_dg，将v_hg和v_dg进行比较，若两个差值的绝对值小于或等于10cm/s，则以v_hg或v_dg来作为被测管道中水流的流速，若两个差值的绝对值大于10cm/s，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求如下：

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，h_f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。

上述达西公式、有压管道非恒定流运动方程见水力计算手册第2版，吴持恭主编第4版。

上述方法中，被测管道两端管壁上加工的测压孔与两端喇叭口端部的间距相等且均为L₂＝2d₁。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种非恒定流下管道内壁沿程阻力系数的测试装置，该装置不仅结构简单，而且便于组装，易于操作。

2.使用本发明所述测试装置和测试方法，一次试验就可快速、准确地测试出一个流速范围内的管道阻力系数。

附图说明

图1为本发明所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数的测试装置的结构示意图及被测管道与所述测试装置的组合示意图。

图2为高位水箱的结构示意图。

图3为低位水箱的结构示意图。

图4为被测管道的示意图。

图5是测试时测试装置的高水位水箱、低水位水箱中水位随时间变化的关系曲线。

图6是测试时被测管道管壁所受水流压强随时间变化的关系曲线。

图7是被测管道的沿程阻力系数与管道中水流流速的关系曲线。

图中，1—高水位水箱，2—低水位水箱，3-1—波高采集探头，3-2—波高处理仪，4水闸，5—高水位水箱的出水孔，6—低水位水箱的进水孔，7—低水位水箱的排水孔，8-1—压力采集器，8-2—压力变送器，9—计算机，10—被测管道，10-1—喇叭口，10-2—测压孔。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数的测试装置及测试方法做进一步说明。

实施例1

本实施例所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置结构如图1-3所示，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的右侧壁下部设置有出水孔5，出水孔的中心线与该出水孔所在侧壁宽度方向的中心线垂直并相交；所述低水位水箱2的左侧壁下部设置有进水孔6，右侧壁底部设置有排水孔7并配备有蓄水时用于封堵排水孔的塞子，进水孔7的中心线与该进水孔所在侧壁宽度方向的中心线垂直并相交，排水孔7的中心线与该排水孔所在侧壁宽度方向的中心线垂直并相交；所述低水位水箱的左侧壁为夹层结构并安装有可开启或关闭进水孔6的水闸4，所述水闸4由闸门和连接在闸门上的提把构成，闸门安装在左侧壁的夹层中，提把的手持端延伸出左侧壁的夹层。

所述波高仪为电容式波高仪，产自中国水利水电科学研究院，量程150cm，水位误差＜±1％F.S(静水位)，该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。

所述压力传感器为CY200数字压力传感器，由压力采集器8-1和压力变送器8-2组成，采样率1次/小时～1000次/秒可调；压力类型表压(0～60Mpa)、绝压(0～50Kpa)、负压(-100Kpa～1Mpa)，综合精度0.1％FS；所述压力采集器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试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。

所述计算机9为普通计算机，安装有与波高仪配套的软件及与压力传感器配套的软件。

本实施例中，测试装置中的高水位水箱1、低水位水箱2的尺寸如下：

高水位水箱：长a₁＝50cm宽b₁＝50cm，高c₁＝150cm

低水位水箱：长a₂＝30cm宽b₂＝30cm，高c₂＝100cm

高水位水箱所设出水孔5的孔径＝低水位水箱所设进水孔6的孔径＝1.7d1，高水位水箱所设出水孔5的中心线与高水位水箱底壁内表面之间的间距＝低水位水箱所设进水孔6的中心线与低水位水箱底壁内表面之间的间距＝2.5d1，低水位水箱所设排水孔7的孔径＝0.8d1，低水位水箱所设排水孔的中心线与低水位水箱底壁内表面之间的间距等于该排水孔的孔径，所述d1为被测管道的内径，单位为cm。

实施例2

利用实施例1所述测试装置测试非恒定流下管道内壁沿程阻力系数的方法，步骤如下：

①被测管道的加工

被测管道10为PVC管道，管道的长度L＝200cm，内径d₁＝5cm，将被测管道的两端加工成喇叭口10-1，喇叭口的最大外径d3＝1.6d1＝8cm，在距两端喇叭口端部的间距为L₂＝2d₁＝10cm的管壁上分别加工一个测压孔10-2，各测压孔的孔径均为0.8cm；

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的右侧壁与低水位水箱设有进水孔6的左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＝20cm，高水位水箱1的注水量控制在高水位水箱水位h1＝110cm，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＝2min，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，设置压力传感器设备的采集频率为1ms，采集时间为2min，波高仪的采集频率为2ms，采集时间为2min；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，并录入excel表格，；

⑤沿程阻力系数的获取

ⅰ.通过计算机将波高仪测到的数据(高水位水箱和低水位水箱中的水位随时间变化的数据)与时间拟合成多项式函数，高水位水箱水位变化的多项式函数为下述(1-1)式：

y＝0.0539t²-2.4878t+0.9504 (1-1)

其中t为时间，y为水位累计变化值；

低水位水箱水位变化的多项式函数为下述(1-2)式：

y＝-0.0123t³-0.0237t²+6.7311t-1.8258 (1-2)

其中t为时间，y为水位累计变化值；

上述多项式函数的曲线如图5所示。

ⅱ.将式(1-1)对时间求导，得到高水位水箱中水流流速的变化情况，由于两水箱的水流速度方向相反(高水位水箱水流速度向下，低水位水箱水流速度向上，方向相反，而正负号表示方向，所以取一个速度的相反数就可以进行大小比较)，对水流速度取相反数，得到高水位水箱中水流流速的变化表达式：

v_h＝-0.10478t+2.4878 (1-3)

其中t为时间，v_h为高水位水箱中水流流速变化值；

将式(1-2)对时间求导，得到低水位水箱中水流流速的变化表达式：

v_d＝-0.0369t²-0.0474t+6.7311 (1-4)

其中t为时间，v_d为低水位水箱中水流流速变化值。

ⅲ.根据低水位水箱中的水流流速由连续性方程v₁A₁＝v₂A₂(1-5)求被测管道中水流的流速v_dg

将A₁＝a₂b₂，v₁＝v_d，带入(1-5)得到

得到

式中，v_dg为低水位水箱水位变化求得的被测管道中水流流速，a₂为低水位水箱的底边长，b₂低水位水箱的底边宽，d₁为被测管道的内径；

将a₂＝30cm，b₂＝30cm，d₁＝5cm和公式v_d＝-0.0369t²-0.0474t+6.7311(1-4)带入公式(1-7)求得被测管道水流速度表达方式为

v_dg＝-1.69t²-2.17t+308.68 (1-8)

根据高水位水箱中的水流流速由连续性方程v₁A₁＝v₂A₂(1-5)求被测管道中水流的流速v_hg将A₁＝a₁b₁，v₁＝v_h，带入(1-5)得到

得到

其中v_hg为高水位水箱水位变化求得的被测管道中水流流速，a₁为高水位水箱的底边长，b₁高水位水箱的底边宽，d₁为测试管道的内径；

将a₁＝50cm，b₁＝50cm，d₁＝5cm和公式v_h＝-0.10478t+2.4878(1-3)带入式(1-10)，求得被测管道中水流速度表达方式为

v_hg＝-13.3t+316.91 (1-11)

由于两水箱的水流速度方向相反，为了便于比较两水箱求得的管道流速，将1-11取相反数得

v_hg＝13.3t-316.91 (1-11)

将(1-11)和(1-8)式计算的同一时间点的v_hg和v_dg进行比较，若两个差值的绝对值小于或等于10cm/s，则以v_hg或v_dg来作为被测管道中水流的流速，若两个差值的绝对值大于10cm/s，表示测试系统有错误，则需检查测试系统，再次进行测试。

ⅳ.将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中的水流流速数据

由有压管道非恒定流运动方程求出被测管道沿程水头损失，有压管道非恒定流运动方程见下式：

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；

被测试管道的两测试点间没有局部水头损失，则水头损失全部为沿程水头损失，将1-12变换得到

其中h_f为被测管道的沿程水头损失；

由于两测试点的高程相同，则平均位能相同，同一非压缩管道流速相同，所以平均动能相同，得

将两测试点测得的被测管道管壁所受水流压强带入(1-14)式，将被测管道中水流流速的表达式(1-11或1-8式)对时间求导求得h_f，再利用达西公式

得到

式中，λ是被测管道内壁的沿程阻力系数，d是被测管道内径，g是重力加速度，l是被测管道的两测点(测压孔)之间的距离；

将d＝5cm，g＝9.8m2/s，l＝L-2*L₂＝180cm带入(1-16)，求得沿程阻力系数λ与被测管道中水流流速v关系曲线，如图7所示。