螺旋流场的特性评价装置及方法与流程

本发明涉及螺旋流场评价相关技术领域，尤其涉及一种用于评价螺旋流场的特性的装置，还涉及一种基于该装置的螺旋流场的旋流强度的评价方法，以及一种基于该装置的螺旋流场的旋流耗散长度的评价方法。本发明特别适用于各类管道或者环空内产生的螺旋流场的旋流强度及旋流耗散长度(衰减特性)进行评价和研究。

背景技术：

生产实践过程中经常会遇到流动区域内(尤其是管道或者环空内)存在螺旋流场的情况。螺旋流场的旋流强度通常是一个比较关心的因素，它的大小与流场的边界条件、初始条件以及流体的物性紧密相关。实践中对于不同因素影响下的旋流强弱的比较以及旋流耗散长度(或称为传播的长度)还没有一个确定的理论与模型。现有理论多是基于数值模拟方面的研究，而研究成果与实际情况有一定的差别。

因此，亟需一种用于评价螺旋流场的特性的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于评价螺旋流场的特性的装置，并提供基于该装置的螺旋流场的旋流强度和旋流耗散长度的评价方法。

根据本发明的第一个方面，提供了一种螺旋流场的特性评价装置，其包括：

用于测量流体中的螺旋流场在被测位置的切向流速的流速测量装置；以及

用于根据所述切向流速评价所述螺旋流场的特性的控制器。

优选的是，所述流速测量装置包括：

设置在流体内部的转轴，所述转轴的轴向与所述螺旋流场在被测位置的切向流向垂直；

设置在所述转轴上的叶轮，所述叶轮在所述螺旋流场的带动下围绕所述转轴 转动；所述叶轮包括沿圆周方向设置在所述转轴的外表面上的多个叶片部；其中，所述叶片部包括叶片和连接杆，所述叶片通过所述连接杆固定在所述转轴的外表面上；

设置在所述转轴上的转速传感器；以及

用于根据所述转速传感器的输出信号确定所述螺旋流场在所述被测位置的切向流速的处理器。

优选的是，所述叶片部等间隔地设置在所述转轴的外表面上。

优选的是，所述叶轮包括至少3个所述叶片部。

优选的是，所述叶片的表面垂直于所述螺旋流场在被测位置的切向流向设置。

优选的是，所述流速测量装置还包括壳体，所述转轴位于所述壳体的内部，并且所述转轴的两端与所述壳体的内侧壁可转动连接；

所述流体位于流道内；所述壳体与所述流道的外侧壁固定连接；所述流道的外侧壁对应所述壳体的位置开设有缺口，所述叶轮的叶片贯穿所述缺口伸入至所述螺旋流场内，以使所述叶轮在螺旋流场的带动下围绕所述转轴转动。

优选的是，所述流道为管道或者环空。

根据本发明的第二个方面，提供了一种基于上述特性评价装置来评价螺旋流场的旋流强度的方法，其包括：

在流体中产生分别满足多个预设要求的多个螺旋流场；

依次对于每个螺旋流场，利用所述流速测量装置测量所述螺旋流场在被测位置的切向流速，所述被测位置邻近所述流道的内壁面设置；

根据所述切向流速来评价所述螺旋流场的旋流强度。

根据本发明的第三个方面，提供了一种基于上述特性评价装置来评价螺旋流场的旋流耗散长度的方法，所述特性评价装置包括沿流道的长度方向布设的多个相同的流速测量装置，各所述流速测量装置用于测量流体中的螺旋流场在同一预设深度的切向流速；

所述评价螺旋流场的旋流耗散长度的方法包括：

在流道内的流体中产生满足一预设要求的螺旋流场；

分别利用各所述流速测量装置测量所述螺旋流场在所述预设深度的切向流速；

根据测量的所有切向流速来评价产生的螺旋流场的旋流耗散长度。

优选的是，各所述流速测量装置沿所述流道的长度方向等间隔布设。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提供了一种安全可靠、准确性高、使用方便、成本低廉的实时连续评价螺旋流场的特性的装置，利用该装置能对按需产生的螺旋流场的特性进行有效、准确的评价。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例螺旋流场的特性评价装置的结构示意图；

图2示出了图1中所示的流速测量装置的俯视图；

图3示出了流速测量装置沿图2所示的B-B方向的剖面示意图；

图4示出了流速测量装置沿图2所示的A-A方向的剖面示意图；

图5示出了图3和图4所示的叶片部的结构示意图；

图6示出了本发明实施例评价螺旋流场的旋流强度的方法的流程示意图；

图7示出了利用图6所示的方法评价管道内螺旋流场的旋流强度的示意图；

图8示出了利用图6所示的方法评价环空内螺旋流场的旋流强度的示意图；

图9示出了本发明实施例评价螺旋流场的旋流耗散长度的方法的流程示意图；

图10示出了利用图9所示的方法评价管道内螺旋流场的旋流耗散长度的示意图；以及

图11示出了利用图9所示的方法评价环空内螺旋流场的旋流耗散长度的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明所要解决的技术问题是：现有技术难以对螺旋旋流的特性进行评价。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种螺旋流场的特性评价装置。在该装置的基础上，通过实验对根据需要产生的螺旋流场的特性进行评价。具体地，可直接采用最接近实际工况的初始条件、边界条件以及流体，直接产生所要的螺旋流场，然后利用测量装置对螺旋流场的旋流强度进行评价与研究。

如图1所示，是本发明实施例螺旋流场的特性评价装置的结构示意图。本发明实施例的螺旋流场的特性评价装置，主要包括流速测量装置10和控制器20。

在本实施例特性评价装置开始工作之前，首先需要通过改变螺旋流场的初始条件、边界条件以及流体特性等一个或者多个参数，来在流道中产生不同旋流强度的螺旋流场。

流速测量装置10，用于实时测量当前产生的螺旋流场在预设的被测位置的切向流速。关于该流速测量装置10的具体结构，将在下文中结合图2至图5进行详细阐述。

控制器20，主要根据流速测量装置10实时采集的螺旋流场在被测位置的切向流速来评价该螺旋流场的特性。本发明实施例涉及的螺旋流场的特性，主要包括螺旋流场的旋流强度和/或螺旋流场的旋流耗散长度。

本发明实施例螺旋流场的特性评价装置的工作时，由流速测量装置10(流速测量装置10可以是一个，也可以是多个)实时测量所产生的螺旋流场在被测位置的切向流速，然后由控制器20根据测得的切向流速来评价螺旋流场的特征，例如螺旋流场的旋流强度和螺旋流场的旋流耗散长度。

本发明实施例克服了现有技术中难以评价螺旋旋流的特性的缺陷，提供了一种安全可靠、准确性高、使用方便、成本低廉的实时连续评价螺旋流场的特性的装置，利用该装置能对按需产生的螺旋流场的特性进行有效、准确的评价。

参照图2至图5，是上述特性评价装置中流速测量装置10的示意图。本实施例中流速测量装置10包括转轴3、叶轮、转速传感器5和处理器6。

具体地，转轴3设置在流体的内部。叶轮设置在转轴3上。所述转轴3的轴 向与所述螺旋流场在被测位置的切向流向垂直。该叶轮在螺旋流场的带动下围绕转轴3转动。转速传感器5设置在转轴3上，用于实时测量转轴3的转速。处理器6与转速传感器5电连接，以实时接收转速传感器5的输出信号，并根据该输出信号确定螺旋流场在被测位置的切向流速。

叶轮包括沿圆周方向设置在转轴3的外表面上的多个叶片部4。如图5所示，每个叶片部4包括叶片42和连接杆41，叶片42通过连接杆41固定在转轴3的外表面上。叶片42的截面形状优选为椭圆形。在具体实施过程中，在保证连接强度的基础上，可以尽可能地减少连接杆41的体积(将连接杆41加工成细连杆)，以最大程度上减少对原有流场的影响。

在使用上述流速测量装置10时，需根据上述被测位置确定设置转轴3的位置，以使安装在转轴3上的所有叶片42在围绕转轴3转动的过程中均经过该被测位置。这样，螺旋流场的来流推动叶片42，带动叶轮围绕转轴3旋转，使转轴3达到一定的转速，转速传感器5捕捉到转轴3的角速度，并将相应的输出信号供处理器6处理、存储。具体地，处理器6根据接收到的转轴3的角速度w(单位为rad/s)以及预先存储的叶轮的转动半径r，即可根据线速度计算公式v＝r×w获得叶片42的线速度v(单位为m/s)。该线速度v也最能反映所在的螺旋流场在被测位置的切向流速。

上述流速测量装置10的工作原理为：螺旋流场带动叶轮围绕转轴3转动，通过实时检测转轴3的角速度，并将该角速度转化为线速度，即可得到螺旋流场在被测位置的切向流速。在工作过程中，由于本实施例的流速测量装置10的结构简单、体积较小，其独特的叶片细连杆设计把对螺旋流场的扰动降到最低，从而大大减少了对原有流场的破坏程度，提高了流速测量的精度。因此，相比于现有技术中的接触式流速测量装置，本实施例中的流速测量装置10能够实时、较准确、连续地测量螺旋流场在被测位置的切向流速。另外，该流速测量装置10的结构简单、安全可靠、成本低廉且便于实现。

在本发明一优选的实施例中，叶轮具有的所有叶片部4等间隔地设置在转轴3的外表面上。叶轮具有至少3个叶片部4。叶片部4的设置数目可根据具体实施情况具体设置，一般设置为3至5个。参照图3和图4，叶轮具有3个叶片部4。3个叶片部4等角度地设置在转轴3的同一个圆周上。也就是说，每相邻的两个叶片部4的连接杆41的夹角均为120°。

为进一步提高流速测量装置10的准确性，即为了使转轴3的线速度尽可能地接近螺旋流场在被测位置的切向流速，在本发明一优选的实施例中，叶片42的表面垂直于螺旋流场在被测位置的切向流向(如图3中的箭头P所示)设置。即，每片叶片42的表面与所在螺旋流场在被测位置的来流方向垂直，这样可保证流体流动最大限度地推动叶片42旋转。在具体实施过程中，尽量保证叶片42的表面垂直于来流方向设置。

参照图2至图5，本实施例所述的流速测量装置10还包括截面呈长方形的壳体2。转轴3位于壳体2的内部，并且转轴3的两端与壳体2的内侧壁可转动连接。特别地，转轴3的端部与壳体2的内侧壁垂直连接。

另外，流体位于流道1内。流道1可以是管道或者环空等适合本装置安装与使用的任何流道。流速测量装置10的壳体2与流道1的外侧壁固定连接。具体地，流道1的外侧壁对应壳体2的位置开设有缺口，壳体2的下端面的尺寸和形状与缺口的尺寸和形状相匹配，以使该壳体2的下端面与缺口固定连接。叶轮的叶片42贯穿缺口伸入至螺旋流场内，并到达上述被测位置，以使叶轮在螺旋流场的带动下围绕转轴3转动。特别地，在壳体2与流道道1的外侧壁固定连接处设置有密封部(附图中未示出)，以使壳体2与流道1之间达到密封效果，从而流速测量装置10与流场构成一个整体密闭的空间，提高了测量精度。

在本发明一优选的实施例中，处理器6为中央处理器(CPU,Central Processing Unit)、嵌入式处理器(DSP,Digital Signal Process)、可编程逻辑控制器(PLC,Programmable Logic Controller)或单片机等能执行信号采集和逻辑处理的硬件设备。

本发明实施例中的流速测量装置10的结构如上述，但整体大小尺寸可灵活设计，可针对不同管径、不同流场的几何特征，在功能、精度和材料许可的情况下，具体设计为结构相同但大小不同的各种尺寸。

相应地，本发明实施例还提供了一种基于上述特性评价装置的螺旋流场的旋流强度的评价方法。在本实施例中，首先按需产生具有不同旋流强度的螺旋流场，特性评价装置仅包括一个流速测量装置10，流速测量装置10用于测量各个螺旋流场的近壁面(邻近流道1的上壁面的位置)的切向流速。针对每个产生的螺旋流场，控制器20根据测得的近壁面的切向流速，来评价所产生的螺旋流场的旋流强度。

图6示出了该螺旋流场的旋流强度的评价方法的流程示意图。参照图6，本实施例螺旋流场的旋流强度的评价方法，主要包括步骤101至步骤103。

在步骤101中，在流体中产生分别满足多个预设要求的多个螺旋流场。

在步骤102中，依次对于产生的每个螺旋流场，利用流速测量装置10测量螺旋流场在被测位置切向流速，被测位置邻近流道1的内壁面设置。

在步骤103中，根据切向流速来评价产生的螺旋流场的旋流强度。

应用本实施例的旋流强度的评价方法，当改变螺旋流场的初始条件、边界条件以及流体特性等一个或者多个参数时将会产生不同强度的螺旋流场，利用流速测量装置10和控制器20针对不同的螺旋流场分别进行采集、记录与存储，得到随某一个或某多个参数变化的表征旋流强度的一系列螺旋流场在壁面附近的切向流速，切向流速越大，旋流强度越大。通过分析对比切向流速(线速度)的大小即可优化各流动参数，使得在某一个或几个条件下产生的螺旋流场的旋流强度最大或最小。

下面结合图7和图8，分别阐述应用本实施例所述的旋流强度的评价方法来评价管道中和环空中的螺旋流场的旋流强度。

参照图7，是利用图6所示的方法评价管道内螺旋流场的旋流强度的示意图。当旋流较强时，旋流使叶轮转速变快，根据线速度公式可得旋转叶片42的线速度，从而可反映出与叶片表面垂直的旋流的切向流速。当改变某一个或几个流动条件致使旋流强度发生改变时，采集到的叶轮的转速将会变化，从而通过线速度公式计算可得到与叶片表面垂直的来流的切向流速的变化，通过与之前的切向流速的比较可评价改变条件后的旋流强度。

参照图8，是利用图6所示的方法评价环空内螺旋流场的旋流强度的示意图。本实例最具代表性的应用场合为评价石油工程中旋流扶正器在环空中产生的旋流强度。因此可以利用本发明的评价装置和方法对各类旋流扶正器的导流槽形状进行优化，使环空流体通过该旋流扶正器后压耗减小不多，并且旋流强度明显增大，这有利冲刷井壁泥饼，提高固井水泥浆的顶替效率。

相应地，本发明实施例还提供了一种基于上述特性评价装置的螺旋流场的旋流耗散长度的方法。在本实施例中，首先按需产生一种具有特定旋流强度的螺旋流场。特性评价装置包括多个流速测量装置10。多个流速测量装置10沿用于容置流体的流道1的长度方向进行布设。所有流速测量装置10的属性(例如尺寸、 状态等)一致，并且要确保所有流速测量装置10测量的流体深度相同，即叶片42到达流道1壁面以下流场内部同样的深度。各个流速测量装置10将所测的各自位置相同深度的切向流速分别发送给控制器20，由控制器20根据各个流速测量装置10返回的不同位置同一深度的切向流速，来评价螺旋流场的旋流耗散长度。

图9示出了该螺旋流场的旋流耗散长度的评价方法的流程示意图。参照图9，本实施例螺旋流场的旋流耗散长度的评价方法，主要包括步骤201至步骤203。

在步骤201中，在流道内的流体中产生满足一预设要求的螺旋流场。

在步骤202中，分别利用各流速测量装置10测量螺旋流场在预设深度的切向流速。

在步骤203中，根据测量的所有切向流速来评价产生的螺旋流场的旋流耗散长度。

应用本实施例所述的螺旋流场的旋流耗散长度的评价方法，需要在多个不同位置按照要求布置多个流速测量装置10，同时根据不同测点位置处的切向流速来评价不同位置的旋流强度或者螺旋流场随流动传播的旋流耗散长度(衰减特性)。

在本发明一优选的实施例中，各流速测量装置10沿流道1的长度方向等间隔布设。

下面结合图10和图11，分别阐述应用本实施例所述的旋流耗散长度的评价方法来评价流道中和环空中的螺旋流场的旋流耗散长度。

参照图10，是利用图9所示的方法评价管道内螺旋流场的旋流耗散长度的示意图。当螺旋流进入管道内时，随着行程的增长，螺旋流逐渐衰减，旋流强度逐渐减弱。因此沿程可布置多个流速测量装置10进行采集，这样可评价某一特定螺旋流随行程增加的旋流强度衰减特性。当涉及多个流速测量装置10一同使用时，一定要确保这些装置的所有尺寸一致，并且要确保叶片42到达壁面以下流场内部同样的深度。

参照图11，是利用图9所示的方法评价环空内螺旋流场的旋流耗散长度的示意图。当螺旋流进入环空内时，随着行程的增长，螺旋流逐渐衰减，旋流强度逐渐减弱。因此沿程可布置多个流速测量装置10进行采集，这样可评价某一特定螺旋流随行程增加的旋流强度衰减特性。当涉及多个流速测量装置10一同使用时，一定要确保这些装置的所有尺寸一致，并且要确保叶片42到达壁面以下流 场内部同样的深度。

综上所述，本发明实施例能够有效、准确地评价螺旋流场的特性，从而能够准确指导实际作业中各部件属性(例如旋流扶正器的导流槽形状)的优化；评价方法灵活，可以应用一个流速测量装置10来评价，也可以应用多个流速测量装置10来评价。采用的流速测量装置10的特点包括：属于接触式测量装置，根据流动方向安装，方便使用，能够实时、连续、准确地测量局部流场的局部瞬时流速，原理简单，使用方便，通过测量叶轮转速，换算成叶片42的线速度，即为旋流流场在被测位置的切向流速；独特的叶轮细连杆设计，把对流场的扰动降到最低，从而提高测量精度，可根据实际流场的几何尺寸合理设计整体装置的尺寸大小，便于安装，比其他测量平均流速的装置精度高，能够敏感到流场内部不同区域流体的流速变化。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。