（水利工程专业论文）时差法超声波流量计在常熟泵站流量测试中的应用研究.pdf

摘要 超声波流毓汁安装灵活，性能稳定，能可靠地测取测线的流速分布，进而 计算得出流量。该技术e lg o 年代以来，在困外水电行业已被广泛应用，我困大 型中、高水头电站近年来出多采门j 超声波测流。但由于泵站与水电站在进出水 结构上有较大区别， 要足大型低扬程轴流泵站进出水流道断面及流态变化复 杂，难以找到流述分布较为均匀的断嘶，从而影响了测流精度，因此，在泵站 测流f j 尚未得到较好的推j 。庸j 】。 本文结合论文作者j 刚寸在常熟泵站管理工作中遇到的实际问题，在对比各 种流量测试技术的基础上，分析时差法超声波流量计的特点，研究其在常熟泵 站以及同类型泵站中运刚的可行性。 本文通过数值计算模拟进水流道内的流态，在儿套方案对比中，寻找到了 流速分布较为均匀的晰丽i ，安装超声波流量玑进行了流量测量。通过测量出 的流量，进而列机组效率等运行参数进行分析，为常熟泵站以及同类型泵站的 同常管理、检查维修、= 0 i l 删改造提供了依掘，较好地解决了在工程管理中遇到 的实际问题。 本文主要的硼i ：究成果有： ( 1 ) 针对大犁低扬程泵站流道形状和断面变化复杂的特点，对几种常用的 测流方法进行了分析比较，捉出在进水流道内安装时差法超声波流量计可较为 方便准确地测流流毓。该设备梢度高，安装灵活，性能稳定，测试方便，并能 实现在线测量，可以作为人型低扬，f 笔泵站现场测流方法的重要补充，具有一定 的推广应j l - j 的价值。 ( 2 ) 采用时箍法超声波流i 西汁进行大型低扬程泵站现场测流的关键是测流 断面的选择，采f 1 - j 数值模拟疗法模拟进水流道内的流场，选择流速分布较为均 匀的断面布臀换能器，能订效地捉高测流精度。 ( 3 ) 泵五- q 进水流道数值模拟结合超声波流量计流量理论计算，可对时差法 超卢波流丝汁换厶1 1 匕6 j i ) i j l 彳 斫j 博及安裟办式进i j ：优化，在保证定精度的前提下， 可行效地减少换能器安装对数，从j f l j 减轻安装j e 作量和减少测试成本。 ( 4 ) 本文刈无瓜“；流和彳j 丘流历种方案的测试表明，采用在出水流道3 2 m 高张处加设盏板能柯效地捉每玎机组运行效率，该方案可作为常熟泵站改造的重 要参考。 ( 5 ) 本次较为完祭地测试了常熟泵站水泵装置的运行性能，测试成果可作 为陔泵站以及太湖流域j f ：程联合凋i “v h i ，- i ：j ，。重要技术资料。 关键词：泵站超声波流量计流量测流 a b s t r z c t w i t ht h ea d v a n t a g e so l f l e x i b i l i t yi ni n s t a l l a t i o na n ds t a b i l i t yi np e r f o r m a n c e ， u l t r a s o n i cl l o wn l e t e r sc a r lm ( 3 a s l l r et h ev e l o c i t yr e l i a b l ya n dt h ef l o wr a t ew i l lb e c a l c u l a t e d s i n c et h ei9 7 0 s ，t h eu l t r a s o n i ct l o wm e t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h e h y d r o p o w e rb o t hd o m e s t i c a l l y a n di n t e r n a t i o n a l l y i nr e c e n ty e a r s , m o s tc h i n e s e m i d d l ea n dh i g hh e a dp o w e rs t a t i o n sh a v eu s e du l t r a s o n i cf l o wm e t e r st om e a s u r e f l o wr a t e w i t ht h ec o m p a r i s o ne l h y & ( ) p o w e rs t a t i o n ，t h ec o m p l e x i t yo ft h ef l o w s e c t i o ni nt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i to ft h el m g cs c a l el o w h e a dp u m p i n gs t a t i o na n d t h ev a r i o u sc h a n g eo ft h ef l o wp a t t e i n ，h a l v em a d ei td i f f i c u l tt of i n dt h ec r o s ss e c t i o n w h e r et h ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y i s c o m p a r a t i v e l y e v e n 。a sar e s u l tt h e m e a s u l e m e n ta c c t l l a c yi si n l l u e n c e d t h e r e t b r e ，u l t r a s o n i cf l o wm e t e r sh a v en o tb e e n w i d e l ya p p l i e di nt h ep u m p i n gs t a t i o n s i nc o m b i n a t i o n i t ht h e p r a c t i c a lp r o b l e m so c t u r r e di nc h a n g s h up u m p i n g s t a t i o n ，m a n ym e t h o d so ff l o w ? a t em e a s u r e m e n t sw e r ec o m p a r e d t h ec h a r a c t e r so f t i m ed i l t 、e r e n c eu l t r a s o n i ct t o wm e t e rw e t ea n a l y z e da n dt h ef e a s i b i l i t yo f a p p l i c a t i o n i nc h a n g s h up u m p i n gs t a t i o nw a ss t u d i e d i nt h i se s s a yt h et j o , a , p a t t e j l i ii nl h ei n l e tc o n d u i tw e r es i m u l a t e db yu s i n go f c f d w i t ht h ec o m p a i 。i s o no t m a n yp r o j e c t s ，t h ec r o s ss e c t i o nw h e r et h ed i s t r i b u t i o n o fv e l o c i t yi sc o m p a r a t i7 e l ye v c l q ，w a ss e l e c t e dt oi n s t a l lt h eu l t r a s o n i cf l o wm e t e r s a n dm e a s u r et h el l o wr a t e f h ee f l i c i e n c yo ft h ep u m pu n i ta n do t h e rp a r a m e t e r sw e r e s t u d i e d 7 f h er e s u l t sh a v eo f f e r e dar e e r e n c ef o rt h ed a i l ym a n a g e m e n t ；m a i n t e n a n c e a n dr e t b r m a t i o no fc h a n g s h up u m p i n gs t a t i o n ，a sw e l la so t h e rs a l t l ok i n d so f p u m p i n gs t a t i o n s ，t h u s t h e p r a c t i c a lp r o b l e m s0 1 e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n tw e r e s o l v e dp r o p e r l y m a i na c h i e v e m e n t so i 、t h i se s s a j ： 1 c o n c e r n i n gt h ec o m p l e x i t yo t f l o wp a s s a g es h a p ea n dc h a n g e so ft h ef l o w s e c t i o n si n l a r g e s c a l el ( ) w m a d p u m p i n g s t a t i o n s t 矗e p o p u l a r f l o wr a t e m e a s u r e m e n t sh a eb e e na n a bz e d a n dc o m p a r e d u s i n gt i m ed if l b r e n c eu l t r a s o n i c l l o wm e t e r si nt h ei j _ o wc o n d u i th a sb e e nc o n c l u d e da sac o m p a r a t i v e l yc o n v e n i e n t w a yi om e a s t l r ( 3l | 1 ef l o w1 a t c m e u n w b i l c t i m ed i t l b r c n c eu l t r a s o n i cf l o wm e t e r s h a v et h ea d v a n t a g e s h i g hl l l ( 2 a s t l l c m e n t c l i l u ( ：y ，l l e x i b l ei n s t a l l a t i o n ，a n ds t a b l e p c r l o n - n a n c e ，c o n v e n i e n ta n do n li n em e a s u r e m e n t l h et i m ed i f f e r e n c eu l t r a s o n i c f l o wm e t e r sa l s oa c ta sa l l i m p o r t a n ts u p p l e m e n t a r ym e t h o df o rt h ep r e s e n t m e a s u r e m e n tt b r l a r g e s c a l el o w h e a d p u m p in gs t a t i o n s ；t h e r e f o r et h e yh a v e p r o s p e c t so fa p p l i c a t i o n 2 i ti si m p o r t a n tt os e l e c tt h ec r o s ss e c t i o n st b ru s i n gt i m ed i f f e r e n c eu l t r a s o n i c f l o wm e t e r si n l a z g es c a l el o w h e a dp u m p i n gs t a t i o n s t h ef l o wf i e l d s i nt h ei n l e t c o n d u i t w e r e , s t i m t l l a t c d ，a c c o r d i n g t ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a l lb ei m p r o v e de f f e c t i v e l yb yi l l s t a l l a t i o nt h et r a n s d u c e r si n t h et l o ws e c t i o nw h e t et h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yi sc o m p a r a t i v e l ye v e n 3 t h ea r r a n g e m e n ta n di n s t a ll a t i o no ft r a n s d u c e rc a r lb eo p t i m i z e d b yu s i n g c f da n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h en u m b e ro ft r a n s d u c e r sc a nb er e d u c e dw i t h o u t a f f i e c t i n gt h em e a s t ! r e l l l e l l ta c c u l a c y t h e r e l b r e , t h ew o r k l o a d o fi n s t a l l i n gc a nb e l i g h t e n e da n dt h et e s tc o s ti sr e d u c e d 4 b yt h ec o m p a r i s o no ft h ed il t e r e n to u t f l o wt y p e s ，i th a sp r o v e dt h a ti n s t a l l i n g a c o v e rp l a t ei nt h eo u ：i e tc o n d u i ta tt h eh e i g h to f3 2 mc a l li n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f t h ep u m pu n i t ee t t ? c t iv e l y ，a n dt h i sm e t h o dc a np r o v i d ea ni m p o r t a n tr e f e r e l l c ef o r t h er e t o r m a t i o ne l t h ec h a n g s i a up u m p i n gs t a t i o n 5 t h ep u m pu n i t p e l 。f 0 1 m a n c eo ft h ec h a n g s h up u m p i n gs t a t i o nh a sb e e n c o m p a r a t i v e l yc o m p r e h e n s i v e l yl n e a s u r e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc a l lb er e g a r d e da s t h ei m p o r t a n tt e c h n i c a ld a t af b r j o i n t r e g u l a t i o no ft h eb o t hc h a n g s h up u m p i n g s t a t i o na n dt a i h ui ，a k eb a s i n k e yw o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n ，i j l n a s o n i cf l o wm e t e r s ，f l o wr a t e , m e a s u r e m e n t 扬州人学一r 拈! f f ! ；ii j ! z 位沦义 符号说明 符号物理含义 q流域 h 、h 泶牯f j a t 时间段 c 声速 v 速度 p 水体密度 n 数赞 d 乖直方向的断面尺寸 b 断面宽度 w 加权系数 e 卢路的角度 p 功率 t 1 盅机组的效率 ， e 不确定度 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 眇朋移 签字日期：矽盯年，工月，多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：跏 签字日期：油呷年。月哆e l f 导师签 ， 、7 厶- 一 签字日期2 1 年l 月多日 刘仆五p ，咄声波缸；l l fm 常搏j e 站娩：d 删试q - 帕j m 删 p f 究 笫一章绪论 i i 常熟菜站流量测试的目的和意义 1 1 1 常熟泵站概况与工程特点 常热水利批纵魁? 卉a 十；l = = 什r r 榭之一望虞河 ：程 中的一个控制性水利 桁知t 狸，i 篮常热泵站、io o k v 化序娈u 所、悼制闸、江边船闸等部分组 成，一书! 位 。带热jj 虞镇河h 村，距离太湖约6 0 3 k m ，距离睦江约1 6 k m 。 常热泉苴i i l 是。l 棵墩核心的 ilj & 部分，哪l 于1 9 9 5 年丁l ：工建设，1 9 9 8 年竣工，安 装有叶轮n 往为25 mn 勺2 5 0 0 z l b 24 删赢轴7 敞式轴流泵9 台套，选配t l 9 0 0 4 0 2 6 0 0 型9 0 0 k w 直式川步! u 机，堆机殴计流量2 0 m 3 s ，额定转速1 5 0 r r a i n 。 节制闸为6 扎x 8o m ，甲均分布在泵站两侧，设计流量3 7 5m s i l 。图1 - l 为常 热枢纽的外景图。 瓣戮簇黼川虢，= zr 瑚# 目自删 f 拦荆，糯 f 掣i i 常热枢纽外景| 垫| 隳 扬少i 1 人学。l i 科坝浮化论义6 常熟泵站是连接魁虞河与长江的控制性二l ：带! 。上游为望虞河，和太湖裥连 通；下游为长江。泵站下游的长江为感湖河段，山于受到湖汐引力的影响，每 f = f 涨潮、落潮两次。 泵站的上下游引河河底高程均为3 o m ，其中上游河底宽9 0 m ，下游河底宽 1 2 0 m ，上下游衔接段分别为1 5 0 m 和l o o m ，上游护底长度为1 5 0 m ，下游护底 长度为1 4 0 m 。 o 0 幽卜2 泵站站身剖面幽 0 泵站采用双层矩形流道，通过对上下游四道闸门进行切换，实现提灌、提 排、自引、自排、断歼等多种功能。 提灌模式为：打丌长江侧进水门、望虞河侧出水门，关闭长江侧出水门、 望虞河侧进水门，机组运行。 提排模式为：打丌望虞河侧进水门、长江侧出水门，关闭望虞河侧出水门、 长江侧进水门，机组运行。 自引模式为：打丌望虞河侧进水门、长江侧进水门，关闭望虞河侧i q | 水门、 刘 i 似：力泼趣声0 2 流爷i - 4 7 熟j ! 站流艟测试巾的j 、t 用训阿 7 长江侧 j ，i 水l 、j ，水涮i ，ii - j 2 1 流逝l ，| 流龟锻虞河侧进行灌溉。 i ，j 排模，弋为：打j | ：粤! 腱河侧进水j j 、长2 1 1 ：侧进水门，关闭望虞河侧出水门、 长江侧出水l j ，水流“卜- 层流道自流钲长江侧进行排涝。 断丌模式为：笑闭牲虞扣f 侧进水门、长江侧进水门、望虞河侧出水门、长 江侧出水门。 1 1 。2 常熟泵站的水位、扬程等主要特征参数 常熟泵互f i 的水化纽合见表卜l ，特征扬程见表 - 2 。 农1 1j ：矗热泵站水位纰合参数袭 2 况 水位 | i f 洪( 排涝)游溉( 引水)备注 性质 ( 单位：m ) ( 单位：m ) 致计i - ! 州= 3 o oh 澍= 3 2 0 1 表中高科以吴淞零点起 h 。= 4 7 3h 庐1 8 9标；2 h 弼望虞河水位：3 h 校f ； h 一- - - 3 9 0 h 日严3 2 0 旺k 江水位 r = 6 5 5h2 r = 0 5 6 表1 2 常熟泵站特征扬科表 i ：况 特征值 泄洪( 排涝)灌溉( 引水)备注 性质 ( 单位：l r 1 ) ( 单位 t t i ) 最人扬私 2 5 62 。6 4 硬汁扬删 1 7 3l 。3 l ，卜均扬雅 0 。5 5o 7 8 最小扬雅i o 2 0一0 2 8 1 2 论文的主要研究任务 常熟泵站订：改m h ：婴考i 量承矗 太湖地区的抗洪、排涝等运行工作，年设 扬州人。：o 坩n 顺p 他论文 羔 计运行1 0 0 ，j , t 1 1 。1 2 1 。阢彳 子太湖流域经济事 ：会发腱状况、流域水情与工情发生变 化，2 0 0 2 l i 起水利i ；= | j 丌始实施“i m ：济人”运行项目，常熟楸纽也开始逐步转型， 主要 始承扪f 柚太湖补水、抬，；再久湖水位、改善流域水环境的任务；如2 0 0 7 年 太湖流域发l “蓝藻导致的供水危机”，常熟泵站连续1 3 7 天运行向太湖应急调 水，在超设汁：亡况下连续运行约9 0 0 小时 3 1 。- 1 2 程在太湖流域水环境综合治理 巾发挥的作川越米越大，重要性也越来越商。 m j ：常熟乃! 五k 别处j ：远离改汁i ：况运 j ：，泵站出现了较多问题。例如在 长l i ：侧低湖位划m 频繁现j 卜机组超功率情况；运行期问机组振动较大，带来 泵站水导轴承损坏，j | 4 轮迮接蝶栓断裂等；水工建筑物也暴露出海辫怖4 破坏， 测量后发现在泵站长江侧出现3 米五i 右深度的冲坑【4 j 。为改善上述情况，江苏 省发展与改革委员会2 0 0 8 年1 2 ，j2 5h 批复常熟枢纽加固改造项目，对常熟水 利枢纽进行加州改造。 为了充分了懈：；i 熟泵站征现有运 ，模式下的运行情况，优化加固改造方案， 需对常熟泉站的小州运 j - ：r 况进i 了。州稽实测，进而了解现在水泵的运行特性， 分析泵站超设汁运行，j 焉的潜伏戆恣，以保i j e 泵站安全运行，同时为后续的泵 站改造和优化运i j 二提供依猁。 存我国的i l i 原地 x ，人r i - ) l ! 低扬程泵站的应用相当广泛，例如在农罔灌溉 排水、城i l 丁防洪、水环境保护、流域川调水等方面都发挥了重要作用，但是低 扬程泵站普遍有断【别犬较为复力穹的进h = 水流道，而且在不同运行工况下，流 道内的水流悄况电比较复杂。蹦此，利用泵装置自身条件布置测流设备进行泵 流螭测璇往往雄以满足测试设备所要求的断l 匝流速分布均匀或渐变流的条件， 从而影响测试糙发。f 5 6 1 泉站低扬裎泵站的流遗精确测量一直是一个难题。 本论文就怂针刈这一：爵解决的实际工程问题，在前，人已取得的成果上作进 一步研究，订：；：j c 迷仪法、热水浓度法、电磁流量计法、a d c p 法、五孔测针测 断j 7 j 流速法和超声波流毽计法等力法。 找殳适合奉站的流量测试手段，提高 该魁流道泵站的流毓洲 的卡，j 艘，同时也为同类t 程的流量测量提供有益的借 刘 i ：时力划：， ：f ! 波流艟汁订硝 热袋负i 流；t 测试l l 的心用绁窭一 一 旦 鉴。 此小沦义1 i 婴对。i - ；吖2 务进 亍了探讨与研究：( 1 ) 现场测流方法的选择； ( 2 ) 进水流j = j ：流场的数值模拟；( 3 ) 超卢波流量计换能器的布置方式优化；( 4 ) 现场测试的纠【织与实施。 1 3 本章小结 常熟泵站足、站合一的控制性水利椒纽工程，泵站主体结构型式也比较 独特，采j i l 的足双层矩形流道，这订! 日内的大型泵站中是首次采用。本章主要 研究在该型式磊 ：站t t ，如克j j 技断皿及流态变化复杂等问题，提高流量现场测 量的精度，也为类j 【程的流 t 测白 提供参考。 4 勿州j i zr ：4 c ，! 坝j 。f 覆论戈 第二奄泵站流量现场测量的方法分析 长j l j = l 以米，i ”j ：难以找到一个合适的测量断面，低扬程大型泵站的水泵流 悬测最+ 直是闭内外学嚣研究和关注的焦点，到i t 前为止还没有一种非常成熟 的测鞋方法。l j 前【q 内外测邂人型水泵流量的方法有流速仪法、盐水浓度法、 电磁流量计法、a d c p 法、赢乱测针测断而流速法和超声波流量计法等方法【7 】。 2 1 传统测流法的原理与方法分析 2 1 1 流速仪法分析 一种足利用水文测站的缆道进行测麓，即在顺直河段布置缆道，利用流速 仪测艟各测线及齐测点的流速，从而i 卜算出断面流量，这一方法主要存在以下 两个问题，足精度拥列较低，二：足测试工作量很大。 另种足在进水流道进口斫j 置若一f 小型流速仪进行断面流量的测量，这种 方法同样存在精度力i 打的问题，1 7 ；1 l # , 1 ，l l 于在进口需布置了较多的小型流速仪， 实际上增加了水力损失，影响装氍效率1 8 j f 9 】- f ) l 】。 在2 0h c 纪9 0 年代前在这种低水头水电站或泵站的进水流道内测流的方 法，几乎都采用流速仪法，但山j 二流速仪法测试繁琐，对流道流态有较大影响，因此 限制了该方- i 去f n 崭蠢厂一使f j 。f 1 2 f 对于常熟泉站这种盯f 受潮汐影响泵站扬程变化较快的情况以及该方法测 流精度较低f i 勺顾阏，流速仪法鲜不适“在本站采用。 2 1 2 盐水浓度法分析 该力法赴上：l h = 乡己八一| 年代艏i 武汉水利电力大学的研究成果，具有较高的精 度，并在我行江郡水利枢纽泵竭i i 、广东太吲泵站等大型低扬程泵站中应用。该 成果曾获f 碣家于： 技进步奖。岁e 测试方法主要足以恒量的食盐溶液，均匀连续地 喷射到水泵进水箭道的水流t lr ，a j 【j 水管道上然溶液与原水充分混合的地方， 取f ；混合水样，逆过分析测定稀释倍数i 卜鳟水泵的流量。f 8 _ 9 1 2 ：j t lf i ，：| i l 芥：，l ：f ! j ：i 移2 “：i ；i n ：f ； 越i 五二蟊i i _ ；：f ；1 2 ；! | q l 式中的j 嘭用删f 寸e q = ( ( ，f l g ) ( c 2 一q ) = r g ( 2 1 ) - 7 i q 水泵流艟； r 稀释僻数： q 注入盐水的流量； c ，注入盐溶液中c 1 4 的浓度； c ，注入舱溶液前原水i ”| ic i 。的浓度； c ，姥介水f ：f rc i 。l 幻浓度。 盐水浓度法l ，| 勺使| j 不需要测1 1 1 j - , j _ 流断而的几何尺寸，不要求均匀对称的流 速场，棚反混合水流通过弯管、扩j 似k r l , , 6 3 ；等复杂管路更有利于注入溶液与原水的 均匀混合，似要保订e 不o - 舀椎0 流和滞流区。 常熟泵站采j 订破层矩形流道进水，在上层流道存在一个单侧死水区；而且 盐水浓度法测试装置结构复杂，花赞| ，i 勺人力和时间很多，代价很高。 2 1 3a d c p 法分析 a d c p ( 声学多磐锄流迷剖面仪) 是近十年来爿+ 发展并得到广泛应用的流速 测量仪器，魁在改进传统的河流测 琵方法的基础上发展起来的高科技产品，基于 声纳和雷达的真! 本原耻及数，倍i ，j - 1 处f 已技术。在我国的水文系统，a d c p 已广 泛应用于河j 煎流i 槲一测醚，方法筋便，理论上精度也较高，但对测流断面有较 高要求。苏州水文肠从2 0 0 7 年j l ：始在常熟枢纽上游水文站( 该水文站距离常熟 泵站2 0 0 米z r ：有) 试用a d c p 测流，但山于闸站联合运行、河床断面等众多原 因，实测后f 内流艟! f 簟统方法刈比精度偏低，因此目前苏州水文局仍然使用传 统方7 z ：- 似u 3 如- 矧 热楸纽流凇。i 1h 3 j 2 1 4 电磁流量计法分析 f 乜磁流键计足利j 1 j 法拉笫fl l 磁感戍定律制成的一种测量导电液体流量的一 种仪表，导 u 液体仡睡衍- j 二磁场的m 磁性 。l l , i 。i ( 管内流动，与运动方向垂直的方 向i - p 生与流艟成i i ! 比例的感j 、v l l 坍。卜世纪5 0 年代初电磁流量计实现了工业 化应用，圳f ：纪7 0 叫以来现谜挖低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用 饼州j 、中l 胡蝴学惶论文 的 二频交流激磁订，仪表性能竹了微犬提高，得到了广泛的应用。采用电磁 流罱计般型求比较k 朐血i 酬管，流态均匀f j lj 。凶此常热泵站不具备测试条件。 2 1 5 五孔探针测流法分析 i t ：f l 探钊测流法的丛术原耻魁流速面积法( 测试系统如图2 一l 所示) ，采用 血孔球形探廿| n y ：点流速，中州2 号孔轴线垂j 直于针杆，左右为4 号、5 号孔， 外侧和内侧分圳为1 号、3 号孔，用透明硬质塑料管连接针管和差压变送器测 璀感j 4 u r ：差，探头移至管道断阿测点，使2 号孔基本正对来流，转动针杆，观测 瓜力佑感器i v 酬搀4 号、5 号孔压力使其平衡，出压力传感器i i 、i i i 测出3 号、l 1 3 4 l 压差( h 3 一h 1 ) ，2 口、4 号孔三差( h 2 一h 4 ) ，传感器i 测出2 写孔相对压力，由 探针尾部水平仪及氢：= 角器读取2 号孔轴线与管道轴线方向之削的角度。将断面 数1 。个测点的轴向流速拟合成曲线，积分求得流量。这种方法在测试中占用的时 叫较k ，因为缚型换一个测点都有个稳定的时间；如水质较差，水流中的杂 质还窬易堵塞测制孔，影响测试。f 5 i 删且该种方法的测量断面一般在叶轮的 进j ，陔断丽流述分布相对比较均匀，常熟泵站由于采用上下层流道结构，水 泵叶轮进口断而位于进水流道内，因此该方法也不适用于陵站。 ，? 孔探针洲流法j 意削 虽刊塑 i 篓嗣1 一一 州仆时芹法衄：；址眦：一t l 机常髂泉蛸玩；蒯b 中盼心用 f 兜 2 2 超声波流量计测量的原理与方法分析 2 2 1 概述 超卢波流精计安装必活，性能稳定，能可靠地测取测线的流速分布，通过 专j f l _ | 软件计算得h 1 流舒。泼技术自8 0 年代以来，在国外水电行业已被广泛应用， 我国大型- h 商水头 n 站近年米也多采刚超声波渊流。但由于泵站与水电站在 进出水结构f _ 仃较火区别， 耍足轴流泵站进水流道形状变化复杂，难以找 到流迎分布鞍为均匀帕断而，从j 仃影响了测流精度，因此，在泵站测流上尚未 得到较好的摊广应刚。近年来，i 捌i 山f l j i i i 海人学、扬州大学在超声波流量计测 流方面均，l ：展过研究鲇粜裟f ! j 如粜在流道t l 能找到符合特定条件的测流断 面，则可使用超声波流量计进行水泵流量测量，并具有较高的精度 56 l 。 2 2 2 多普勒式超声波流量计 多普物j c 超声波流嚣计主要是利用多普勒效应原理来测定流体的流量，测 量的原j f l l ! 如罔2 - 2 所示l 。7 1 。 弋i 一一 一立s 一! 一。 ? 一一 俐2 - 2 参 l 牛仳式衄，啵流封计原理| 垄r 换能器l 向流体发劓频率为f 、的超声波连续信号，经照射管道内的悬浮物 颗粒发气池，超，h 波j 。生多普彻坝率1 ； 移，以如的频率反射到接收换能器2 ，f 平七z 差 f | 为多泞恸捌_ ) i = ! t d 。 勿心，、i ：j = l j ! 顺j j 娑彳迂j 仑殳 1 4 改流体流迷为v ，隧波f i , 述为c ，多酱助频移如正比于流体的流速v ， 厶= 一九= ( 2 厶s i n 8 c ) 矿 ( 2 2 ) v = c 2 f a s i n 0 - 凡 当管道条件、换能器安装化拦、发射频率、声速确定以后，c ，厶，乇即为常 数，流体的流速和多f 午恸频移成，j i i ：比，通过测量频移就可以测量流体的流速， 进而求得流体的流五t 。 多酱勒超j f i 流量汁的特j 氧：适j f jj ：测篮含柯适量能给出强反射信号的颗粒 和气泡。其悬浮物含量约在1 9 l 5 l 为：宣。一般用于工厂排放未处理的污水和 固流污泥等流麓i 卜盈，而不宦j j 于洁净液体的流量计量阿【i 3 】。 由于常熟楸乡址河道为普通消水，悬浮物含量远低于该值，因此多普勒超声 流壁汁不适合j f l ：d - 常熟泵站进7 ，流齄测髓。 2 2 3 时差法超声波流量计 时差法超， i 波流量计( t r a n s i tt i m eu t r a s o n i cf l o w m e t e r ) 其工作原理如 图2 3 所示。它是利j 一对超声波换能器相向交替( 或同时) 收发超声波，通 过观测超声波在介质t 和的顺流和逆流传播时问差来蒯接测量流体的流速，再通 过流迷来计算流糙的一平叶t 间接测量方法f 6 】。 彳| j if l j ：i i , j 彳! 划：，l f f ， i 江2 _ ；! f e ：i ；f 。n 7 翔i 匀 - k j ! f i e 矗溯0 试中n j 移门1 彬f 乡 墅坐竺翁 澎 逆流换能器 顺流换能： ： x 图2 3 寸篾法超卢波流a 嘴- l 测鼻 原理示意图 上图中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别 安装在流体锈；线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为d ，超声波行走的路 径长度为l ，超，打波顺流速度为t d ，逆流述度为t u ，超声波的传播方向与流体的流 动方向央角为e 。于流体流动的原因，是超声波顺流传播l 长度的距离所用的 时问比逆流插所川f i q 【f , j 仙j 短，姗付f , l j 差可用下式表示： i ? r 鬲 协，) fl一7 ；7 ，。一c - v c o s o 其中：c 是超声波在j i 卜流动介质中的声速，v 是流体介质的流动速度，t u 和t d 之间的差为： z2 ，- - l , t 2 c - v c o s o 一c + v c o s o ( 2 - 4 ) l己 2 v c o s 目 “c ! 一v 二c o s ! 臼 2 儿c o s 口 c ! 一 7 二c o s 2 秒 2 缵 一。_ _ h _ _ 。_ 。_ 。_ _ _ - _ - - - - _ _ 一 一 c 1 ，一( 小毋口 t t 扬州1 人；of ：袱f 吹p 化沦义 1 6 式t f tx 足两个换能器在锈；线力阳卜n 勺川距。 为了简化，假砹流体的流迷尕l 超j 灯波在介质中的速度相比是个小量。即： 陬c ( 孙陬队“引硼1 上式可简化为： 2_vx(2-5)at_ 也就足流体的流述为： 矿：辔 (26)2x 山此可见，流休的流述t - 5 超歹打波顺流和逆流传播的时f n j 差成n i 比。通过上 述方法测出了流速，f ! f j 可通过数学方法计算出流量。 1 7 - 2 8 1 该方法具有测流精度高、安装方便的优点，并可进行在线测量，可有效地 减轻测试： 作量和：节择测试经费。 经过对上述：屯要的几种测流方法进行比较，作者认为选用时差法超声波流 量计较适合常熟泵站的流量测量。 2 2 4 时差法超声波流量计测量系统 架。 下图是本次在常熟泵站使用过的瑞士超声波流量计现场安装测流系统的框 j l _ i ，j 靛“，哑j 1 i 让l f l r n0 热尔女 旒i i 试一i jj t 川“ 兜 2 3 本章小结 | 封2 - 4 超卢波流 一 训洲蛀系统示意图 本章主要分析了l j 前田内外测量人型水泵流墨的流速仪法、盐水浓度法、 电磁流量汁法、a d c p 法、t 孔测针测断埘流速法利超声波流量汁法等方法。 扬i + 1 人! 浮l ：1 1 ：f 吹i ：2 浮化论义 通过对各种洲流于段i ，j 勺分析、比较，寻找适合常熟泵站型式的测流方法。同时 重点对时差法超声波流澈汁进 了了分析说明。 ；o j p l f 1 ：”船“：趟j ：i 波流：i ：汁n i i l i 5 f s l s j ( , ? , j i 7 , 4 f 罐洲试巾的心用研究 第三章泵站进水流道三维紊流数值模拟 在泵五2 i 进水流道内安装超声波流r 1 - t - l 1 u ；i ，根抛实测的流速积分计算得到水泵 的流量，超声波探头的布谢方式刘流量测量精度有重要影响。为了合理确定超 声波探头的位背，本文采用f l u e n t 流体汁算软件对常熟泵站的进水流道内流 场进行了梭拟，以哥找迷度分布均匀断面。 随着c f d 技术l ：| 勺发几，私：人型袋站进m 水流道数值模拟方面取得了一定的 研究成果。厢磊乜旧等采朋n s 方程( r n a s ) 和标准k - 的湍流模型，运用 s i m p i 。e c 算法，计贸：掰剑枢纽进水流场，并提出相应的流态改善措施。成立f 5 8 】 以南水北调东线工程泵站建设和大型泵站更新改造为研究背景，运用三维紊流 模拟技术辅以实验等研究手段，基于大型计算流体力学软件f l u e n t 为平台，对 涉及影h 向泵站水j j f ，t 能的过流纪卡勾进行全面系统的研究，揭示泵站内部流动特 性、预测水力性能，捉 设i 卜h 畅；。陈松i j l 等 5 9 1 结合太湖治理工程中魏村椒纽 的人型排灌泵站双阳进水流道i 殳汁，采用霄诺平均纳维尔斯托克斯方程 ( r a n s ) 方嚣i 批乩i 准k i l l l - ) * 模璎，运用$ i m p l e c 算法，模拟了双向进水流 道在加设导水锥和术设导水锥时的二二维流场，预测了旋涡的发生位置和形态。 陆林广等删采删“接求解三维霄潇平均n s 方程和标准k 一紊流模型方程组的 方法，对大c 卜型泵妯进水流道内的流场进行了数值模拟，并进而对具有复杂几 何形状的进水流道进行了水力优化计算。朱红耕 5 2 5 3 】利用标准k 的湍流模型， 闭合定常不可压n s 方程，采用有限体积法g l ：- - i b - 结构化网格，对南水北调某大 型泵站虹吸式出水流道进行了数位模拟，分析了流道内部流态，对驼峰断面和 出f l 断面的速度分确j 特阵进行了定最计算。成立等【5 1 在基于r n g 湍流模型的双 向泵站出水流道流动计镥= 中酋次运用；占于蜷丽律的r n gk 一的湍流模型对流道 进行数值模拟。陆林，。【“l 等为了改进泵站出水流道的水力设计方法，采用三维 紊流数值模t 以i i d 方法，模拟了t 1 2 i l 及式、直管式和斜式三种型式出水流道内的流 动形态，挺 = “仡流道设洲埘应域大限度的利用流道宽度方向的扩散，以免出l - i 扬f 人i m ! 形! i ，学化论文 断面的订效i f l f 秽 过多地被漩涡挤l j i 。巾f 钟一5 6 l 等采j r f j 雷诺平均纳维斯托克斯方 程剃标准k 一湍流模型，运 js i m p i 。e c 算法，数值模拟了箱涵式出水流道5 种 不l 刊喇叭悬空离嫂流逆内流场，预测了漩涡发生的位嚣和形态，分析了流道纵、 横向剖面、喇叭j i | 及2 i j 水柱状眦- j ：速度分布规律。数值计算得到各方案的流道 摩阻系数，并与试验结果进 j ：比较，提出了箱涵式出水流道优化没计方法。 3 1f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 足山奖州f l u e n t 公司。j 二1 9 8 3 推出c f d 软件。它是继p h o e n i c s 软件之后的第! ：个投放市场的掘j i 订瞅体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最 全而、适刚，肚域j 、幽内使刚泛1 7 i jc f d 软件之一。f l u e n t 提供了非常灵活 的网