流阻

凝聚态物理学

流阻是指在稳定气流状态下，加在吸声材料样品两边的压力差与通过样品的气流线速度的比值。单位是Pa·s·m-3。

测试方法

流阻测量的精度：

流阻测量的精度一方面依赖于流阻仪本身的系统精度，另一方面决定于利用标准流阻对仪器的校准，对各种可能的标准流阻材料进行了分析，最后确定使用玻璃管作标准流阻较适宜。因为玻璃管标准流阻既有足够的精度又有容易获得和制作。

常用的流阻测试方法：

随着减阻技术的发展，根据不同的减流阻性能测试的需要，涌现出不同的流阻测试方法。流阻测试装置研制及涂层减阻性能。

应变式天平测试法：

将试验模型与应变式天平相连，模型在流体流动(水流)中受到的阻力会使与其相连的应变式天平变形，这个变形通过电阻应变片转化为电信号，然后通过电桥电路测量，并以电压值的形式显示出测量值。应变天平的应变值通过放大器放大，用精密数字示波器读出，将数据采集到微型计算机上进行处理后，将电压值换算成阻力值，通过比较不同模型的阻力值大小来检测模型的减阻性能。

采用了应变式单分量阻力天平原理对四类不同的壁面(亲水性光滑壁面、亲水性粗糙壁面、疏水性光滑壁面和疏水性粗糙壁面)的平板模型减阻性能进行了研究。该水洞试验段为6.0mx0.4mx0.4m。实验平板模型尺寸分别为950mmx392mmxsrnrn。

装置设计

阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大说明流体经过阀门时的压损失越小。阀门的流阻系数可以衡量流体通过阀门后主要功率消耗。而阀门的流量系数、流阻系数取决于阀门的尺寸、形式、结构，因此阀门流量流阻系数的试验对阀门产品改进、为流体工程系统降低功耗合理设计，能提供有效数据。

装置主要技术参数与功能

根据建设方对试验装置的要求，设计的试验装置主要技术参数如下：

①能提供回路最高压力：2.5MPa；②温度：常温（≤40℃）；③最大流量：150m3/h；④阀门最大口径：100mm；⑤回路介质：去离子水。

试验装置主要功能为：当水流通过阀门达到稳流时，测定各型阀门的流量系数与流阻系数，流量试验和流阻试验能满足 JB/T5296－1991《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法》的要求。

主回路系统

1）功能：

主回路系统为闭式循环回路，功能是为被测试阀门提供稳定的流量。根据现场条件以及建设方需求，设计的流量范围为（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。

2）组成及特点：

①根据试验及现场环境要求，需要尽可能减少泄漏，最大程度降低噪声，故选用 2台型号为P4L100－65－250/37－2 的屏蔽泵。1台屏蔽泵可提供80m3/h 的流量，出口压力2.5MPa。当使用流量（0～10）m3/h、（0～40）m3/h，只需启动1台屏蔽泵；当使用流量为（80～200）m3/h，同时启动2台屏蔽泵。

②3 条通径分别为 DN25，DN50，DN100 的测试管段，每个测试管段由1台流量计、1台电动调节阀、被测试阀门、1台压差计、2台隔离阀、相应的管路组成。

DN25、DN50、DN100 测试管段的流量范围分别为：（0～10）m3/h、（0～40）m3/h、（0～200）m3/h。 DN25 测试管段可用于测量 DN15、DN20、DN25 阀门；DN50测试管段可用于测试 DN32、DN40、DN50阀门；DN100 测试管段可用于测试 DN65、DN80、DN100阀门。

③1 条通径为 DN100的旁通管段，用于调节阀门试验段至额定压力与流量。

④测量仪表（流量计、压力表、压差计、温度计）。各测量仪表具有现场指示及控制台集中显示功能，能对现场工况实时监控。

⑤排气阀门及相应管路、附件。

3）运行过程：

运行前先将主回路系统注满水，然后在控制室启动1台或2台屏蔽泵，通过补水系统、稳压系统、旁通阀将阀门被试验段压力调至公称压力，流量调至所需流量值，然后进行阀门流量流阻系数试验。

试验数据

试验应按 JB/T5296－91 的规定进行，被测试的阀门在回路充水前即安装在试验管段上，随同回路一起升压，达到试验要求的温度和压力后即可进行阀门的各项试验。

启动主泵（当需要的流量低于 80m3/h 启动 1 台主泵，否则同时启动 2 台主泵），主回路系统开始工作。在控制室中调节电动调节阀可得到 5 个流量：测试阀门的最小流量（Re=4×104）、25%最大流量、50%最大流量、75%最大流量和最大流量，同时差压计可测定对应流量下阀门进出口的压差。试验数据将自动储存在计算机中，计算机对试验数据进行处理就可得到被试验阀门的流量系数 C 和流阻系数 K。

对 DN25 截止阀、DN50 截止阀、DN100 蝶型止回阀进行了流量流阻系数试验，并由计算机生成试验报告，试验报告中的数据即为压力损失△P 的对数与流量 Q 的关系。压力损失△P 的对数 lg△P 与流量 Q 的近似线性关系，并计算出阀门的流量系数与流阻系数。

测试装置

无阀压电泵的泵送性能主要取决于管道系统中的正、反向流阻差值，因而对流阻的测试尤为重要。为此设计了能够实现自动或半自动上水功能的无阀压电泵流阻测试装置，该装置测试液体的流速范围较宽，易于分析、研究流阻作用规律；以半球缺阀为例推导了阻力系数公式；利用新、旧2种测试装置对半球缺阻流体无阀压电泵的流阻进行了测试并计算了泵理论流量，与试验流量的偏差分别为 34.38% 、117.33% 。研究表明：无阀压电泵流阻测试装置极大地提高了流阻测试精度；能够进行流阻测试、分析、泵理论流量计算及试验流量的预测。

无阀泵流阻测试原理

半球缺阻流体无阀泵是一种新型的无阀泵，其形成无移动部件阀的结构是置于泵腔中的阻流体半球缺，这里所谓的半球缺是 1 /4 球体。由于其球面和圆面具有对流体不等的阻流特性，能够形成稳定的流阻差，故置于泵腔中就起到了管道阀或腔底阀的作用，能够使泵形成稳定的输出流量。除了通过电压或频率控制流量外，还可通过适当旋转半球缺相对于出入口的角度、有序增加半球缺的个数等方法提高泵的泵送性能，流量的可调可控性较好。

因球面对流体的阻力小于圆面对流体的阻力，所以，泵在工作时，经由左入口管流入泵腔的流体多于右出口管流入的流体；由右出口管排出的流体多于左入口管排出的流体，故在泵的一个工作周期内，形成了流体的单向流动。

通过分析无阀泵的流阻测试原理，推导出流阻系数计算公式。半球缺流阻系数计算是基于伯努利能量方程、质量守恒方程，计算流体流经半球缺后的水头损失而获得的。取入口管、出口管所在中心平面O-O 面为基准面；过流断面Ⅰ-Ⅰ取为工作水箱给定水位自由液面处，距离基准面为 H；过流断面Ⅱ-Ⅱ取为距出口管较近处。取过流断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ之间的流体区域为试验测试段。具有一定势能的恒定均匀水流从工作水箱出口管流入泵腔内，流经测试段区域，消耗掉一部分水头能量，包括沿程水头损失、局部水头损失和由阻流体半球缺产生的水头损失。

在泵腔内放入半球缺后，流体分别绕流过半球缺的球面和圆面后会产生不同的水头损失。若流体由入口流入、由出口流出的流动定义为正向流动，简称正流；流体由出口流入、由入口流出的流动定义为反向流动，简称反流。

流阻测试试验

1、流阻测试试验比较：

为比较新、旧2种测试装置的测试精度，现以半球缺阻流体无阀压电泵为例，先后利用2种测量装置进行流阻测试。试验中，分别调整新、旧2种测试装置的水箱和储液瓶中自由液面至泵腔中心水平面的距离H为相同高度，此处取为 300 mm，在相同的测试条件下先后利用2种测试装置分别对半球缺阻流体无阀泵泵腔内流阻系数进行测试，测试的流体介质为纯净水。试验中需要测试的数据有：无半球缺时流体流经测试区域所需时间 Δt0 、加半球缺正向、反向流经测试区域所需时间 Δtzh 、Δtf 。待测试流体的流量取 Q 为 300 mL，管道的横截面面积 A 为3 × 10－4mm2。

具有相同势能的流体，流经2种测试装置后，流出相同体积的流体所消耗的时间不同，导致流体流经半球缺后的流速不同，直接导致流阻系数的不同。新型流阻测试装置，由于具有自动或半自动上水功能，能够保证自由液面稳定在固定高度 H 液面处，确保流速的稳定，能够提高测试数据的准确性；传统流阻测试装置自由液面高度 H 随着试验的进行是无常的、实时变化的，使测试点速度波动较大，测试数据不准确。

2、泵流量试验验证：

泵理论流量与试验流量均随频率增加而增加，二者变化趋势一致；传统流阻测试装置得到的阻力系数对应的泵理论流量 QLJ 远大于新型流阻测试装置对应的理论泵流量 QLX ；传统与新型测试装置对应的理论与试验流量 QS 的平均偏差分别为 117.33% 、34.38% 。分析表明，新型流阻测试装置极大地提高了流阻测试精度，提高了泵理论流量计算精度；可以应用该装置对无阀泵的流阻进行测试、分析，并进行泵理论流量的计算及试验流量的预测；同时，适当调整载物台高度，能够保证测试数据点分布均匀，易于进行流阻作用规律的分析，为无阀泵泵送性能的优化提供有力的理论依据。

尽管新型流阻测试装置提高了流阻测试精度，但其对应的理论流量与试验流量仍然存在较大偏差。其中，对偏差影响较显著的是泵理论流量计算公式。因流场运动的复杂性和瞬变性，难以建立工程中实用的流动方程式，对于数学上各种流动问题分析，进行模型的移植、简化是常用的处理方式。泵理论流量的推导是将瞬态流模型简化为定常流模型而实现的，而试验中的流态仍是瞬态流，瞬态流容易产生激波、振动、撞击，会消耗大量的能量，这些能量不可逆转的转变为热量，使沿程机械能不守恒，直接导致试验流量低于理论流量；另外，气穴、泵腔密封性、环境条件、人为因素等在一定程度上也将减小泵的试验流量。

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