Способ определения профиля скоростей потока жидкости в трубе Советский патент 1979 года по МПК G01P5/00 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть .использовано, например, в области гидравлики трубопроводов, когда нужно знать не только величину средней скорости по сечению, но и распределение действительных скоростей - профиль скоростей - по сечению трубопровода, что позволяет судить об интенсивности прсщессов гидродинамической коррозии в исследуемом месте.

При движении жидкости по трубопроводу профиль скоростей может быть как симметричным относительно оси трубы - для сечений в круглых труба с прямолинейной осью, так и несимметричным - при течении в трубах за участком поворота для труб с непрямолинейной осью, в коленах трубопроводных систем, в районах местных сопротивлений, диффузорах и т.д.

По исиовному авт.св. 295583 известен способ определения профиля скоростей потока жидкости в трубе по сечению путем посылки в поток зондирующих ультразвуковых волн. Этот способ заключается в том, что источник излучения последовательно перемещают в выбранном сечении трубы

перпендикулярно направлению излучения, измеряют отклонения характеристик движения ультразвуковой волны, посылаемой в плоскостях, параллельных плоскости,, проходящей через ось трубы, определяют площади сечений пространственной эпюры скоростей в плоскостях движения ультразвуковой волны и по полученному набору площа0дей сечений и расстояниям плоскостей движения ультразвуковой волны до оси трубы получают профиль сксфостей потока, жидкости по сечению.

Однако этот способ применим лишь

5 для течений в прямблинейных трубах кругового сечения, где имеет место поток жидкости с осевой симметрией относительно оси трубы. Благодаря этой осевой симметрии набор площа0дей сечений пространственной эпюр скоростей по любому направлению, проходящему через центр сечения трубы в плоскости этого сечения, будет один и тот же, что позволяет выбирать

5 произвольно плоскость, проходящую ,jiepe3 ось трубы, параллельно которой располагаются плоскости посылки ультразвуковых волн. Тем caNOJM. имеется некоторая свобода-выбора направления перемещения источника излучения в пространстве, поскольку на это направление наложено лишь одно огрйничение - перпендикулярность направлению излучения. При течении жидкости с несимметричным относительно оси профилем скорости набор площадей сечений прос транственной эпюры скоростей будет разным для каждого направления, проходящего через центр сечения трубы, и поэтому применение известного способа невозможно. По. предлагаемому способу источник излучения перемацают в плоскости, характеризующейся максимальной величинЪй плоцади сечения пространственн эпюры скоростей, при этом указанную плоскость выбирают путем поворота вспомогательного источника ультразву ковых волн вокруг трубы до получения максимума отклонения характеристики движения ультразвуковой волны по сра нению с покоящейся жидкостью. На фиг.1 изображена пространствен ная эпюра скоростей в трубе для тече имя, не обладающего осевой симметрие и сечение ее плоскостями, проходящим через ось трубы; на фиг,2 - распреде ление величин плоцадей сечений пространственной эпюры скоростей в поля ных координатах плоскостями, проходя щими через ось трубы; на фиг,3 - про транственная эпюра скоростей, изобра женная на фиг.1, когда система коорд нат, Х,УЦ выбрана так, чтобы максимальный вектор скорости лежал в плос кости ХОУ ; на фиг,4 - график зависимости от координаты у , площадей с чений S (у, ) , пространственной эпюры, скоростей плоскостями, параллельныг ш плоскости XOZ ; на фиг.5 - плоский профиль V(y. ,о) скоростей потока в трубе в плоскости ХОУ , его связь с профилями скоростей в других плоскостях и связь мелкДу профилем скоростей V(y ,о) , и распределением площадей сечений пространственной эПюры скоростей S(у); на фиг.6 принципиальная схема устройства для измерения площадей сечений пространственной эпюры скоростей, Вводят декартову систему координат xyz так, чтобы ось ОХ была перпендикулярна плоскости нормальног сечения трубы в исследуемом месте и совпадала с направлением вектора скорости потока, оси ОУ и OZ - взаим но перпендикулярные в плоскости нормального сечения. Пространственная эпюра скоростей в круглой цилиндрической трубе представляет собой для потоков, не обладающих осевой симметрией, сложную криволинейную по верхность, в основании которой лежит круг радиуса К с вершиной в точке Q, соответствующей точке М основания (Фиг,1), Если для пространственной эпюры взять набор сечений плоскостями, проходящими через ось ОХ, то площади сечений будут функциями угла поворота секущей плоскости относительно плоскости XOZ (фиг.2). Максимум площади сечения S (Vjfi) соответствует положению секущей плосзг кости, проходящей через ось ОХ и максимум вектора скорости. Вводят новую систему координат XXj Zy путем поворота системы ХУ2 на угол Ч. В этом случае максимум, вектора скорости V,q,( лежит в плоскости ХОУ, и пространственная эпюра скоростей симметрична относительно этой плоскости (фиг.З). Если теперь для пространственной эпюры скоростей взять набор сечений плоскостями, параллельными фиксированной плоскости XOZ , то плс«цади этих сечений S (у) будут некоторыми функциями от координаты У (фиг.4) . Характер пространственной эпюры скорости V (у ,Z) вполне определяется плоским профилем V (у. ,О) , являющимся результатом пересечения пространственной эпюры скорости плоскостью симметрии ХОУ (фиг,5). По профилю V (у , о) определяют изотахи течения, пользуясь тем, что эти изотахи для течения в круглой цилиндрической трубе представляют собой окружности с центрами в плоскости ХОУ , По набору изотах можно построить профиль скоростей в любой плоскости, в том. числе и для плоскостей, ,, ,Tf ... Т,.., перпендикулярных оси У, а по профилям скоростей можно определить величины с сечений пространственной эпюры скоростей плоскостями, перпендикулярными оси У (фиг, 5) . Вид кривой распределения площадей сечения S (у ) однозначно определяется видом профиля V( ,о), а следовательно, и видом пространственной эпюры скоростей потока жидкости в трубе Если излучать ультразвуковую волну поперек потока по некоторому направлению 1-1 (фиг,1), то наблюдается изменение характеристик ультразвуковой волны - снос ее потоком, изменение фазы, частоты, времени ее прохождения через поток по сравнению с покоящейся жидкостью. При этом изменение характеристик волны пропорционально площади сечения пространственной эпюры скорости в плоскости движения ультразвуковой волны. Так, при измерении скоса ультразвуковой волны известна зависимость S(Vi -CcyC)i-), где S (у ) - площадь сечения пространственной эпюры скорости в плоскости движения ультразвуковой волны; С - скосрость звука в исследуемой жидкости, Вспомогательный источник 1 ультразвуковых колебаний (фиг,6) излучает волну в плоскости, прохс дящей черей ось трубы. Приемник 2 принимает сигнал . Регистрирующий блок 3 по изменению характеристик ультразвуковой. волны определяет величину площгщк сечения пространственной эпюры скоростей в плоскости движения волны. Источник 4 ультразвуковыхколебаний излучает волну в плоскости, параллельной плоскости XOZ,; приемник 5 принимает сигнал от источника 4. Блок б измерения по изменению характеристик ультразвуковой волны определяет величину площади сечения пространственной эпюры скоростей в зависимости от координаты у. , расстояния плоскости движения ультразвукового луча от плоскости XOZj(. Трубопровод 7 имеет измерительную вставку, состоящую из трубы-проставьаиа 8 и корпуса 9, КОТОЕИЙ поворачивается относительно трубы-проставы ша 8. Измерительная вставка выполнен из материала, скорость распространен звука в котором равна скорости распространения звука в исследуемой жид кости. Вспомогательный источник 1 и приемник 2 закреплены неподвижно на кор пусе 9 по направлению диаметра трубы и поворачиваются вместе с корпуссии относительно трубы-проставьааа8 до положения, когда плоскость движения волны соответствует максимальному значению площади сечения пространственной эпюры скоростей. После такого поворота корпус 9 фиксируется относительно трубы 7, происходит замер площадей сечений пространственной эпюры скорости с помощью источника 4 и приемника 5, перемещающихся по пазам противоположных граней корпуса 9. Блок измерения 6 регистрирует значения площадей сечений пространственной эпюры скорости в зависимости от величины смещения источника 1 И приемника 2 от центра трубы вдоль оси у. Формула изобретения 1.Способ определения профиля скоростей потока жидкости в трубе по авт.св. 295583., отличающ и и с я тем, что, с целью определения несимметричного относительно оси трубы профиля скоростей потока, источник излучения перемещают в плоскости, Хч1рактеризующейся максимальной величиной площади сечения прострайственной эпюры скоростей. 2,Способ по п.1, отличающийся тем, что плоскость выбирают путем поворота вспомогательного источника ультразвуковых волн вокруг трубы до получения максимума отклонения характеристики движения ультразвуковой волны по сравнению с покоящейся жидцсостью.

1риг.}