非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术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；所述高水位水箱设置有出水孔，所述低水位水箱设置有进水孔，并安装有可开启或关闭进水孔的水闸；所述波高仪由两个波高采集探头和一个波高处理仪组成，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，压力变送器与计算机连接。还提供了使用本发明专利技术所述测试装置的非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试方法。本发明专利技术所述装置和方法能快速、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。

Device and method for measuring resistance coefficient along pipeline inner wall in unsteady flow

The unsteady flow under the pipe wall friction coefficient testing device, including high water level and low water level water tank, water tank for measuring water level variation with time of the wave of Grohe, a pressure sensor for measuring pipe wall by water pressure and used for data recording, computer processing and storage; the high water tank water outlet is arranged, the low water level in the water tank is provided with a water inlet hole, and the installation can open or close the water inlet hole of sluice; the wave of Grohe by two wave height acquisition probe and a wave processing device, connecting wave processing instrument and computer; the pressure sensor is composed of a pressure collector and pressure transmitter, pressure transmitter and computer connection. A method of measuring the coefficient of resistance along the wall of a pipe under unsteady flow using the test apparatus of the present invention is also provided. The device and the method of the invention can rapidly and accurately test the coefficient of resistance along the pipeline wall of different liquid flow rates under unsteady flow.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于液体量测
，特别涉及管道内壁沿程阻力系数的测试装置及测试方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试方法，使用本专利技术所述测试装置，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vhg，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vdg，将vhg和vdg进行比较，若两个差值的绝对值小于或等于10cm/s，则以vhg或vdg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，hf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＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于包括高水位水箱(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)的一侧壁下部设置有出水孔(5)，所述低水位水箱(2)的一侧壁下部设置有进水孔(6)，并安装有可开启或关闭进水孔的水闸(4)，低水位水箱(2)的与设置进水孔的侧壁朝向相反的侧部底部设置有排水孔(7)，并配备有蓄水时用于封堵排水孔的塞子；所述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；所述压力传感器由压力采集器(8‑1)和压力变送器(8‑2)组成，压力采集器(8‑1)的数量与被测管道(10)上设置的测试孔(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试孔内，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。

【技术特征摘要】
1.非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于包括高水位水箱(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)的一侧壁下部设置有出水孔(5)，所述低水位水箱(2)的一侧壁下部设置有进水孔(6)，并安装有可开启或关闭进水孔的水闸(4)，低水位水箱(2)的与设置进水孔的侧壁朝向相反的侧部底部设置有排水孔(7)，并配备有蓄水时用于封堵排水孔的塞子；所述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；所述压力传感器由压力采集器(8-1)和压力变送器(8-2)组成，压力采集器(8-1)的数量与被测管道(10)上设置的测试孔(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试孔内，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。2.根据权利要求1所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于所述低水位水箱设置进水孔(6)的侧壁为夹层结构，所述水闸(4)由闸门和连接在闸门上的提把构成，闸门安装在侧壁的夹层中，提把的手持端延伸出侧壁的夹层。3.根据权利要求1或2所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于高水位水箱侧壁下部所设出水孔(5)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(6)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(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。4.根据权利要求1或2所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于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＝1.6d1～2d1，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(7)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。5.根据权利要求3所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于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＝1.6d1～2d1，高水位水箱所设出水孔的中心线与高水位水箱底壁外表面之间的间距＝低水位水箱所设进水孔的中心线与低水位水箱底壁外表面之间的间距＝2d1～3d1，低水位水箱所设排水孔(7)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外表面之间的间距等于该排水孔的孔径，式中，所述d1为被测管道的内径，单位为cm。6.根据权利要求1或2所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于高水位水箱(1)的长度a1＝宽度b1＝50～70cm，高水位水箱(1)的高度c1＝120～200cm；低水位水箱(2)的长度a2＝宽度b2＝30～50cm，低水位水箱(2)的高度c2＝90～150cm。7.根据权利要求3所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于高水位水箱(1)的长度a1＝宽度b1＝50～70cm，高水位水箱(1)的高度c1＝120～200cm；低水位水箱(2)的长度a2＝宽度b2＝30～50cm，低水位水箱(2)的高度c2＝90～150cm。8.根据权利要求4所述非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试装置，其特征在于高水位水箱(1)的长度a1＝宽度b1＝50～70cm，高水位水箱(1)的高度c1＝120～200cm；低水位水箱(2)的长度a2＝宽度b2＝30～50cm，低水位水箱(2)的高度c2＝90～150cm。9.非恒定流下管道内壁沿程阻力系数测试方法，其特征在于使用权利要求1至6中任一权利要求所述测试装置，步骤如下：①被测管道的加工将被测管道(10)的两端加工成喇叭口(10-1)，在靠近两端喇叭口的管壁上分别加工一个测压孔(10-2)，被...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建民，许唯临，刘善均，邓军，罗德莉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51