流体动力学能量方程实验设备抽排气研究

　　物质一般分为三态，即固态、液态和气态。管内或设备中仅有三相中的一相流动，称为单相流动，单相流指的是液体在流动过程中没有气体的产生，只有单相的液体。单相流在工农业生产、科学实验和生活中具有重要的实际意义。工农业生产中，如输油管道油液中串有大量气体，流动断面被气体占据时，通过流量计采集的管道流量的计量精度将会出现较大误差，给生产、经营、效益带来负面的影响。生活中，管道液流中串有气体时，管道会出现振动和噪声，水表计量误差加大，影响广大群众的切身利益。在水动力学的科学实验中，实验区串入气体，采集的运动要素流量、压力会出现较大误差，不能满足水动力学的科学实验要求。

　　1 液气两相流、无气体单相流

　　在流体动力学的“能量方程实验设备”中，没有安装隔气抽气装置时，空气析出和串入形成液气两相流，在实验段的断面上气体占据1/3 ～1/2 的流动空间，随着流速增大，串入的气体占据的空间越来越大，致使处于气体中的测量装置动压和静压的数值波动或失效，严重影响实验数据的准确性，如图1 所示。

　　本实验设计安装隔气抽气装置抽吸了液体析出和串入的99% 气体，实验段是满管的单相流，完全满足测量数据的精度要求，如图2 所示。抽出管道液流中的气体，液流充满整个管道，运动要素在断面上的分布符合恒定流条件，满足流体动力学中连续性方程、能量方程、动量方程的应用条件。在实验系统中安装的流量计量装置误差小，各种测量仪的测量数据精度有所提高。

　　2 液气两相流抽气装置的工作原理

　　如图3 所示，高位水箱的水经底部向下泄流，其流量大小由阀门控制。水箱表面通大气，液面相对压力为零，其下水管2 各断面处于负压状态，位置越低液流断面收缩、液流速度越大，负压值增加。下水管2 各断面处于负压状态，导致气体的析出和气体的串入。在常温状态下液体内溶解了8% ～13% 的气体，当内部处于负压状态时，溶解于液体中的气体必然析出而形成气泡。高位水箱底部出流口为负压状态，当出流口流速较快时形成自下而上的漩涡，大量气体串入下水管2。为了保证恒定流状态，上水管4 提供的流量大于下水管2 的最大流量，多出的流量由溢流装置收集进入到泄流管3 而返回至低位水箱。在泄流管的下部位置设计安排了射水抽气装置，通过抽气管接到隔气抽气装置的出气口上，把气体抽出。若没有抽气隔气装置，混有大量气体的液体进入实验段就会破坏实验参数的准确性。

　　液气两相流隔气抽气装置如图4 所示。

　　当带有气体的液气两相流由进水管进入到隔气抽气装置时，首先进入到空间较大的液气分离室，气泡在浮力的作用下上升到顶部。液面及出气口为负压状态，上升至顶部的气泡从出气口被抽走，出气口负压是由射流抽气装置产生的，它利用溢流装置向下泄流而形成了射流抽气，抽气量的大小由阀门5 控制。液流跃过隔板2，通过隔气整流板进入到出水空间，由渐缩管组成的出水管把单相的液流引到实验段。当少部分气泡随液流到达隔气整流板时，较重的液流通过小孔流至出水空间，而较轻的气泡被挡在了隔气板上面，小气泡聚集成大气泡，浮力较大时上浮进入到出气口。

　　3 实验研究

　　图5 所示的“能量方程实验设备”是水动力学的实验之一。实验时泵把低位水箱的水压送至高位水箱1，高位水箱设计有溢流装置多余的水经溢流管3 回流到低位水箱。高位水箱的水面高度保持不变，提供给实验段恒定流的实验条件。高位水箱的水经下水管2 进入到隔气抽气装置9，单相的水流经过实验区19，后通过蜗轮流量计14、阀门13 回到低位水箱10。在实验管段设计了突缩、突扩、渐扩、渐缩，在几十组断面上安装了测速、测压装置。任选两组断面可进行流体动力学能量方程(1) 式的验证实验，同时(2) 式可验证局部能量损失。

　　在实验区的管道上安装的测点主要感受断面上的静压、全压，用全压减去静压得到动压，可以算出断面上的速度。静压、全压的大小由直测压管得到。因为实验管水平，两断面间的能量损失为两断面的全压之差。为了保证断面测点得到的数据是反映恒定流断面上的真实数据，需要实验段不串入气体并且是单相的满管流。

　　3. 1 无隔气抽气装置实验

　　没有采用隔气抽气装置，选择11、12 测点，管子内径Φ80 mm，10 ℃时水的运动黏滞系数γ =1. 31×10^－6m ²/s。

　　在11、12 测点其全压与静压之差等于动压，其表达式整理后得:

　　让闸阀从关闭到全开，记录测点11、12 的水柱高差Δh (m)，得到如表1 所示数据。

　　表1 阀门从关闭到全开的水柱高差

　　6组实验数据，动压为98. 0～1 569. 1 Pa，观察到气体在实验段的变化如图6。第一组动压力98 Pa 较小，速度0. 443 m/s、雷诺数27 053，此时管内混入气体较少，高位水箱下水处没有形成漩涡，外界气体没有串入。产生的少量气泡，主要是在下水管的喉部为负压状态，有气体从液体中析出进入到实验段。随着测点动压力的增加，测点流速增加，气泡快速增多，当动压力增加到第五组1 274. 9 Pa 时，形成了较成熟的漩涡，大量气体串入实验管段，气体占据了流动空间2/3 左右，测点处于气体中。

　　3. 2 加装隔气抽气装置实验

　　采用隔气抽气装置后，6 组实验数据动压从98. 0 ～1 569. 1 Pa，在动压达到1 569. 1 Pa，测点速度达到1. 77 m/s，雷诺数为108 091 时，测点处仍为单相的满管流，如图7 所示。

　　4 液气两相流抽气装置的意义

　　就流体动力实验的许多项目来说，隔气抽气装置把液流中的气体抽出具有普遍的意义。就生活、生产和科学实验来说，在单相的满管流中采集的物理参数能够满足生产、生活以及科学实验的基本要求。在液体流量的计量中使用节流、涡轮、孔板、体积、皮托管、文丘利等流量计，要保证计量的精确度须把混入的气体抽出，使管内的流体是单相流，使用液气两相流抽气装置是非常重要的手段。

　　液气两相流经加装隔气抽气装置抽气后可以达到以下目的:

　　1) 单相液流在管道中流动各点运动要素不随时间变化，流动平稳;

　　2) 单相满管流无气体占据流动空间，断面速度无急烈变化、无冲击，流动能量损失小，有效断面得到充分使用;

　　3) 无气体的满管流，液流计量装置误差小，测量数据精确度提高。

　　5. 2. 2 数据维护的处理

　　对于系统来说，数据是构成人员信息及进行统计筛选的基础，所以数据维护尤为重要。该系统可以对日常数据进行备份，数据导出后，按导出时间进行存储，而不是采取替代存储的方法。每次意外死机或系统瘫痪情况后，进行全盘扫描，对数据进行碎片整理，也就是之前提到的数据清洗和重组。

　　6 结 语

　　本文对基于B/S 结构和VS. net 技术的高职院校人力资源管理信息系统提出了架构设计和实现方案。该系统的设计和实现可以为人事管理部门对于人力资源的管理提供一些捷径，方便对各种信息数据的统计和汇总。目前，已经在逐步完善系统的各项性能，但在系统升级等方面还存在一些不足，期望在今后的使用和实践过程中进一步提高。