3.13: 系统分析中的能量守恒方法

1. 设置设施

1. 确保风扇没有运行, 因此设备中没有流。
2. 验证数据获取系统 (图 4(A)) 是否遵循图2B 中的示意图。
   1. 将压力传感器的正端口连接到阀门 () 的上游的压力开关 #1 (参考图 2B).
   2. 离开压力传感器的负端口 #1 打开到机房条件 (接收器:).因此, 该传感器的读数将直接.
   3. 将压力传感器的正端口连接 #2 (参见图 2B) 到压气室压力分路器 ().
   4. 将压力传感器的负端口连接 #2 (请参阅图2B 以供参考) 到阀门上游的压力水龙头 ().因此, 根据等式 (10) 的要求, 该传感器的读数将是直接.
3. 确保数据获取系统中的虚拟通道 0 (图 4(B)) 对应于压力传感器 #1 (), 虚拟通道1对应于压力传感器 #2 ().
4. 将数据采集系统设置为采样速率为100赫兹, 共500样本 (即5s 数据)。

表1。实验研究的基本参数。

图 4.流动设施。(A): 在安装所要研究的阀门之前, 将阀腔内放电的观点放到接收器部分。(B): 接收器内有三种不同的阀门。从左至右: 闸阀、截止阀、蝶阀。(C): 从接收器退出端口。阀门在接收器内排出流量, 风扇通过图片中的穿孔板从接收器中吸取流量.请单击此处查看此图的较大版本.

2. 测量

1. 记录连接到阀门的管道的直径, 并计算其横截面积。
2. 确定将阀门从完全闭合位置移至完全打开位置所需的手柄的最大旋转数。如果此数字不是整数, 则排除最后的小数旋转以简化此分析。对于当前的实验, 最大转数是12。
3. 完全关闭阀门。
4. 旋转阀门的手柄, 直到它完全打开, 同时计算满回合的次数。为简单起见, 只使用一个整数的轮数的实验。例如, 它需要大约12回合和1/3 的一个回合来完全打开这个实验中使用的阀门。因此, 我们将把这个阀门的手柄从完全闭合的位置转到12个完全旋转, 并将其定义为初始位置 ().
5. 打开流设备。
6. 使用数据采集系统记录和的读数.
7. 在表2中输入与数据获取系统一起获得的和的平均值.
8. 关闭阀门1.5 回合。
9. 重复步骤2.6 到 2.8, 直到表2完全填充。
10. 关闭流设备。

3. 数据分析

1. 使用等式 (5) 确定每个角位置的阀门损耗系数。在表2中输入这些值。
2. 使用方程式 (10) 确定阀门各角位置的流速。在表2中输入这些值。
3. 使用等式 (7) 确定操作点。在表2中输入这些值。
4. 计算测量流量与操作点之间的相对差
5. 使用公式 (3) 为的所有值生成系统曲线的图形. 请将总损失系数视为.
6. 使用等式 (2) 将风扇的特征曲线添加到同一图中。

表2。代表性的结果。压力差的测量和流速和损耗系数的估计。

能量守恒是一个行之有效的物理原理，经常应用于机械系统的设计和分析中。由于能量是守恒的，因此仔细考虑能量如何添加到系统中和从系统中消散，以及内部转换到各种形式，可以得出有关运行条件的重要细节。这种方法的优点是，它通常允许忽略系统的许多细节。因此，分析可以大大简化。本视频将说明能量守恒在带闸阀的流动系统中的应用。并展示如何使用这种方法来确定系统的工作点以及阀门的损耗系数。

考虑此示意图中所示的 Flow Facility。空气从大气条件被吸入增压室，并通过带有尖锐入口、闸阀和开放式排放口的短管段流入接收室。然后，空气流经孔板和离心风扇，然后返回大气条件。流动携带的总能量是动能、势能和热力学分量的组合，如流动中某一点的比能量方程所示。这些组件可以通过系统自由地从一种类型转换为另一种类型。请注意，alpha 是一个校正因子，用于考虑整个流段的速度不是恒定的。对于湍流，通常将 alpha 视为 1。对于层流，它明显更大。在中等雷诺数的管道流中，alpha 约为 1.1。由于能量是守恒的，因此流动中两点之间比能量的任何差异都必须是外部对流体或耗散的作用的结果。此外，如果分析仅限于相同高度的点，则引力势不会对差异产生影响。这是系统的能量方程。现在考虑系统损失。最重大的损失将发生在管道入口、阀门和排放口。这些损失与流动的动能成正比，并且可以使用连续性与流速相关。可以看出，入口和放电的损耗系数分别为 1/2 和 1。考虑空气从增压室流入管段时会发生什么。没有添加能量，但在入口处有一些耗散。此外，由于与管道截面中的流速相比，增压室中的流速可以忽略不计，因此可以忽略不计。其余项可以重新排列，以根据这些点之间的压力差得出流速。现在考虑从阀门上游到接收器的管段的压降。同样，没有添加能量，阀门和排放处会发生损失。与管段相比，接收器中的流速可以忽略不计，因此方程再次简化。在这种情况下，阀门损失是流量的函数，可以确定压差。最后，考虑整个系统。流体以相同的压力和速度进出系统。因此，轴增加的功必须等于系统中的总损耗。如果风扇的性能曲线已知，则可以预测给定总损耗因子的运行点或系统的预期流速。通过将风扇性能曲线与系统性能曲线一起绘制，可以图形方式确定工作点。在给定的流速下，风扇曲线表示以压力跃变形式增加的比能量，而系统曲线表示比能量损失。在稳定状态下，这两个贡献必须相等。现在，您已经了解了如何使用能量守恒来分析系统，让我们使用这种技术来校准阀门并确定工作点。

在开始设置之前，请熟悉设施的布局和安全程序。检查风扇是否未运转，并且没有流经测试区域。现在设置数据采集系统，如文中所示。将增压室压力片连接到压力传感器 2 的正端口。然后将阀门上游的压力片连接到传感器 2 的负油口以及传感器 1 的正油口。将传感器 1 的负端口保持在室内条件下。数据采集软件确保虚拟通道 0 和 1 分别对应于压力传感器 1 和 2。最后，将采样率设置为 100 赫兹，将总样本数设置为 500。设置数据采集系统后，测量测试管的内径并计算其横截面积。接下来，顺时针转动阀门手柄，直到阀门完全关闭。然后一次将手柄旋转一整圈以打开阀门，并计算完全打开阀门所需的整圈次数。如果还剩下部分转弯，请将手柄返回到最近的整圈。根据刚刚计算的回合数选择一个方便的增量。例如，如果匝数为 12，则 1.5 匝的增量将得到从完全打开到几乎完全关闭的 8 个测试点。将阀门保持在完全打开的位置并打开流量装置。现在，使用数据采集系统确定两个传感器在此阀门位置测量的平均压差并记录这些值。以一个增量关闭阀门并重复测量。继续逐步关闭阀门并进行测量，直到阀门几乎完全关闭。收集完所有数据后，关闭流量装置。

在每个阀门位置，由从完全打开位置开始的圈数测量，您可以测量增压室和阀门上游管段之间的压力差，以及测量阀门上游和接收器上游管段之间的压力差。对阀的每个位置执行以下计算。首先，使用前面导出的方程式，根据增压室和上游管段之间的压降计算流速。一旦知道了流量，就可以根据上游管段和接收器之间的压降计算出阀门的损耗系数。使用损失系数确定该阀位置的工作点或预期气流。最后，通过计算两者之间的相对差值，将工作点与实验流速进行比较。现在看看你的结果。

绘制文本中描述的风扇特性曲线，然后添加阀门每个位置的总损失的系统曲线。系统曲线的斜率和阀门的损耗系数都增加了，阀门关闭，这表明随着流量的限制，能量耗散增加。从概念上讲，当 KV 接近无穷大时，所有能量都耗散在阀中。在观察到的流速范围内，百分比误差很低，但总是被低估。此外，误差会随着阀门的关闭而减小。此行为是意料之中的，因为校正因子 alpha 随雷诺数略有增加。

能量守恒经常用于分析复杂的工程系统。风携带的动能可以被风力涡轮机收集以产生电力。通过比较上游和下游的流动条件，能量方程可用于评估从风中去除了多少能量。回收的能量的大小将由电击功给出。变化是重力势能可用于评估溢洪道上的水流速。这是通过测量溢洪道上游和下游的深度与质量守恒方程相结合完成的。

您刚刚观看了 Jove 的能量守恒分析简介。现在，您应该了解如何将能量方程应用于流动系统、校准损耗系数并确定工作点。感谢观看。