陸 力，徐洪泉，孟曉超，張海平，張建光

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

渾水條件下水頭及流量測(cè)量方法探討

陸 力，徐洪泉，孟曉超，張海平，張建光

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

從渾水水頭的定義入手，提出了以一個(gè)壓力場(chǎng)和兩個(gè)速度場(chǎng)為前提的渾水水頭表達(dá)方式，并在對(duì)歐拉數(shù)、壓力系數(shù)、流量系數(shù)等相似參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確認(rèn)了兩相流條件下渾水水頭的相似表達(dá)。其次，本文還探討了泥沙等固體顆粒進(jìn)入壓力測(cè)量管路給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的不確定性和巨大影響，介紹了渾水水頭的正確測(cè)量方法，推導(dǎo)了避免泥沙顆粒進(jìn)入測(cè)壓管路的渾水水頭測(cè)量計(jì)算公式，提出了通過測(cè)量泥沙流量濃度和體積濃度的方式間接測(cè)量計(jì)算泥沙流速和清水流速的方法。關(guān)于固液兩相流的流量測(cè)量，主要介紹了電磁流量計(jì)不受固體顆粒影響并可高精度測(cè)量渾水流量的原理，論述了固體顆粒對(duì)文透里流量計(jì)測(cè)試渾水流量的影響，介紹了水輪機(jī)蝸殼壓差流量計(jì)在渾水條件下高低壓兩側(cè)泥沙濃度的巨大差異，分析了其產(chǎn)生的原因及對(duì)流量測(cè)試的影響，提出了初步的解決辦法。

渾水；兩相流；水頭；流量；渾水密度；測(cè)量不確定度；泥沙流速

1 符號(hào)及下標(biāo)

H-凈水頭，m

g-重力加速度，m/s2

ρ-渾水密度，kg/m3

ρS-泥沙密度，kg/m3

ρW-清水密度，kg/m3

Q-渾水流量，m3/s

QS-泥沙流量，m3/s

QW-清水流量，m3/s

v-渾水平均流速，m/s

vW-渾水中清水平均流速，m/s

vS-渾水中泥沙平均流速，m/s

Z-高程，向上為正，通常用海拔高程，m

p-壓強(qiáng)（常簡(jiǎn)稱為壓力），Pa

pm-壓力傳感器測(cè)量壓強(qiáng)，Pa

1－下標(biāo)，水力機(jī)械高壓側(cè)測(cè)壓斷面

2－下標(biāo)，水力機(jī)械低壓側(cè)測(cè)壓斷面

2 固液兩相流的水頭定義

渾水和兩種不同的液體組成的混合液不同，也和固體溶解于水后的溶液不同，其是泥沙等固體顆粒懸浮于水中的兩相流。由于固體顆粒的存在，其進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)會(huì)降低壓力和壓差的測(cè)量精度，帶來(lái)的渾水密度變化會(huì)影響單位參數(shù)的選取，固體顆粒和清水之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)渾水水頭的定義及測(cè)量帶來(lái)很大的影響。

2.1 兩相流的兩個(gè)流速場(chǎng)

在清水條件下，水力機(jī)械的工作水頭（如圖1所示[1]）可表示為：

圖1 水力機(jī)械的水頭測(cè)量及定義示意圖

但是，渾水內(nèi)的固體顆粒并非流體，無(wú)法自主流動(dòng)，主要靠水流裹挾其運(yùn)動(dòng)，勢(shì)必會(huì)和清水間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。此外，由于固體顆粒和水的密度不同，兩者之間所受的質(zhì)量力（包括重力、離心力和慣性力等）不同，也會(huì)促使二者產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成固體顆粒與清水之間流速大小及方向的不同[2]。例如，當(dāng)渾水在流速恒定的直管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，固體顆粒的流速一般應(yīng)小于裹夾泥沙向前流動(dòng)的清水流速；當(dāng)因流道擴(kuò)散渾水流速降低時(shí)，固體顆粒則可能因慣性力大而減速慢，在此流道內(nèi)運(yùn)行較長(zhǎng)后可能大于清水流速；當(dāng)流道轉(zhuǎn)彎時(shí)，固體顆粒有可能因密度大、離心力大而向轉(zhuǎn)彎流道的外側(cè)偏移，其流速方向和清水產(chǎn)生差異。

其實(shí)，只要有兩相流存在，即使沒有兩個(gè)流速場(chǎng)，固體顆粒和清水所具有的動(dòng)能因其質(zhì)量和密度的不同而不同，只不過是如固液兩相流速相同，兩相流的能量方程和平常并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。但若兩個(gè)速度場(chǎng)存在，其能量方程則不能用單相流體的方程來(lái)表達(dá)。

2.2 固液兩相流的能量方程

水頭（或揚(yáng)程）由靜水頭和動(dòng)水頭兩部分組成。在渾水流動(dòng)中，固體顆粒和水以不同的速度運(yùn)動(dòng)，具有不同的動(dòng)能。但在同一空間座標(biāo)點(diǎn)，只能有一個(gè)壓力，固體顆粒和水共處于同一壓力場(chǎng)下。也就是說，在渾水流動(dòng)中，壓力p不僅作用在水體上，也作用在固體顆粒上，即作用于整個(gè)過流斷面A上。在時(shí)間t內(nèi)壓力p所作的功為W=p·A·v·t=p·Q·t，應(yīng)用其于水力機(jī)械的高、低壓側(cè)，并將渾水位能及兩相介質(zhì)的動(dòng)能按總能量進(jìn)行合成，可得渾水水頭（或揚(yáng)程）計(jì)算公式。

以水輪機(jī)為例，在機(jī)組高壓側(cè)（用下標(biāo)“1”表示），在t時(shí)段內(nèi)流經(jīng)機(jī)組的渾水壓能、位能及動(dòng)能之和表示為：

類似的，在低壓側(cè)：

其高低壓側(cè)總能量之差為：

t時(shí)段內(nèi)流經(jīng)機(jī)組的渾水總重量為：

根據(jù)水頭的定義，渾水水頭H=ΔW/G，可表示為：

這就是考慮了固液兩相流速不相同時(shí)（即vs≠vW）的渾水水頭計(jì)算公式。

在（6）式中，CQ=QS/Q，是過測(cè)量斷面泥沙流量QS與總流量Q之比，可稱其為流量濃度。

如忽略固體顆粒和清水流速的差異，則ρ1≈ρ2≈ρ，式（6）簡(jiǎn)化為

和清水的水頭計(jì)算公式相同，區(qū)別只在于（7）式中的ρ為渾水密度，而非清水密度。

2.3 相似換算中渾水水頭的使用及定義

由（7）式可知，渾水水頭是用渾水水柱高度表示的水壓力。但是，關(guān)于渾水水頭的表達(dá)或定義還存在一些爭(zhēng)議或不一致，仍然有部分學(xué)者主張采用清水水柱高度來(lái)表示渾水壓力。如此，（7）式修改為：

比較（7）、（8）二式，究竟應(yīng)采用哪個(gè)呢？這也可以采用轉(zhuǎn)速因數(shù)、流量因數(shù)等相似系數(shù)來(lái)加以分析判斷。

轉(zhuǎn)速因數(shù)（nED）和流量因數(shù)（QED）都是由歐拉數(shù)變換而來(lái)的。歐拉數(shù)可表示為[1]：

該式中Δp/ρ和轉(zhuǎn)速因數(shù)、流量因數(shù)計(jì)算公式中的gH是一致的。

也就是說，要保持歐拉相似，或要求保持轉(zhuǎn)速因數(shù)（相當(dāng)于單位轉(zhuǎn)速n11，n11=n·D/H1/2）、流量因數(shù)（相當(dāng)于單位流量Q11，Q11=Q/(D2·H1/2）等單位參數(shù)相似，所用水頭應(yīng)為實(shí)際壓力p及實(shí)際密度下形成的實(shí)際水柱，系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的是清水則用清水密度，系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的是渾水則用渾水密度。因此，不應(yīng)像（8）式那樣將渾水水頭表示為清水水頭。

3 渾水的壓力壓差測(cè)量

3.1 泥沙進(jìn)入測(cè)壓管路給壓力壓差測(cè)量帶來(lái)的問題

在許多水利水電工程中，常需測(cè)量渾水壓力和壓差。在清水的壓力測(cè)量中，多采用壓力傳感器。在某些試驗(yàn)中，取壓點(diǎn)有可能是負(fù)壓（低于大氣壓力），為避免進(jìn)氣和保護(hù)傳感器（部分壓力傳感器和差壓傳感器不能應(yīng)用于負(fù)壓環(huán)境），常需將傳感器布置在取壓點(diǎn)高程下方（如圖2所示）。如取壓點(diǎn)壓力有可能低于汽化壓力，傳感器需布置于取壓點(diǎn)高程10m以下。

如將渾水直接接入壓力測(cè)試系統(tǒng)，因測(cè)試管道內(nèi)沒有流動(dòng)，泥沙會(huì)逐漸沉積，其密度會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)慢慢增大，發(fā)展至大于被測(cè)試流道內(nèi)實(shí)際渾水流體的密度，甚至有可能造成測(cè)試系統(tǒng)堵塞。猶為嚴(yán)重地是，測(cè)壓管道內(nèi)的渾水濃度和密度是隨時(shí)間變化的，是不確定的。而傳感器測(cè)量的壓力是和測(cè)量管路內(nèi)渾水的密度密切相關(guān)的，這勢(shì)必會(huì)給壓力測(cè)量帶來(lái)很大的不確定性，嚴(yán)重影響壓力測(cè)量的精度。

如圖2所示，假定傳感器安裝在取壓點(diǎn)以下，取壓點(diǎn)和傳感器之間高程差為Z（m），取壓點(diǎn)壓力為p（Pa），傳感器處測(cè)量壓力為pm（Pa），測(cè)量管道內(nèi)渾水的平均密度為ρm（kg/m3），當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間（m/s2），則測(cè)量壓力和取壓點(diǎn)壓力之間存在如下關(guān)系：

也就是說，在取壓點(diǎn)壓力p不變的情況下，傳感器測(cè)量壓力pm和測(cè)壓管道內(nèi)水體密度有很大關(guān)系，可能因測(cè)量管路內(nèi)渾水密度ρm的變化而變化。但是，測(cè)量管路內(nèi)是靜水，泥沙濃度會(huì)因沉積而改變，渾水密度也因此而變化，給壓力測(cè)量帶來(lái)很大的不確定性。如假定被測(cè)量渾水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“渾水系統(tǒng)”）內(nèi)渾水密度ρ=1050kg/m3，而測(cè)量管路內(nèi)渾水密度ρm=1060kg/m3，取壓點(diǎn)壓力p=100000Pa，Z=10m，則壓力傳感器測(cè)量壓力pm=203950Pa。但是，由于測(cè)量管路中的渾水密度處于變化中，且無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，如取ρm=ρ=1050kg/m3，換算出的取壓點(diǎn)壓力為100981Pa，比實(shí)際壓力高出近1%。當(dāng)然，也可能因測(cè)壓管路內(nèi)泥沙沉積時(shí)間較短而存在管道內(nèi)渾水密度低于被測(cè)量系統(tǒng)的情況，例如ρm=1010kg/m3，如仍采用ρ=1050kg/m3，換算出的取壓點(diǎn)壓力為96077Pa，比實(shí)際壓力低4%。

與此相似，渾水的壓差測(cè)量也存在類似的問題。盡管壓差測(cè)量中，由于其測(cè)量多采用一個(gè)差壓傳感器測(cè)量，也就是說測(cè)量元件安裝在同一高程上，可能會(huì)有人認(rèn)為測(cè)壓管路內(nèi)渾水密度不確定產(chǎn)生的影響會(huì)相互抵消。其實(shí)不然，這有兩個(gè)原因。其一，高、低壓兩側(cè)取壓點(diǎn)高程Z1和Z2不同，即使兩個(gè)管路內(nèi)渾水密度相同，取壓點(diǎn)高程上的差也會(huì)給壓差測(cè)量帶來(lái)偏差。其二，高、低壓兩側(cè)取壓點(diǎn)壓力不同，斷面形狀也不同，泥沙進(jìn)入測(cè)壓管路的質(zhì)量不同，兩個(gè)管路的渾水密度ρm1和ρm2也不可能相同，故其帶來(lái)的不確定性及偏差也不可能被抵消。

圖2 壓力測(cè)量系統(tǒng)布置示意圖

3.2 渾水的壓力壓差測(cè)量方法

可通過如下兩種途徑消除渾水密度不確定造成的影響，精確測(cè)量渾水的壓力、壓差：

第一，設(shè)法阻止泥沙顆粒進(jìn)入測(cè)量管路，保持測(cè)量管路內(nèi)始終充滿清水。由于清水密度可精確測(cè)量或計(jì)算（根據(jù)水溫和標(biāo)定公式計(jì)算），故可消除渾水密度不確定帶來(lái)的壓力、壓差測(cè)量誤差。在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的水力機(jī)械渾水模型試驗(yàn)系統(tǒng)，我們采用隔離和排沙兩種方式設(shè)計(jì)開發(fā)了兩種專利技術(shù)，既可以防止泥沙顆粒進(jìn)入測(cè)壓管路，又不影響壓力的正常傳遞，保證了渾水壓力的高精度測(cè)量。

第二，可將壓力傳感器直接安裝于圖2所示的取壓點(diǎn)，對(duì)于壓差測(cè)量則采用兩個(gè)單壓力傳感器分別安裝在高低壓兩側(cè)的兩個(gè)取壓點(diǎn)。在中國(guó)的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)模型渾水驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL142-2008）[3]和《水泵模型渾水驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL141-2006）[4]中，就推薦采用兩個(gè)單壓力傳感器來(lái)測(cè)量水頭或揚(yáng)程。但是，采用這種方式測(cè)量務(wù)必注意傳感器的壓力測(cè)量范圍，不能將不能承受負(fù)壓的傳感器安裝在可能出現(xiàn)負(fù)壓的取壓點(diǎn)；此外，采用兩個(gè)壓力傳感器測(cè)量壓差，有可能大幅度降低壓差測(cè)量的精度。

4 渾水水頭的測(cè)量及計(jì)算問題

如式（6）所示，要精確測(cè)量?jī)上嗔鳁l件下渾水水頭H，首先需精確測(cè)量渾水密度ρ，其次是消除渾水密度及高程差的影響，其三則為分別確定固體顆粒和清水的速度。

4.1 渾水密度的測(cè)量

渾水密度的測(cè)量方式很多，最精確的是從渾水流道內(nèi)取水，用稱重和測(cè)量體積的方式獲得渾水密度，但其測(cè)量方式比較原始，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集。能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集的方式是采用各種濃度儀，可根據(jù)測(cè)量的體積濃度CV及已知的ρS、ρW采用下式計(jì)算確定渾水密度ρ。

在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)械模型渾水試驗(yàn)臺(tái)采用超聲衰減法測(cè)量濃度，其反映的是泥沙體積濃度，故可通過測(cè)量CV采用（13）式計(jì)算確定渾水密度。但是，受濃度儀測(cè)量精度的限制，用該方法間接確定的渾水密度偏差會(huì)比較大。

4.2 消除渾水密度及高程差的影響

如式（6）第二部分所示，高、低壓兩側(cè)的兩個(gè)渾水密度ρ1和ρ2及兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間的高程差都會(huì)對(duì)渾水水頭的準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)生影響。

如水輪機(jī)高低壓側(cè)壓力均采用單壓力傳感器測(cè)量，且均安裝在取壓點(diǎn)高程，并假定ρ1=ρ2=ρ（在兩相流速度差變化不大條件下可認(rèn)為它們近似相等），式（6）第二部分的渾水水頭（位置水頭）等于Z1-Z2。

如采用差壓傳感器來(lái)測(cè)量水頭，并定義從傳感器到水輪機(jī)進(jìn)口取壓點(diǎn)的高程為Z1，從傳感器到水輪機(jī)出口取壓點(diǎn)的高程為Z2，如能在測(cè)壓管路內(nèi)也保持ρ1=ρ2=ρ，則差壓傳感器測(cè)量的差壓等于（6）式的第一部分，渾水位置水頭仍等于Z1-Z2。但是，測(cè)量管路內(nèi)的渾水密度處于不確定狀態(tài)，需改用清水。此時(shí)的測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生如下變化：

如假定差壓傳感器的高壓側(cè)壓力為pm1，低壓側(cè)壓力為pm2，則

差壓傳感器測(cè)量的壓差Δpm=pm1-pm2可表示為：

將（16）式代入（7）式可得：

這就是忽略固液兩相之流速差異、采用差壓傳感器測(cè)量壓差、測(cè)壓管道內(nèi)采用清水的水頭計(jì)算公式。

4.3 兩相流中泥沙速度和清水流速的測(cè)量

就目前測(cè)試水平而言，在固液兩相流中區(qū)分出固體顆粒速度和清水流速是非常困難的。首先是因?yàn)椋苯訙y(cè)量并區(qū)分這兩個(gè)流速目前還幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，即使采用PIV技術(shù)也難度很大，更不用說用于確定動(dòng)水頭；其次，水輪機(jī)的尾水管出口及混凝土蝸殼的進(jìn)水?dāng)嗝嫘螤疃挤浅?fù)雜，即使清水試驗(yàn)中的平均流速也采用的是近似值，有一定偏差，在兩相流條件下固體顆粒和清水流速的大小和方向都會(huì)產(chǎn)生變化，測(cè)量則更加困難。因此，在實(shí)際的動(dòng)水頭測(cè)量中，暫按一個(gè)流速（平均流速）計(jì)算。

但是，對(duì)于一些比較規(guī)則的斷面，如能比較準(zhǔn)確的測(cè)量斷面面積A、流量Q、體積濃度CV和流量濃度CQ，則可在計(jì)算該斷面平均流速v（v=Q/A）和固體顆粒所占過流面積AS（AS=A·CV）后，分別計(jì)算固體顆粒速度vs及清水流速vW。

5 渾水流量的測(cè)量問題

5.1 流量測(cè)試方法簡(jiǎn)介

測(cè)量液體流量的方法及儀器設(shè)備很多，可用于有壓流動(dòng)流量測(cè)量的主要有電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、文透里流量計(jì)等。在混流式和軸流式水輪機(jī)中，還經(jīng)常應(yīng)用蝸殼壓差來(lái)測(cè)量流量，以測(cè)量計(jì)算水輪機(jī)的相對(duì)效率或絕對(duì)效率。能否應(yīng)用這些流量測(cè)量設(shè)備及方法于渾水流量測(cè)量，需根據(jù)其測(cè)量原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)和解決問題，以提高渾水流量測(cè)試精度。

5.2 電磁流量計(jì)在渾水流量測(cè)試中的應(yīng)用

電磁流量計(jì)是利用測(cè)量導(dǎo)電的液流在外磁場(chǎng)的作用下所產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的流量測(cè)試裝置，其工作依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律。在位于兩磁極之間的管道中流過導(dǎo)電液體，其運(yùn)動(dòng)方向垂直于磁力線方向。在磁場(chǎng)作用下，液體中的離子以一定的方式移動(dòng)，并把自己的電荷傳給測(cè)量電極，在電極上產(chǎn)生與液體流速v成比例的電動(dòng)勢(shì)E。在恒定磁場(chǎng)的情況下

式中：B-磁極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T

v-液體的流速，m/s

d-管道內(nèi)徑，m

可得

這表明電磁流量計(jì)的流量Q與電動(dòng)勢(shì)E成線性關(guān)系，可用于測(cè)量導(dǎo)電性液體的流量，不受液體壓力、溫度、粘度、密度及電導(dǎo)率等影響。夾雜著泥沙顆粒的渾水，盡管其密度、粘度及電導(dǎo)率都和清水不同，但由于電磁流量計(jì)的上述特性，其不僅可以用于含泥沙顆粒的渾水流量測(cè)量，還可以用清水進(jìn)行流量計(jì)標(biāo)定（確定流量Q和電動(dòng)勢(shì)E之間的關(guān)系），并把該標(biāo)定關(guān)系直接用于渾水流量測(cè)量。

在水力機(jī)械的模型試驗(yàn)中，大多數(shù)都采用電磁流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量，其測(cè)試不確定度多數(shù)都小于0.15%。在水力機(jī)械模型的渾水測(cè)試系統(tǒng)中，電磁流量計(jì)也應(yīng)成為其流量測(cè)試設(shè)備的優(yōu)先選擇。

5.3 文透里流量計(jì)在渾水流量測(cè)試中的應(yīng)用問題

文透里流量計(jì)是利用流道收縮（或擴(kuò)散）后流速變化會(huì)引起壓力變化的原理，通過測(cè)量收縮前直管段和收縮后直管段壓力差的方式計(jì)算確定過流流量。在采用文透里流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量前，需采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)量裝置對(duì)其進(jìn)行流量標(biāo)定，以確定文透里流量計(jì)差壓Δh和流量Q的函數(shù)關(guān)系（通常為指數(shù)關(guān)系，Q=A·Δhn，n為接近0.5的指數(shù)）。

在清水的流量測(cè)試中，文透里流量計(jì)一直發(fā)揮著重要作用，測(cè)試精度也比較高。如測(cè)量壓差能采用合適量程、高精度傳感器，并能進(jìn)行較高精度的原位流量標(biāo)定，文透里流量計(jì)的測(cè)量不確定度可小于0.2%。

但是，文透里流量計(jì)并不適合于渾水的流量測(cè)量。首先，文透里流量計(jì)是用兩點(diǎn)壓差來(lái)測(cè)量流量，而渾水中的泥沙如進(jìn)入差壓測(cè)量管路，勢(shì)必造成管路內(nèi)渾水密度變化，大幅度增大測(cè)量不確定度；其次，文透里流量計(jì)有一段收縮流管道，其勢(shì)必造成固體顆粒和清水流速比例（vS/vW）的變化，使收縮后的低壓測(cè)量斷面渾水密度產(chǎn)生變化。如果該文透里流量計(jì)是垂直安裝，該密度變化自然會(huì)使壓力產(chǎn)生變化，從而造成在和清水流量相同時(shí)壓差的不同。

5.4 蝸殼壓差在渾水電站流量及效率試驗(yàn)中應(yīng)用分析

在水電站中，常利用蝸殼壓差測(cè)量相對(duì)流量，這對(duì)于測(cè)量絕對(duì)流量非常困難的水電站來(lái)說是一非常好的選擇。其即可以利用難得的絕對(duì)流量測(cè)量對(duì)蝸殼壓差進(jìn)行標(biāo)定，在其后的測(cè)量中用測(cè)量蝸殼壓差獲得絕對(duì)流量；也可在沒有絕對(duì)流量測(cè)量的條件下用某蝸殼壓差來(lái)代表某指定流量（或假設(shè)流量），可用于調(diào)整轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系、比較電站改造前后水輪機(jī)性能等。但是，在泥沙含量高的電站中，這可能會(huì)出現(xiàn)如下三方面問題。

第一，由于泥沙可能會(huì)進(jìn)入測(cè)量蝸殼壓差的測(cè)量管路，會(huì)改變?cè)摴苈穬?nèi)的渾水密度，而該進(jìn)入測(cè)量管路的泥沙是不確定的，因而其帶來(lái)的測(cè)量誤差也不確定。更嚴(yán)重地是，蝸殼壓差的值本身很小，這就使該不確定性對(duì)流量測(cè)量的影響更大，即不確定度更大。

第二，是因?yàn)槲仛翰钍抢梦仛?nèi)外側(cè)離心力不同帶來(lái)的壓力差來(lái)測(cè)量流量的，而在渾水條件下該離心力會(huì)使蝸殼內(nèi)的泥沙向外側(cè)匯聚，使蝸殼內(nèi)外兩個(gè)測(cè)壓孔的渾水密度產(chǎn)生非常大的變化。中國(guó)的中水北方設(shè)計(jì)研究院在某水電站的的渾水測(cè)量中曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從蝸殼壓差測(cè)量的高壓（蝸殼外側(cè)）和低壓（蝸殼內(nèi)側(cè)）兩個(gè)測(cè)壓孔放出的渾水中泥沙濃度差別非常大（如圖3所示），蝸殼外側(cè)放出的渾水中泥沙含量遠(yuǎn)高于內(nèi)側(cè)，也高于在水輪機(jī)其它位置放出的渾水（圖3B中7號(hào)瓶）。在這種情況下，在相同的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入高、低壓兩個(gè)測(cè)壓管路內(nèi)的泥沙含量也會(huì)有很大差別，進(jìn)一步增加蝸殼壓差及其所反映流量的測(cè)量不確定度。

第三，在渾水條件下，可能會(huì)由于外側(cè)泥沙濃度增加（即渾水密度增加）而壓力比清水時(shí)增加，而內(nèi)側(cè)也會(huì)由于泥沙濃度減?。礈喫芏葴p?。┒鴫毫Ρ惹逅畷r(shí)減小，從而使蝸殼壓差在相同流量時(shí)比清水增大。這方面問題比較復(fù)雜，影響因素很多，且相互交織在一起，許多還需要試驗(yàn)驗(yàn)證，今后需加強(qiáng)研究。

圖3 某水電站蝸殼差壓流量計(jì)放渾水位置示意及接水照片

6 結(jié)論

綜合上述分析，可得如下幾條結(jié)論：

（1）在固液兩相流中，存在兩個(gè)流速場(chǎng)和一個(gè)壓力場(chǎng)；

（2）從相似性方面考慮，渾水水頭應(yīng)采用與相應(yīng)渾水密度相對(duì)應(yīng)的渾水水柱表示，而不應(yīng)修改為清水水柱；

（3）渾水中的泥沙等固體顆粒如進(jìn)入測(cè)壓管路，可能會(huì)大幅度增加壓力和水頭測(cè)量的不確定度，增加測(cè)量誤差；

（4）電磁流量計(jì)測(cè)量不受介質(zhì)密度、粘度、電導(dǎo)率及是否含有雜質(zhì)影響，適用于渾水流量的測(cè)量，且可將清水標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用于渾水流量測(cè)試；

（5）當(dāng)流道轉(zhuǎn)彎、收縮或擴(kuò)散時(shí)，渾水中的固體顆粒會(huì)受慣性力或離心力影響，和清水產(chǎn)生流動(dòng)方向和速度的差異，造成渾水密度在不同部位的變化和差異，會(huì)給采用文透里流量計(jì)、蝸殼壓差流量計(jì)測(cè)渾水流量帶來(lái)很大偏差，尤其要避免泥沙在差壓測(cè)量管路的沉積給測(cè)量帶來(lái)的偏差。

[1]IEC60193-1999Modelacceptancetestsofhydraulicturbines, storagepumpsandpump-turbines[S].

[2]蔡保元.離心泵的"二相流"理論及其設(shè)計(jì)原理[J].科學(xué)通報(bào)，1983.

[3]SL142-2008水輪機(jī)模型渾水驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4]SL141-2006水泵模型渾水驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程[S].

[5]IEC60041-1991Fieldacceptancetesttodeterminethehydraulic performance ofhydraulice turbine,storage pumpsand pump-tubines[S].

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1672-5387（2017）05-0001-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.001

2016-04-20

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“水力機(jī)械磨蝕測(cè)試系統(tǒng)研制”（2011YQ070049）。

陸 力（1959-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水力機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)試驗(yàn)及磨蝕性能研究工作。