T型靠背风速管研制及其在动车组流量测试中的应用

许良中,潘云艳,刘堂红

(1.中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室,长沙 410075; 2.南车株洲电力机车有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

目前差压测速元件分标准型皮托管和非标准型皮托管2类。标准型皮托管在使用时具有诸多局限性：首先，标准型皮托管主要用于实验室内测量清洁气流和含尘浓度小于0.05mg/kg的气流流速；其次，安装时要求全压孔对准气流方向，静压孔在气流的垂直方向上，因此对标准L型皮托管安装要求较高，气流的风偏角不能大于3°[1-2]；第三，测试风道内的平均流速需要多个测速元件按照相关标准同时布置在风道断面上，对于比较细小的管道，特别是在管道四周比较狭窄，安装空间不足的情况下，使用标准型皮托管具有相当大的局限性；最后，在风道气流具备双向流动特性的特殊情况下，标准型靠背管完全不适用。因此，对非标准测速元件的开发，特别是对结构简单、制造使用方便和适用于工程应用测速元件的开发显得尤为重要。

孙志强等人利用流场数值分析、结合实验等手段研究了一种改良S型皮托管的流速系数，并分析了马赫数对流速系数的影响[3]。张澄、赵秀英等研究了各种形式的单支测压探头，对各种不同形状的探头，在不同的流速和来流方向下分析流速系数变化规律；最后确定弯头形式的单只探头(见图1)压力系数在不同的速度之下变化很小，对气流方向的敏感程度也很小，在许多单支探头中是较佳的全压孔形式[4]。最佳的背压孔布置在了直管段背风侧[5]，这种形式的靠背管形式新颖，但不是对称结构，不能解决双向流问题。

图1 最优全压孔单只探头形式

为解决动车组底板和部分通风通道流速方向变化、安装空间狭小而无法采用传统测速仪器的问题，本文研制的T型靠背管采用弯头式靠背管形式，由两根具有最优全压孔探头同径管背靠背焊接而成，其示意图如图2所示，具有全压孔形式，而且结构对称可满足双向流测试的需要，是一种新型的测速元件；并且在严格标定和适当修正后，可达到较高的测量精度。

图2 T型靠背管示意图

1 靠背管原理

靠背管为非标准测量元件，但其原理与标准皮托管原理相近，其流速系数受结构尺寸和安装角度等影响，在使用前必须对流速系数进行标定；测速管流速系数是与标准静压皮托管在匀速风洞内进行对比标定中得到的[6]，对于靠背管的伯努利方程表达式如公式(1)所示，标准皮托管伯努利方程如公式(2)所示[7]。

假设气流的大小和方向都不变的情况下，公式(3)中的ζ0，pd都是由标准皮托管的特性决定的，而不同形式流速管上测压孔形状所测得的ΔpS值是有差异的，直接影响流速系数[4]；

(1)

(2)

式中：ζ0为标准静压皮托管的校正系数，一般在0.99～1.01之间;Δpd为标准静压皮托管的压差值 (即动压);ΔpS为靠背管的压差值。

由公式(1)和公式(2)可得到靠背管流速系数表达公式为：

(3)

2 T型靠背管特性研究

对T型靠背管特性研究包含2方面内容，一是结构尺寸优化，如靠背管弯头段的长度等；二是靠背管敏感度研究，如靠背管弯头段与风速偏角对流速系数的影响等。在风洞试验中对以上2个问题及靠背管流速系数进行了标定试验，将靠背管固定在支架上，放入风洞内进行标定，靠背管支架为栅型结构(见图3)，采用这种形状的原因是：一方面透风率比较高，阻塞效应小；另一方面支架上可放置多种形式的靠背管[8]。将靠背管连接至动态压差传感器后，即可进行流速系数的标定。

(4)

图3 T型靠背管风洞内标定实物图

2.1长径比L/D对流速系数影响研究

表1 不同弯管段长度流速系数测试数据

图4 不同弯管段长度流速系数变化规律

2.2流速对流速系数的影响

弯管段长度L=5mm的靠背管流速系数对风速的变化敏感程度比较小，但标定的最高动压为138Pa，流速约为15m/s。为了能够更大范围的对风速管进行标定，并研究其流速系数的变化规律，在风洞内对弯管段长度5mm的靠背管进行了最高动压为353Pa，流速约为24m/s的标定试验，约每3m/s为一个速压差，将标定得到的压差及由公式(4)得到的流速系数列于表2。

表2 流速系数标定数据

2.3风偏角对流速系数的影响

靠背管工作时应该保持全压端对准来流方向，背压端完全背对来流方向，靠背管的弯管段轴线方向与气流方向一致。在实际测试过程中我们并不能保持这一绝对精度，总会有所偏差，弯管段的轴线与来流速度的偏角对流速系数会有影响[10-11]。为研究风偏角对流速系数的影响，将靠背管安装座安装在由步进电机控制的转台上，通过旋转转台改变靠背管风偏角大小。采用的步进电机型号为雷赛86HS45，该电机步距角为1.8°，配上细分驱动器后其步距角可细分256倍，精度较高。以5°为一个角度间隔，测试的水平偏角为别为0°、5°、10°和15°。靠背管偏角示意图如图4所示，测试压差及由公式(4)得到的流速系数分别列于表3。

图5 靠背管与风速夹角示意图

表3不同风偏角下流速系数测试结果

Tabel3Testdataofthevelocitycoefficientunderdifferentwindyawangles

Δpd/Paθ/°73132223ΔpSa2sΔpSa2sΔpSa2sa2s-0960．7531770．7383020．7310．7415970．7451780．7343040．7260．735101010．7161910．6843220．6860．695151040．6951940．6743290．6710．680

图6 流速系数随风偏角变化规律

3 靠背管在流量测试试验中的应用

3.1测点布置

将动车组换气装置新风口从车底设备舱内部移至列车风挡外端墙空隙处后，为考核新风流量能否满足设计要求，需要对新风通道内的新风流量进行测试。

动车组新风风道位于设备舱底部，利用多根靠背管同时测试管道内多点的实时流速，利用算术平均的处理方法得到风道内的平均流速，进而得到新风风道截面流量。新风风道的截面形状为一矩形，截面尺寸为163mm×156mm，高于120km/h运行工况下新风额定流量为1440 m3/h，测试布点实物图如图7所示，测试结果列于表4。

根据GB10178-2006《工业通风机现场性能试验》中规定，对于矩形截面流量测点应按照切贝切夫法布置[13]，实际工程应用中，此法布置测点过多，造成阻塞比过大，影响测试结果，需进行简化。根据现场条件，新风风道截面接近正方形，直管段较长，而且流速较为稳定，因此新风风道中心附近流速能很好地反映风道内流场情况；根据切贝切夫法在0.5L处，沿高度方向在0.288H和0.712H处布置两个流速测点；在0.5H处，沿长度方向，在0.235L和0.765L处布置两个流速测点，共布置4个流速测点，测点布置示意图如图8所示。将4个测点各自测试得到的流速平均后得到所测试截面的平均流速，由公式(5)计算即可得到该截面的流量。

(5)

图7 流量测试布点实物图

图8 布点示意图

3.2试验结果

以上4个测点的风速取平均值后，作为矩形截面的平均流速，与面积的乘积即为该风道的流量值，将现场实车试验测试数据列于表4，以此来说明该新型靠背管测试的精度及稳定性。

表4 流量测试数据

试验中根据T型靠背管的标定流速系数，通过测试靠背管两管内的压差，通过公式(1)得到风道内的空气流速，再根据公式(5)得到风道垂直截面内的空气流量。由测试的结果可以看出，测得的流量值和额定风量1440m3/h相差均在4.03％以内，最小相差-0.28％。

4 结 语

本文针对动车组底板和部分通风通道流速方向变化、安装空间狭小而无法采用传统测速仪器的问题，研制了一种新型的测速元件，运用风洞标定的试验方法研究了其特性，得出了最佳的弯管段长度以及最佳弯管段下的流速系数，并且研究了风偏角对其流速系数的影响，得到了流速系数随风偏角变化规律，并且在动车组新风通道的流量测量中应用了这一测速元件，其结构简单，适用性较强，工作稳定可靠，未出现测压孔被堵塞等现象，且测试结果准确，精度较高。

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作者简介:

许良中(1983-)，男，江苏徐州人，博士研究生。研究方向：列车空气动力学。通信地址：湖南省长沙市韶山南路22号中南大学铁道校区交通运输工程学院高速列车研究中心(410075)。E-mail：xuliangzhong1@126.com