对管道流体状态的判断

对管道流体状态的测定

热能与动力工程2012级1201班

盘显铭 631224130103 阮珺 631224130127 孟祥忠 631224130113

摘要：该设计构想是基于光通信原理来测非透明管道内的水体流速状态及过渡流速。光通原理主要是介绍被调制光信号经由大气或光导纤维传输，经光电调制器后还原成原有音频或视频信号，经过放大，再接入扩音器或显示设备中，完成光通信过程。本设计构思主要介绍通过透明管道水流内部的流体紊乱变动，形成不同程度的折射率，再由激光照射，经过紊乱水流的折射，其激光就会因紊乱水流的流动而频繁改变传播路径，形成被调制的光信号，再有光电调制器转换成音频信号而判别水流状态。

关键词：光通信原理水流状态流速光信号光电调制器

引言：

在人们的日常生活中，离不开管道供暖供燃气通风及供水技术的应用，而这些流体在管道中的状态及流速关系到热效率、输送效率的提高。在目前的技术应用中，大多数采用在管道打孔法，压差法来间接地测流体状态及流速，这样不免对管道产生损害。而新的科学设备方法----超声波法，由于其设备价格比较高，对于中小型建筑的采用显然不是很经济。本设计构思是基于光通信原理一种新颖的测试法，解决了实验室内采用通过透明管道来观察水管中有色细小流线的变化而判断水流状态的不足，具有更好地实践性和实用性。本设计实验可以实现对流体状态的实时监控，再配合报警装置可以应用于生活中的诸多方面。

实验原理：

本实验的主要原理是光通信原理与管道内流体状态随流速的变化而变化的构成。

光通原理主要是介绍被调制光信号经由大气或光导纤维传输，经光电调制器后还原成原有音频或视频信号，经过放大，再接入扩音器或显示设备中，完成光通信过程。

对于管道内液态流体（本实验采用水），管道内的水流状态可分为层流状态与紊流状态，由公式（1-1）层流到紊流状态的转变是由于流速的增加而改变的。

错误！未找到引用源。-------------------------1-1

Re-------雷诺数值d-------管道直径u--------动力粘度

v-------流体流速p------流体密度

层流到紊流状态的下临界雷诺数值为Re=2000-2300，当流速增加时，雷诺数也增大，层流转变到紊流，或原流速很大，流速减小，雷诺数减小，紊流转变到层流。每当流速增加或减小其管道内的水流会发生紊乱变化，导致管道内局部水流会上升或下降或向某一方向集中，这样就会产生不同的折射率或者波动，激光照射其波动位置，经过后的激光传播路径会发生偏置，这就形成了光信号，水流流速越大，波动越大，水流流速越小波动就越小。层流由于是属于均匀流动的状态，其波动在层流范围内没有太大的变化，相反在紊流状态内变化很大，从而可以判断水流的临界状态。

对于气态流体（本实验采用空气），由于气态流体属于可压缩性流体，其密度会发生改变。由其气体一元流动连续性方程pvA=常量（质量流量），可知对于任意两断面内的质量流量是相等的。对其微分的得

d(pvA)=pvdA+vAdp+pAdv=0------------(1-2)

或

dv v +

dp

p

+

dA

A

=0-----------------(1-3)

把欧拉微分方程

dp ρ+vdv=0---------------------(1-4) 音速方程

2c =dp d ρ---------------------------（1-5） 马赫数方程

M=v c

----------------------（1-6） 代入方程（1-2）或（1-3）中的

d ρρ=-2M dv v

------------（1-7） P------压强 ρ-------气态流体密度 v-------流速 c-------音速

M--------马赫数 A-------管道横截面积

与此公式可知，当流速小于音速时即马赫数M<1，速度增加，密度就会减小，从而可知气态流体流苏的变化会导致管道气体的密度的变化，从而导致不同的折射率，判断其流体状态。（判断方法同液态流体） 实现方法及设计结构

管道截面图

流体在管道内的状态

被调制的光信号可有各种方法实现，基于本实验的目的，就是通过管道内部水流的紊乱变化或气态流体密度变化导致水的折射率发生变化，继而产生变化的光信号。

产生的被调制的光信号的照射在硅光电池上，利用硅光电池能够使光信号转化成电信号的能

力，将产生不同的电信号，再有导线连接入放大器。通过放大器的放大作用，接入示波器中，在示波器的屏幕上将产生不同幅度不同的波形，通过观察波形来判断流体状态。

当水流流量较大时，水流处于紊流状态，那么通过的激光信号的波动情况比较复杂和频繁，相应形成的电信号也将产生较大的变化，通过在示波器的显示器上可以看出波动比较复杂；而当水流处于层流状态时，水体的波动不是太大，那么通过管道形成的光信号就比较平稳，相应形成的电信号也比较平稳，显示在示波器上的波动情况也是总体平稳的。由此可以得出，水流从紊流状态到层流状态的波动情况不一样，那么由紊流到层流的转变就会在示波器上形成不一样的波形，在紊流波形与层流波形之间的过渡点就是临界点，即雷诺数时的水流状态。（如图所示）

作用与展望

在目前的技术应用中，大多数采用在管道打孔法，压差法来间接地测流体状态及流速，这样不免对管道产生损害。而新的科学设备方法----超声波法，由于其设备价格比较高，对于中小型建筑的采用显然不是很经济。本设计构思是基于光通信原理一种新颖的测试法，解决了实验室内采用通过透明管道来观察水管中有色细小流线的变化而判断水流状态而导致对流体的污染的问题。本设计实验可以实现对工业管道流体的实时监控，具有更好的实用性和直观性。

结束语

在社会日益发展和竞争日益激烈的今天，创新已成为时代的主旋律，没有创新，就没有竞争力；没有创新，就不能在残酷的社会竞争中生存；没有创新，就必然要被历史潮流所淘汰。参考文献：

蔡增基，龙天渝流体力学泵与风机（第五版）中国建筑工业出版社 2013.09

秦曾煌电工学简明教程（第二版）高等教育出版社 2007.06

周平冯庆大学物理（下）科学出版社 2012.12

方鸿辉《科学实验--水调节通信》上海教育出版社 2007.02

Measuring pipe flow state and transition velocity estimate Abstract:The design idea is based on the principle to measure the optical communication of transparent pipe water flow state and flow velocity roughly. Optic principle is mainly a modulated light signal through the atmosphere or fiber optic transmission, after photoelectric modulator back into the original audio or video signal, after amplification, then access microphone or display device, complete optical communication process. This design mainly introduces changes in output port internal flow of fluid through a pipe is disorder, the formation of different degrees of refractive index, another laser, through the reflection of disorder flow, the laser will change frequently due to disorder of water flow path, formed