本發(fā)明涉及螺旋流場評價相關技術領域，尤其涉及一種用于評價螺旋流場的特性的裝置，還涉及一種基于該裝置的螺旋流場的旋流強度的評價方法，以及一種基于該裝置的螺旋流場的旋流耗散長度的評價方法。本發(fā)明特別適用于各類管道或者環(huán)空內(nèi)產(chǎn)生的螺旋流場的旋流強度及旋流耗散長度(衰減特性)進行評價和研究。

背景技術：

生產(chǎn)實踐過程中經(jīng)常會遇到流動區(qū)域內(nèi)(尤其是管道或者環(huán)空內(nèi))存在螺旋流場的情況。螺旋流場的旋流強度通常是一個比較關心的因素，它的大小與流場的邊界條件、初始條件以及流體的物性緊密相關。實踐中對于不同因素影響下的旋流強弱的比較以及旋流耗散長度(或稱為傳播的長度)還沒有一個確定的理論與模型。現(xiàn)有理論多是基于數(shù)值模擬方面的研究，而研究成果與實際情況有一定的差別。

因此，亟需一種用于評價螺旋流場的特性的裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于評價螺旋流場的特性的裝置，并提供基于該裝置的螺旋流場的旋流強度和旋流耗散長度的評價方法。

根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種螺旋流場的特性評價裝置，其包括：

用于測量流體中的螺旋流場在被測位置的切向流速的流速測量裝置；以及

用于根據(jù)所述切向流速評價所述螺旋流場的特性的控制器。

優(yōu)選的是，所述流速測量裝置包括：

設置在流體內(nèi)部的轉軸，所述轉軸的軸向與所述螺旋流場在被測位置的切向流向垂直；

設置在所述轉軸上的葉輪，所述葉輪在所述螺旋流場的帶動下圍繞所述轉軸 轉動；所述葉輪包括沿圓周方向設置在所述轉軸的外表面上的多個葉片部；其中，所述葉片部包括葉片和連接桿，所述葉片通過所述連接桿固定在所述轉軸的外表面上；

設置在所述轉軸上的轉速傳感器；以及

用于根據(jù)所述轉速傳感器的輸出信號確定所述螺旋流場在所述被測位置的切向流速的處理器。

優(yōu)選的是，所述葉片部等間隔地設置在所述轉軸的外表面上。

優(yōu)選的是，所述葉輪包括至少3個所述葉片部。

優(yōu)選的是，所述葉片的表面垂直于所述螺旋流場在被測位置的切向流向設置。

優(yōu)選的是，所述流速測量裝置還包括殼體，所述轉軸位于所述殼體的內(nèi)部，并且所述轉軸的兩端與所述殼體的內(nèi)側壁可轉動連接；

所述流體位于流道內(nèi)；所述殼體與所述流道的外側壁固定連接；所述流道的外側壁對應所述殼體的位置開設有缺口，所述葉輪的葉片貫穿所述缺口伸入至所述螺旋流場內(nèi)，以使所述葉輪在螺旋流場的帶動下圍繞所述轉軸轉動。

優(yōu)選的是，所述流道為管道或者環(huán)空。

根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種基于上述特性評價裝置來評價螺旋流場的旋流強度的方法，其包括：

在流體中產(chǎn)生分別滿足多個預設要求的多個螺旋流場；

依次對于每個螺旋流場，利用所述流速測量裝置測量所述螺旋流場在被測位置的切向流速，所述被測位置鄰近所述流道的內(nèi)壁面設置；

根據(jù)所述切向流速來評價所述螺旋流場的旋流強度。

根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供了一種基于上述特性評價裝置來評價螺旋流場的旋流耗散長度的方法，所述特性評價裝置包括沿流道的長度方向布設的多個相同的流速測量裝置，各所述流速測量裝置用于測量流體中的螺旋流場在同一預設深度的切向流速；

所述評價螺旋流場的旋流耗散長度的方法包括：

在流道內(nèi)的流體中產(chǎn)生滿足一預設要求的螺旋流場；

分別利用各所述流速測量裝置測量所述螺旋流場在所述預設深度的切向流速；

根據(jù)測量的所有切向流速來評價產(chǎn)生的螺旋流場的旋流耗散長度。

優(yōu)選的是，各所述流速測量裝置沿所述流道的長度方向等間隔布設。

與現(xiàn)有技術相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點或有益效果：

本發(fā)明提供了一種安全可靠、準確性高、使用方便、成本低廉的實時連續(xù)評價螺旋流場的特性的裝置，利用該裝置能對按需產(chǎn)生的螺旋流場的特性進行有效、準確的評價。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1示出了本發(fā)明實施例螺旋流場的特性評價裝置的結構示意圖；

圖2示出了圖1中所示的流速測量裝置的俯視圖；

圖3示出了流速測量裝置沿圖2所示的B-B方向的剖面示意圖；

圖4示出了流速測量裝置沿圖2所示的A-A方向的剖面示意圖；

圖5示出了圖3和圖4所示的葉片部的結構示意圖；

圖6示出了本發(fā)明實施例評價螺旋流場的旋流強度的方法的流程示意圖；

圖7示出了利用圖6所示的方法評價管道內(nèi)螺旋流場的旋流強度的示意圖；

圖8示出了利用圖6所示的方法評價環(huán)空內(nèi)螺旋流場的旋流強度的示意圖；

圖9示出了本發(fā)明實施例評價螺旋流場的旋流耗散長度的方法的流程示意圖；

圖10示出了利用圖9所示的方法評價管道內(nèi)螺旋流場的旋流耗散長度的示意圖；以及

圖11示出了利用圖9所示的方法評價環(huán)空內(nèi)螺旋流場的旋流耗散長度的示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是，只要不構成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本發(fā)明所要解決的技術問題是：現(xiàn)有技術難以對螺旋旋流的特性進行評價。為了解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供了一種螺旋流場的特性評價裝置。在該裝置的基礎上，通過實驗對根據(jù)需要產(chǎn)生的螺旋流場的特性進行評價。具體地，可直接采用最接近實際工況的初始條件、邊界條件以及流體，直接產(chǎn)生所要的螺旋流場，然后利用測量裝置對螺旋流場的旋流強度進行評價與研究。

如圖1所示，是本發(fā)明實施例螺旋流場的特性評價裝置的結構示意圖。本發(fā)明實施例的螺旋流場的特性評價裝置，主要包括流速測量裝置10和控制器20。

在本實施例特性評價裝置開始工作之前，首先需要通過改變螺旋流場的初始條件、邊界條件以及流體特性等一個或者多個參數(shù)，來在流道中產(chǎn)生不同旋流強度的螺旋流場。

流速測量裝置10，用于實時測量當前產(chǎn)生的螺旋流場在預設的被測位置的切向流速。關于該流速測量裝置10的具體結構，將在下文中結合圖2至圖5進行詳細闡述。

控制器20，主要根據(jù)流速測量裝置10實時采集的螺旋流場在被測位置的切向流速來評價該螺旋流場的特性。本發(fā)明實施例涉及的螺旋流場的特性，主要包括螺旋流場的旋流強度和/或螺旋流場的旋流耗散長度。

本發(fā)明實施例螺旋流場的特性評價裝置的工作時，由流速測量裝置10(流速測量裝置10可以是一個，也可以是多個)實時測量所產(chǎn)生的螺旋流場在被測位置的切向流速，然后由控制器20根據(jù)測得的切向流速來評價螺旋流場的特征，例如螺旋流場的旋流強度和螺旋流場的旋流耗散長度。

本發(fā)明實施例克服了現(xiàn)有技術中難以評價螺旋旋流的特性的缺陷，提供了一種安全可靠、準確性高、使用方便、成本低廉的實時連續(xù)評價螺旋流場的特性的裝置，利用該裝置能對按需產(chǎn)生的螺旋流場的特性進行有效、準確的評價。

參照圖2至圖5，是上述特性評價裝置中流速測量裝置10的示意圖。本實施例中流速測量裝置10包括轉軸3、葉輪、轉速傳感器5和處理器6。

具體地，轉軸3設置在流體的內(nèi)部。葉輪設置在轉軸3上。所述轉軸3的軸 向與所述螺旋流場在被測位置的切向流向垂直。該葉輪在螺旋流場的帶動下圍繞轉軸3轉動。轉速傳感器5設置在轉軸3上，用于實時測量轉軸3的轉速。處理器6與轉速傳感器5電連接，以實時接收轉速傳感器5的輸出信號，并根據(jù)該輸出信號確定螺旋流場在被測位置的切向流速。

葉輪包括沿圓周方向設置在轉軸3的外表面上的多個葉片部4。如圖5所示，每個葉片部4包括葉片42和連接桿41，葉片42通過連接桿41固定在轉軸3的外表面上。葉片42的截面形狀優(yōu)選為橢圓形。在具體實施過程中，在保證連接強度的基礎上，可以盡可能地減少連接桿41的體積(將連接桿41加工成細連桿)，以最大程度上減少對原有流場的影響。

在使用上述流速測量裝置10時，需根據(jù)上述被測位置確定設置轉軸3的位置，以使安裝在轉軸3上的所有葉片42在圍繞轉軸3轉動的過程中均經(jīng)過該被測位置。這樣，螺旋流場的來流推動葉片42，帶動葉輪圍繞轉軸3旋轉，使轉軸3達到一定的轉速，轉速傳感器5捕捉到轉軸3的角速度，并將相應的輸出信號供處理器6處理、存儲。具體地，處理器6根據(jù)接收到的轉軸3的角速度w(單位為rad/s)以及預先存儲的葉輪的轉動半徑r，即可根據(jù)線速度計算公式v＝r×w獲得葉片42的線速度v(單位為m/s)。該線速度v也最能反映所在的螺旋流場在被測位置的切向流速。

上述流速測量裝置10的工作原理為：螺旋流場帶動葉輪圍繞轉軸3轉動，通過實時檢測轉軸3的角速度，并將該角速度轉化為線速度，即可得到螺旋流場在被測位置的切向流速。在工作過程中，由于本實施例的流速測量裝置10的結構簡單、體積較小，其獨特的葉片細連桿設計把對螺旋流場的擾動降到最低，從而大大減少了對原有流場的破壞程度，提高了流速測量的精度。因此，相比于現(xiàn)有技術中的接觸式流速測量裝置，本實施例中的流速測量裝置10能夠實時、較準確、連續(xù)地測量螺旋流場在被測位置的切向流速。另外，該流速測量裝置10的結構簡單、安全可靠、成本低廉且便于實現(xiàn)。

在本發(fā)明一優(yōu)選的實施例中，葉輪具有的所有葉片部4等間隔地設置在轉軸3的外表面上。葉輪具有至少3個葉片部4。葉片部4的設置數(shù)目可根據(jù)具體實施情況具體設置，一般設置為3至5個。參照圖3和圖4，葉輪具有3個葉片部4。3個葉片部4等角度地設置在轉軸3的同一個圓周上。也就是說，每相鄰的兩個葉片部4的連接桿41的夾角均為120°。

為進一步提高流速測量裝置10的準確性，即為了使轉軸3的線速度盡可能地接近螺旋流場在被測位置的切向流速，在本發(fā)明一優(yōu)選的實施例中，葉片42的表面垂直于螺旋流場在被測位置的切向流向(如圖3中的箭頭P所示)設置。即，每片葉片42的表面與所在螺旋流場在被測位置的來流方向垂直，這樣可保證流體流動最大限度地推動葉片42旋轉。在具體實施過程中，盡量保證葉片42的表面垂直于來流方向設置。

參照圖2至圖5，本實施例所述的流速測量裝置10還包括截面呈長方形的殼體2。轉軸3位于殼體2的內(nèi)部，并且轉軸3的兩端與殼體2的內(nèi)側壁可轉動連接。特別地，轉軸3的端部與殼體2的內(nèi)側壁垂直連接。

另外，流體位于流道1內(nèi)。流道1可以是管道或者環(huán)空等適合本裝置安裝與使用的任何流道。流速測量裝置10的殼體2與流道1的外側壁固定連接。具體地，流道1的外側壁對應殼體2的位置開設有缺口，殼體2的下端面的尺寸和形狀與缺口的尺寸和形狀相匹配，以使該殼體2的下端面與缺口固定連接。葉輪的葉片42貫穿缺口伸入至螺旋流場內(nèi)，并到達上述被測位置，以使葉輪在螺旋流場的帶動下圍繞轉軸3轉動。特別地，在殼體2與流道道1的外側壁固定連接處設置有密封部(附圖中未示出)，以使殼體2與流道1之間達到密封效果，從而流速測量裝置10與流場構成一個整體密閉的空間，提高了測量精度。

在本發(fā)明一優(yōu)選的實施例中，處理器6為中央處理器(CPU,Central Processing Unit)、嵌入式處理器(DSP,Digital Signal Process)、可編程邏輯控制器(PLC,Programmable Logic Controller)或單片機等能執(zhí)行信號采集和邏輯處理的硬件設備。

本發(fā)明實施例中的流速測量裝置10的結構如上述，但整體大小尺寸可靈活設計，可針對不同管徑、不同流場的幾何特征，在功能、精度和材料許可的情況下，具體設計為結構相同但大小不同的各種尺寸。

相應地，本發(fā)明實施例還提供了一種基于上述特性評價裝置的螺旋流場的旋流強度的評價方法。在本實施例中，首先按需產(chǎn)生具有不同旋流強度的螺旋流場，特性評價裝置僅包括一個流速測量裝置10，流速測量裝置10用于測量各個螺旋流場的近壁面(鄰近流道1的上壁面的位置)的切向流速。針對每個產(chǎn)生的螺旋流場，控制器20根據(jù)測得的近壁面的切向流速，來評價所產(chǎn)生的螺旋流場的旋流強度。

圖6示出了該螺旋流場的旋流強度的評價方法的流程示意圖。參照圖6，本實施例螺旋流場的旋流強度的評價方法，主要包括步驟101至步驟103。

在步驟101中，在流體中產(chǎn)生分別滿足多個預設要求的多個螺旋流場。

在步驟102中，依次對于產(chǎn)生的每個螺旋流場，利用流速測量裝置10測量螺旋流場在被測位置切向流速，被測位置鄰近流道1的內(nèi)壁面設置。

在步驟103中，根據(jù)切向流速來評價產(chǎn)生的螺旋流場的旋流強度。

應用本實施例的旋流強度的評價方法，當改變螺旋流場的初始條件、邊界條件以及流體特性等一個或者多個參數(shù)時將會產(chǎn)生不同強度的螺旋流場，利用流速測量裝置10和控制器20針對不同的螺旋流場分別進行采集、記錄與存儲，得到隨某一個或某多個參數(shù)變化的表征旋流強度的一系列螺旋流場在壁面附近的切向流速，切向流速越大，旋流強度越大。通過分析對比切向流速(線速度)的大小即可優(yōu)化各流動參數(shù)，使得在某一個或幾個條件下產(chǎn)生的螺旋流場的旋流強度最大或最小。

下面結合圖7和圖8，分別闡述應用本實施例所述的旋流強度的評價方法來評價管道中和環(huán)空中的螺旋流場的旋流強度。

參照圖7，是利用圖6所示的方法評價管道內(nèi)螺旋流場的旋流強度的示意圖。當旋流較強時，旋流使葉輪轉速變快，根據(jù)線速度公式可得旋轉葉片42的線速度，從而可反映出與葉片表面垂直的旋流的切向流速。當改變某一個或幾個流動條件致使旋流強度發(fā)生改變時，采集到的葉輪的轉速將會變化，從而通過線速度公式計算可得到與葉片表面垂直的來流的切向流速的變化，通過與之前的切向流速的比較可評價改變條件后的旋流強度。

參照圖8，是利用圖6所示的方法評價環(huán)空內(nèi)螺旋流場的旋流強度的示意圖。本實例最具代表性的應用場合為評價石油工程中旋流扶正器在環(huán)空中產(chǎn)生的旋流強度。因此可以利用本發(fā)明的評價裝置和方法對各類旋流扶正器的導流槽形狀進行優(yōu)化，使環(huán)空流體通過該旋流扶正器后壓耗減小不多，并且旋流強度明顯增大，這有利沖刷井壁泥餅，提高固井水泥漿的頂替效率。

相應地，本發(fā)明實施例還提供了一種基于上述特性評價裝置的螺旋流場的旋流耗散長度的方法。在本實施例中，首先按需產(chǎn)生一種具有特定旋流強度的螺旋流場。特性評價裝置包括多個流速測量裝置10。多個流速測量裝置10沿用于容置流體的流道1的長度方向進行布設。所有流速測量裝置10的屬性(例如尺寸、 狀態(tài)等)一致，并且要確保所有流速測量裝置10測量的流體深度相同，即葉片42到達流道1壁面以下流場內(nèi)部同樣的深度。各個流速測量裝置10將所測的各自位置相同深度的切向流速分別發(fā)送給控制器20，由控制器20根據(jù)各個流速測量裝置10返回的不同位置同一深度的切向流速，來評價螺旋流場的旋流耗散長度。

圖9示出了該螺旋流場的旋流耗散長度的評價方法的流程示意圖。參照圖9，本實施例螺旋流場的旋流耗散長度的評價方法，主要包括步驟201至步驟203。

在步驟201中，在流道內(nèi)的流體中產(chǎn)生滿足一預設要求的螺旋流場。

在步驟202中，分別利用各流速測量裝置10測量螺旋流場在預設深度的切向流速。

在步驟203中，根據(jù)測量的所有切向流速來評價產(chǎn)生的螺旋流場的旋流耗散長度。

應用本實施例所述的螺旋流場的旋流耗散長度的評價方法，需要在多個不同位置按照要求布置多個流速測量裝置10，同時根據(jù)不同測點位置處的切向流速來評價不同位置的旋流強度或者螺旋流場隨流動傳播的旋流耗散長度(衰減特性)。

在本發(fā)明一優(yōu)選的實施例中，各流速測量裝置10沿流道1的長度方向等間隔布設。

下面結合圖10和圖11，分別闡述應用本實施例所述的旋流耗散長度的評價方法來評價流道中和環(huán)空中的螺旋流場的旋流耗散長度。

參照圖10，是利用圖9所示的方法評價管道內(nèi)螺旋流場的旋流耗散長度的示意圖。當螺旋流進入管道內(nèi)時，隨著行程的增長，螺旋流逐漸衰減，旋流強度逐漸減弱。因此沿程可布置多個流速測量裝置10進行采集，這樣可評價某一特定螺旋流隨行程增加的旋流強度衰減特性。當涉及多個流速測量裝置10一同使用時，一定要確保這些裝置的所有尺寸一致，并且要確保葉片42到達壁面以下流場內(nèi)部同樣的深度。

參照圖11，是利用圖9所示的方法評價環(huán)空內(nèi)螺旋流場的旋流耗散長度的示意圖。當螺旋流進入環(huán)空內(nèi)時，隨著行程的增長，螺旋流逐漸衰減，旋流強度逐漸減弱。因此沿程可布置多個流速測量裝置10進行采集，這樣可評價某一特定螺旋流隨行程增加的旋流強度衰減特性。當涉及多個流速測量裝置10一同使用時，一定要確保這些裝置的所有尺寸一致，并且要確保葉片42到達壁面以下流 場內(nèi)部同樣的深度。

綜上所述，本發(fā)明實施例能夠有效、準確地評價螺旋流場的特性，從而能夠準確指導實際作業(yè)中各部件屬性(例如旋流扶正器的導流槽形狀)的優(yōu)化；評價方法靈活，可以應用一個流速測量裝置10來評價，也可以應用多個流速測量裝置10來評價。采用的流速測量裝置10的特點包括：屬于接觸式測量裝置，根據(jù)流動方向安裝，方便使用，能夠實時、連續(xù)、準確地測量局部流場的局部瞬時流速，原理簡單，使用方便，通過測量葉輪轉速，換算成葉片42的線速度，即為旋流流場在被測位置的切向流速；獨特的葉輪細連桿設計，把對流場的擾動降到最低，從而提高測量精度，可根據(jù)實際流場的幾何尺寸合理設計整體裝置的尺寸大小，便于安裝，比其他測量平均流速的裝置精度高，能夠敏感到流場內(nèi)部不同區(qū)域流體的流速變化。

雖然本發(fā)明所公開的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術領域內(nèi)的技術人員，在不脫離本發(fā)明所公開的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。