测量压力产生误差的原因解析

在测量通风机前后的导管的静压中存在许多困难。叙述如下。

1.管道横截面的压力分布不均

如果流线如图13-31所示那样直，一个直管的静压分布就会均匀。介质的平均紊流波动不会发生什么影响，同时速度分布可以是任意的。必要和充分条件是气流为直线流动的。

速度分布特别偏向一方时，通常会发现在整个横截面中静压是不同的。由于流线是弯曲的，因而与气流垂直的离心力使压力改变。在图13-32所示的节流点上，流线的曲率在AB横截面上特别明显，为了得到近似概念，可假定图13-32的流线的平均曲率半径为R=2.5d。

图13-31 稳流时的压力和速度分布

在这种假定的情况下，该横截面的压差可为近似地计算。离心力产生的压力梯度为

故可得

代入Δr≈d/2，

这意味着，在最不利的条件下，一个横截面的静压变化为动压的40%。

类似的情况，发生于图13-33所示的强烈的单侧的速度差，当单侧装有隔栅时，便发生这种情况。

图13-32 气流不稳定时压力和速度分布、右图表示横截面AB的压力和速度分布

图13-33 受滤网影响的气流（横截面AB的压力和速度分布在右图）

由于紊流混合，最后在气流中会产生平衡。这就造成了图13-32所示的气流的弯曲。正由于这个曲率，才产生了带有静压差的上述的离心力。

另一种情况是流过的气流带有旋转。只要截面是圆的。因为对称，边缘上不可能有压差。但在接近内侧的地方，由于按环流原理rc_u=常数，圆周分速度会发生变化，这样静压变得低些。但是在截面不是圆的而是如图13-34所示的几乎是方的，则不论测量点在中心或靠一侧进行，沿端部可出现压差。图13-34示出这样得到的压差。

图13-34 管道内环流

图13-35 静压测量（一）

如果在一点通过一个试验孔进行的压力测量常常不能保证测得的静压与平均值一致，那么在压差不太高的横截面用某些方法可测得准确的平均值（见图13-35）。为此目的，按照图13-36，可在同一截面的几点上钻孔，从这些孔将压力引到一个空心圆环中，圆环上任一点将压力测出。较好的办法是按图13-37造一个环形室，如果f₁＜f₂，这是很可靠的。

图13-36 静压测量（二）

图13-37 静压测量（三）

2.无纵向涡流导管的压力分布不均

当选择压力测量点时，经常出现在管道什么位置上确定测量点的问题。对于在通风机前或后测量压力时，倾向性意见是测量点距离通风机越近越好，因为所产生的摩擦损失不需要计入通风机内。但这些摩擦损失实际上起到的作用比其他现象要小，通常被忽略。

通风机前或后面的速度分布是不稳定的，而且是不规则的。不稳定的速度分布可以理解为那些与最后的紊流速度分布不同的速度分布。由于前面的弯管或由于能量分布不均，例如，在蜗壳的出口处经常会出现速度分布严重偏向一侧的现象。在这种情况下，这种不均匀的速度分布会一直慢慢地延续整个下游，而静压却较快地升高起来。只有达到平衡时，由于管壁摩擦力的作用，静压才慢慢地降下来。在某些情况下，排气管的压力是先升高而后下降。

按图13-38，我们假定：矩形导管内通过截面一半的气流速度为c+Δc，而另一半截面的气流速度小Δc。这样在单位时间通过整个横截面的动能为

E=V（ρ/2）c²，得正值的多余能量，

图13-38 管道周围的压力分布

所以，与均匀的气流比较，由于气流的不均匀性，使动能增加了V（ρ/2）c²。如果，可得，即动压变化了25%。只要存在不均匀性，不管它的个别型式是怎样的，都会增加动能。如果在气流的进一步流动中又出现了平衡，那么这种动能的最大增加就会以静压形式回收。但这意味着在这种情况下静压应增高。在此情况下，直接在通风机后测量压力是不适当的。测量点应该在远一些的下游选定。(www.xing528.com)

如果在通风机后测量压力，测得的压力要低（ρ/2）Δc²。反之，在风管的进口测量压力，测得的值又太大，因为在该点的压力要低于大气压。在吸气和排气端之间测得的压差的误差可能减小，在最佳条件下，这个误差可忽略不计。为了避免这些误差，测量压力应在离通风机稍为远一些的地方进行。

但是仍然存在在下游多远或吸风口的上游多远的地方选定压力测量点的问题。按照对类似情况进行的测量，最大的升压约在风管直径8倍的地方产生。实际上，如只考虑主要效应，则取风管直径2～4倍的距离就够了。这个数字应限制在下限，因为速度分布均匀时，例如高效通风机在最高效率附近的工况工作时，风管摩擦力引起的压降会成为一个在反方向作用的误差来源。按管道的损失公式：

例如l=3d，λ=0.03，则压降。换句话说，管道的损失等于其平均速度的速度头的1/10。

这些考虑表示出进行通风机的压力测量时应注意的问题。不注意这些问题可使效率计算的不精确度相差5%～10%。

3.旋转气流的压力测量

在很多情况下，流动是旋涡的，涡流轴线在管线的中心，轴流通风机的流动属于此种，所以我们必须讨论这种流动。因为如果下述问题不予以考虑，轴流通风机的估算就会完全错误，所以讨论这一问题就更加必要了。存在的危险是，所计算的效率可能太高，无实际意义。即使轴流通风机在设计工况点排出的气流不是旋转的，在输出流量变化的情况下，即流量小一些或大一些，涡流仍然会存在。因为导叶的设计仅在额定的流量时，才会使流体成为无旋流动。这就是几乎在所有情况下流动中都存在残余旋绕的原因。

观察轴流通风机导叶后的气流，我们发现如图13-39所示的状况。如果存在涡流，c_u分速度则从外向内增加，子午速度c_m一般是恒定的或近似恒定的，而静压是向外增加的。虽然所有流线的流动能量相同，c_u分速度的离心力可以帮助垂直方向压力的增加。若此分速度在内为c_iu，在外为c_au，则压差为ρ/2[c²_iu-c²_au]。如果现在从管路壁上的测压孔测得静压，可以同时测得以前曾提到的压力增加。用一个探头在断面上滑动，即可近似测得如图13-40所示的静压分布。在中部有一明显的“低压区”，用这种测定方法确定的平均静压往往作为实际压力，但这种方法不太精确，因为这种均衡随后面管路的形状发生变化。

如图13-41所示，在固定导叶中也能看到气体从轮毂芯部分离。

图13-39 轴流式通风机下游导叶后的流动形式

图13-40 旋涡流动产生的静压分布

图13-41 导叶后的速度分布

在实践中又出现这样的问题：这样测定的压力比内压大，是否有实际意义或者当忽略管壁摩擦时它能在下游保持不变。为此我们必须解决此问题，至少尽力得出对实际有用的答案。从下列事实可以推断此问题是多么重要：是否考虑此条件，轴流通风机的效率差就会发生10%或更多的变化。如果——通风机经常会这样——全压能量的动压部分不能忽略，就更会发生这种情况。此外，科学家和从事实际工作的人在这个关键性问题上是有分歧的。前者指出通风机后的总能量可归于通风机，并证明这是正确的。而从事实际工作的人则认为用户因这问题受到欺骗，因为他再也不能应用它接收旋涡能量，轴流通风机的这种“表面上的效率”只具有理论上的意义。

根据最近的研究，旋涡能量的一部分可被回收，而其中的大部分可看作损失掉。这种漩涡可间接被利用，于是后置扩压器的效率可以提高。涡核的形成及旋涡的倒流这些现象前面已经讨论过了。

4.误差的大小

在研究通风机和估算效率时，由于采用不同的测定方法或选择不同的仪表，会出现特大的误差，可假定一般类型的压力表的读数有如下精度（见表13-2）。

表13-2 一般类型的压力表的读数

空气功率L=VΔp_tot，是由V和Δp_tot的乘积组成，这两个数值均由压力表测定。当V和Δp_tot由于测量误差而有微小变化时，应研究一下功率的相应变化。为此得

ΔL=Δp_totΔV+VΔΔp_tot

其变化的百分比为

此式意味着流量测定和压力测定的误差起叠加作用。

由于流量直接用喷管、孔板和类似仪表测定，并按公式（13-20）计算：

故得

最终公式可由公式（13-21）表示：

假定喷嘴的有效压力为总压力的一半，即Δp_nozzle=0.5Δp_tot。再假定Δp_tot=Δp_stat。如果还有动压部分，这部分必须在喷管测定的前面求出，这样会有一个小小的偏移，但对于整个状态影响不大。

用这些假定可产生下列总压不同的状况，见表3-3。

表13-3 功率测定百分比的误差

此表具有指导意义。如果要求测量精度为0.5%，在500Pa的压力下只能用贝茨显微液柱压力计来测定。简易U形管只能在4000Pa的压力下达到这个精度。为此，对于差不多所有的通风机只有用补偿式微压计来测定，才能测到满意的精度。这种结果表明了在很多工业测量中的问题所在。

很明显，从上述的公式可看出，流量测定和压力测定本身是不太可靠的。对于测定的压力值而言，流量测定所产生的误差是压力测定所产生的误差的一半。所以在功率的测定中，由于要进行两次压力测定，故为了取得同等的精度，其测量精度应高于单独测定流量时的精度。这些数值代入公式（13-21）的Δ[Δp_nozzle]和Δ[Δp_stat]中。