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层流和湍流有什么区别?

2022年2月15日 Bronkhorst
层流和湍流是测量流量时需考虑的两个重要方面。湍流效应何时发生?对流量计有什么影响?如何减少湍流的不利影响?

Bronkhorst与您分享3个小贴士,以尽量减少湍流的不利影响。

层流和湍流

为什么层流对流量计很重要?

湍流对流量计的影响有多大取决于流量计的类型。如果您使用基于“旁路”工作原理的热式流量计,其主流量通过节流元件,一小部分流量通过传感器。

这两部分流量之间的比例由传感器上的压降和层流中的阻力决定。湍流效应会干扰此比例。旁路传感器仪表通常用于非常精确的测量,湍流效应对测量结果影响甚大。

基于“旁路”原理的热式流量计在层流条件下表现最佳。

“旁路”传感器工作原理,带层流元件(LFE)
“旁路”传感器工作原理,带层流元件(LFE)


什么是湍流效应?

实际上,您会经常遇到湍流。湍流可能是由装置(如阀门或适配器)中的(过多)限制以及所用介质的高流速造成的。这种效应称为“湍流效应”。在每一次阻塞中,气流都会被破坏,气体流速也会发生变化。除了使用限制外,管道长度也是需要考虑的因素。由于湍流需要一段时间才能再次达到层流,因此使用正确的管道长度非常重要。

湍流

湍流是流量仪表入口处需要处理的一种情况,因为它会影响测量的准确性。最好在仪表之前调整为层流。然而,当仪表用作流量控制器时,仪表后面有阀门,可能会再次引起湍流。

湍流并非对所有类型的流量计都有不利影响。主要是使用旁路原理的热式流量计对这种影响很敏感。基于科里奥利、CTA(恒温风速仪)或超声波原理的流量计不受湍流影响。


湍流 VS 层流

如何判断是层流还是湍流?

层流通过在圆柱管中使用墨水的实验得以可视化。墨水注入含水流的玻璃管中。当水的速度仍然很慢时,墨水似乎没有与水混合,流线是平行的,这叫层流

如果水的速度加快,在一定的速度下会发生突然的变化。流量完全中断,水通过墨水变得均匀。流线是混沌的,不再是线性的,称为湍流

雷诺数(Re)的重要性

理论上,流型取决于四个变量:

  • 管道直径
  • 流体速度
  • 流体密度
  • 流体动态粘度

层流 VS 湍流
层流 VS 湍流

这些变量结合起来提供了所谓的雷诺数(Re),这是用于描述流动条件是导致层流还是湍流的重要条件。一般来说,层流发生在低雷诺数下(≤ ca. 2300),湍流发生在高雷诺数下(≥ ca. 3000)。Re 2300-3000 之间有“过渡流“,意味着流量可以是层流或湍流(所提到的数字是针对圆柱形管道的)。

减少湍流不利影响的3个技巧?

使用“旁路“原理热式质量流量计时,建议:
1) 尽量避免过程中出现限制,如阀门、变径和弯管接头:
  • 不要将流量计直接安装在限制装置(如阀门)后面。如果不行,请在阀门和流量计之间使用湍流过滤器或使用集成湍流过滤器的流量计。
  • 尽可能减少流量计附近的弯管接头数量。
2) 通过使用正确的管道长度限制流速。通常建议使用最小管道长度:
  • 仪表入口处管道直径的10倍
  • 仪表出口处管道直径的4倍(仅流量计)
  • 对于>100 l/min的气体流量,通常至少使用12mm 或 ½” 管道。
3) 在工艺流程中采用:“湍流”过滤器
湍流过滤器将在流量到达传感器之前对其进行过滤,使其再次成为层流。如今,流量计通常在流量计中集成此类过滤器(例如Bronkhorst EL-FLOW series)或在流量计内部具有延伸的流道(例如Bronkhorst Low delta P flow meters)。

怎么选?基于工艺流程和应用

很大程度上取决于应用中湍流的后果。例如在半导体工艺中,尤其是在涂层工艺(如沉积)中,湍流是万万不能的!稳定的过程至关重要。然而,在其他涂层工艺,如火焰喷涂技术,由于气流的高压,湍流的影响较小。如您需要选择流量计,请联系我们。

流量计内部的延伸流道
流量计内部的延伸流道

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