＊贾新亮 张昊 郭晓方 邢泊阳 王广开 吴广硕

（1.中国核电工程有限公司 北京 100840 2.北京化工大学化学工程学院 北京 100029）

用于放射性流体输送与控制的设备是保证核化工流程安全和长期稳定运行的基础[1-5]。计量轮装置是一种用于高放料液定量输送的关键设备，在核化工领域流量相对较小的液体定量输送场合中应用[6-9]。

为了充分理解计量轮装置的水力学原理，本文实验研究了不同转速、液位高度下计量轮装置的运转规律、取液现象和取液量，为设计和优化计量轮装置提供基础数据和指导。

1.实验装置及方法

(1)计量轮装置原理

上游设备将供料槽内液体抽送至计量轮装置储液槽，储液槽一侧设有溢流口，通过不断供料与溢流，储液槽内液面高度保持恒定。计量轮装置不断转动，计量轮每转一周收集一定量的液体并送至集液漏斗，利用重力自流至下游接收槽，如图1所示。控制计量轮转速最终可实现流量的准确计量[10-11]。

图1 计量轮装置原理示意图

(2)实验装置

本实验搭建了如图2所示的实验装置。采用电机与减速机相连，驱动计量轮转动。通过控制器实现对计量轮转速的精准控制。取液勺下方放置一水槽，水槽一侧设有溢流口，另一侧通过一进水管不断向水槽内注入去离子水，以保证液面相对水槽恒定。过量的水经过溢流口流向蓄水桶，桶内水经离心泵重新输送至水槽，进而形成一套循环系统。水槽下方设有升降台，以实现液位高度的无级调节。

图2 实验装置示意图

实验前，通过调节升降台将液面调整至所需高度。通过调整控制器，设置计量轮转速及旋转角度。实验时，启动电机，观察计量轮取液情况。等待计量轮旋转完成指定的角度后，并采用量筒量取本次实验计量轮取出液体的体积。对相同实验条件进行3次重复实验，取平均数据为最终实验结果。

本实验采用3D打印技术加工制造计量轮，并应用透明树脂材质以便于观察[12]，其结构及部分关键参数如图3所示。计量轮外圆半径R=25mm，内圆半径r=5mm，宽度d=32mm，计量轮开口径向方向与竖直方向夹角θ=30°，计量轮内圆中心距计量轮旋转中心距离为77.5mm，计量轮厚度δ=2mm。利用三维建模软件对实验中关键水力学部件进行建模分析，得到计量轮的理论取液量为23.67ml。

图3 计量轮结构示意图

(3)实验方法

①计量轮旋转圈数敏感性检验

在正式实验开始前，我们开展了计量轮旋转圈数对取液量测量值影响敏感性的实验。设定液位高度为75mm，转速为1rpm、10rpm和20rpm，圈数分别为1圈、3圈、6圈、9圈，进而计算平均每圈取液量，如图4所示。从图中可以看出，相同转速下平均每圈取液量随圈数波动较小。为提高量筒测量准确性同时减少偶然误差，最终各实验均设定计量轮旋转3圈计算平均取液量。

图4 计量轮平均每圈取液量与旋转圈数和转速的关系图

②高速摄像技术

随着科学技术的发展，高速摄像技术的应用范围也越来越广[13]。本实验中，利用高速摄像技术对不同转速下计量轮取液过程进行记录，进而分析转速对计量轮取液过程的影响规律。

2.结果与讨论

(1)计量轮取液的瞬态特性

通过高速摄像技术对透明计量轮进行拍摄分析，以提高对计量轮取液规律的认识。如图5（a）所示，当转速较低时可清晰观察到由于表面张力作用，在计量轮中心开孔最低处上方，仍形成一层具有一定厚度的液膜，这导致实际测得的取液量较理论值偏大。同时，表面张力的作用还存在于计量轮刚入水状态，如图5（b）所示，即当计量轮前沿旋转至液面下时，由于表面张力的作用水仍会在计量轮前沿维持一定高度，阻碍液体进入计量轮内部。

图5 表面张力对取液量的影响

为便于观察取液勺内液面波动情况，在计量轮外表面刻画一条直线。当直线处于水平状态时，不同转速下计量轮内液面情况如图6所示。由图6可知，当转速较低时，取液勺内液面较为平稳，可维持在水平状态（即与取液勺外侧直线平行）。随转速逐渐增加，取液勺内液面及水槽内液面均开始出现波动，计量轮内右侧液面高于左侧液面，计量轮中心开孔最低处出现溢流现象，且转速越高，上述现象越明显。这是由于转速较高时，取液勺内液体受离心力影响较大，同时使得取液勺内液体具有了一定的速度，导致取液勺内液面波动。此外，相同液位下，由计量轮入水至计量轮外侧直线水平时所旋转角度相同，因此，转速越高，计量轮内液体经历的稳定时间越短，溢流现象越严重。

图6 不同转速下取液勺内液面波动图

(2)液位和转速对计量轮取液量的影响规律

利用三维建模软件分析，理论上当计量轮内圆与液面相切且取液勺口外沿与液面重合时，此时若继续增加液面高度，计量轮的取液量不会随液位高度的升高而变化。因此，将此时的液位高度定义为临界液位，如图7所示。

图7 临界液位及无因次液位高度示意图

为了使实验规律更具有普适性，分析时对液面与轴心距离和取液量进行无因次处理。选取计量轮竖直状态时液面距取液勺内壁最低处的距离为h，取液勺截面特征高度为D，定义无因次液位高度为h/D，如图7所示。

通过对不同液位高度、不同转速条件进行实验，得到不同操作条件下计量轮装置的取液量，对液位高度及取液量进行无因次化处理，如图8所示。由图8可知，当无因次液位高度大于1.27时，计量轮取液量随转速波动较小，但仍呈现出小幅增加趋势；当无因次液位高度低于1.27时，计量轮取液量随转速波动剧烈，呈现出先增加后减小再增加的趋势，且拐点随着无因次液位的降低逐渐向低转速方向移动。

图8 无因次取液量与转速及无因次液位高度关系

结合实验现象分析，当无因次液位高度大于1.27时，随着转速提高，取液勺内波动增大，计量轮由入水至取液勺内液体进入收集斗时间减短，导致计量轮内圆中心处溢流不充分，计量轮取液量增大。当无因次液位高度低于1.27时，随着转速小幅增加，取液勺内液面开始由稳定变为波动，导致计量轮取液量增大；进一步提高转速后，当计量轮入水时，取液勺口附近区域在表面张力作用下形成具有一定厚度的液膜，并且随转速增加，计量轮由入水至出水时间变短，槽内液体不能完全充满计量轮，导致取液量小幅减小；当转速继续提高时，计量轮对水面冲击增大，槽内液面开始波动，表面张力维持的液膜被破坏，取液量又会小幅增加。

3.结束语

本文利用高速摄像技术对不同液位和转速条件下计量轮装置的取液过程、取液量、以及力学因素进行了实验研究。

当无因次液位高度大于1.27时，计量轮装置的取液量随转速波动不大，但仍受表面张力和离心力影响，致使其取液量有轻微的增加趋势。当无因次液位高度低于1.27时，计量轮装置的取液量受液位高度及转速影响较大。因此建议计量轮装置运行时，无因次液位高度大于1.27，此时计量轮装置的取液量波动较小。

表面张力与两相材料关系密切，本实验采用的计量轮材料为高分子树脂，液相为去离子水。若工程实际应用中，材料发生变化，需要对表面张力效应进行修正。