一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法与流程

本发明涉及超导输电领域，更具体地，涉及一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法。

背景技术：

超导技术在电力系统中的应用多种多样，也是近年来超导应用研究的主要方向之一。与电力电缆相比，超导电缆具有很大的优越性，例如：输电能力较强，成本节约、占用空间小、线路阻抗极低、输电损耗小、抗磁干扰能力强；允许采用相对较低的电压进行长距离输电，也可以地下输电从而避免超高压高空输电所带来的噪声、电磁污染和安全隐患，保护生态环境。

目前，将高温超导电缆封装于波纹管内并使用流动的液氮进行冷却，是现有技术中高温超导电缆的主要封装方式。因此，研究常用波纹管内流体的阻力特性、压降特性对于高温超导电缆的设计和运行具有重要意义。然而现有技术中，尽管可以通过对波纹管进行建模仿真获得其内的流体流动特性，但是对于仿真方法的有效性和精确程度尚不具备一种有效的波纹管压降性能验证和评估方法。

因此，亟需一种新的波纹管压降性能验证方法。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法，能够通过通过对不同工况下试验用波纹管内水的流量与压降关系数据进行获取，从而分析波纹管仿真过程中的误差原因，并选择最优的仿真模型。

本发明采用如下的技术方案。一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法，其中包括以下步骤：步骤1，采用水试验装置在不同工况下获取试验用波纹管内水的流量与压降关系数据；步骤2，对试验用波纹管进行建模仿真，并基于仿真过程获取仿真波纹管内水与液氮的流量与压降关系数据；步骤3，对比步骤1和步骤2中获取的试验用波纹管内水的流量与压降关系数据和仿真波纹管内水的流量与压降关系数据，分析试验过程与仿真过程中的误差原因；步骤4，基于分析获得的仿真过程中的误差原因对仿真过程进行修正，并选择最优的仿真模型。

优选地，步骤1中还包括：对水试验装置的流量调节阀进行调节，待流量计和差压计读数稳定后，获取当前工况下试验用波纹管内水的流量，以及波纹管两端的压差数据作为波纹管的压降；改变水试验装置的流量调节阀的开度，在不同工况下重复上述步骤，直到获取的试验数据满足数据拟合的最低要求。

优选地，步骤1中还包括：对不同工况下波纹管内水的流量数据、对应于波纹管内水的流量数据的波纹管两端的压差数据进行记录；基于记录将数据的离散点绘制于流量-压降坐标系内，并基于离散点拟合出波纹管内水的流量-压降关系。

优选地，流量-压降坐标系的横坐标为用于表征水的流速的雷诺数，纵坐标为用于表征波纹管压降特征的每米压降；或者，流量-压降坐标系的横坐标为水或液氮的流速，纵坐标为用于表征波纹管压降特征的每米压降。

优选地，基于水、液氮的动力粘度和密度数据，得到液氮的雷诺数系数；

基于所述液氮的雷诺数系数，生成所述波纹管内液氮的流量-压降关系曲线。

优选地，雷诺数为

式中，d为波纹管的直径，

u为波纹管中水或液氮的流动速度，

μ为波纹管中水或液氮的动力粘度，

ρ为水或液氮的密度。

优选地，假设水的雷诺数系数为1，则液氮的雷诺数系数为

式中，ρ液氮为液氮的密度，

ρ水为水的密度，

μ液氮为液氮的动力粘度，

μ水为水的动力粘度。

优选地，试验过程中的误差原因包括水管路弯曲造成的误差、测量和引流用支管造成的误差、仪器测量误差。

优选地，仿真过程中的误差原因包括求解器模型误差；其中，仿真过程分别采用sstk-omega模型和层流模型获取仿真波纹管内水的流量与压降关系数据。

优选地，sstk-omega模型获取到的仿真波纹管内水的流量与压降关系数据优于层流模型获取到的仿真波纹管内水的流量与压降关系数据。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，提供了一种波纹管压降性能的研究方法，通过水试验装置获取试验数据与波纹管的仿真数据进行比较，从而对波纹管的仿真数据进行验证。采用本发明中的方法，能够有效地获取波纹管作为高温超导电缆材料在实际使用过程中的压降性能，并更加准确地评估并指导仿真模型，以对仿真算法进行优化和修正，选择最优的仿真模型，从而更加准确地指导高温超导电缆的设计和制造。

本发明的有益效果还包括：

1、本发明中的方法通过分别对水和液氮作为流体的波纹管压降性能进行模拟分析，降低了实际的试验过程中对于波纹管液体回路以及其他测量仪器设备的性能要求，可以以水作为流体对波纹管进行常温常压下的压降性能测试，即可获得准确的液氮作为流体时的波纹管压降性能。本发明中的方法用水准确地置换了液氮，思路巧妙，仿真结果准确。

2、本发明的方法中，选取雷诺数作为水或液氮的流速和流量的计量指标，相对于直接采用液体流量和流速的指标，简化了运算过程，准确地发现了雷诺数与波纹管压降之间的曲线关系，从而为建模奠定了良好的基础。本发明的计算方法准确，实现效果好。

3、本发明中，对多次试验结果以及仿真的结果进行了分析，获取了各种误差发生的原因，例如试验过程中水管路完全所造成的误差，测量引流支管和仪器等造成的误差，试验过程中管内气液两相流动造成的误差等等。通过增加平均差值，例如212pa作为试验数据与模拟曲线之间的偏移量，更加准确地获得了仿真模型，对实际的超导电缆工作状态下的波纹管状态进行了最为准确的识别。

附图说明

图1为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中水试验装置的结构示意图；

图2为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法的第一实施例中波纹管内水的雷诺数与压降的关系曲线示意图；

图3为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法的第二实施例中波纹管内水的雷诺数与压降的关系曲线示意图；

图4为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法的第三实施例中波纹管内水的雷诺数与压降的关系曲线示意图；

图5为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法一实施例中仿真获得的波纹管内水与液氮的流量-压降关系曲线示意图；

图6为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法另一实施例中仿真获得的波纹管内水与液氮的流量-压降关系曲线示意图；

图7本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中试验数据与仿真结果的对比示意图；

图8为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中试验过程与仿真过程中流量-压降关系对比曲线示意图；

图9为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中修正后的试验过程与仿真过程中流量-压降关系对比曲线示意图；

图10为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中不同仿真模型获得的流量-压降关系对比曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法，包括步骤1至步骤4。

步骤1，采用水试验装置在不同工况下获取试验用波纹管内水的流量与压降关系数据。

具体来说，本发明中可以采用一种新型的水试验装置。图1为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中水试验装置的结构示意图。如图1所示，本发明中，用于高温超导电缆波纹管的水试验装置包括注水单元、试验用波纹管1、流量计2和差压计5。注水单元一端与试验用波纹管1的一端直接连接，另一端通过流量计2与试验用波纹管1的另一端连接，其中，流量计2用于测量管路中水的质量流量。波纹管两端分别与差压计5连接，其中，差压计5用于测量试验用波纹管1两端的压力差。注水单元还包括基于水管路依次连接的注水口3、水泵4、水阀门6和验满口7；其中，注水口3为三通阀，左右两端分别通过法兰方式与水管路连接，用于向水管路中注水。水泵4为变频离心泵，作为增压装置用于控制水管路内水的流向。水阀门6为电磁调节球阀，用于控制水管路内水的流速。验满口7为三通验满口，用于验证管路中的注水量。当变频离心泵处于关闭状态，且验满口处液面位置高于直管最高位置时，所述水管路处于充满水状态。注水单元还包括盲板，用于检测到所述水管路处于充满水状态后，封闭注水口和验满口以密闭水管路。

流量计为质量流量计，用于测述水试验装置处于测试状态下流过波纹管的水的质量流量；差压计，用于测量水试验装置处于测试状态下流过波纹管的水的压降。水试验装置的测试状态为变频离心泵在水管路封闭后开启，电磁调节球阀将波纹管内的水流调节至固定流量下的状态。

优选地，步骤1中还包括：对水试验装置的流量调节阀进行调节，待流量计和差压计读数稳定后，获取当前工况下试验用波纹管内水的流量，以及波纹管两端的压差数据作为波纹管的压降；改变水试验装置的流量调节阀的开度，在不同工况下重复上述步骤，直到获取的试验数据满足数据拟合的最低要求。

本发明实施例中，当水管路封闭后，可以先将流量调节阀，即本实施例中的电磁调节球阀调节至较小的开度，然后开启变频离心泵，为水管路增压以使水管路内部的水流动起来。待水流稳定后，即当差压计与质量流量计的读数均保持稳定后，将当前的差压数据和质量流量数据记录下来。随后，调节流量调节阀的开度，再次记录数据。经过多次实验后，就可以获得试验用波纹管在不同的水的质量流量的情况下，不同的压降数据了。

优选地，步骤1中还包括：对不同工况下波纹管内水的流量数据、对应于波纹管内水的流量数据的波纹管两端的压差数据进行记录；基于记录将数据的离散点绘制于流量-压降坐标系内，并基于离散点拟合出波纹管内水的流量-压降关系曲线。

具体来说，由于水试验装置可以记录试验用波纹管在不同工况下水的流量数据和波纹管两端的压降数据。因此，可以依据质量流量计获得的水的流量数据，同时依据波纹管的几何形状，如波纹管的横截面积，求出波纹管内水的流速数据。并利用雷诺数计算公式，进一步地计算出当前工况下波纹管的雷诺数。需要说明的是，雷诺数的计算公式为其中，d为波纹管的直径，u为波纹管中流体的流动速度，在本发明中是指水或液氮的流动速度，μ为波纹管中流体的动力粘度，在本发明中是指水或液氮的动力粘度，ρ为相应的流体密度。

另一方面，根据差压计可以获取到当前工况下波纹管两端的压差数据，同时基于波纹管的长度，能够换算出波纹管的每米压降。根据波纹管的雷诺数和波纹管的每米压降这两个参数就可以进一步地获得波纹管内水的流量-压降关系了。

优选地，流量-压降坐标系的横坐标为用于表征水的流速的雷诺数，纵坐标为用于表征波纹管压降特征的每米压降。

图2为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法的第一实施例中波纹管内水的雷诺数与压降的关系曲线示意图。图3为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法的第二实施例中波纹管内水的雷诺数与压降的关系曲线示意图。图4为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法的第三实施例中波纹管内水的雷诺数与压降的关系曲线示意图。如图2-4所示，对在不同工况下获得的波纹管内水流的雷诺数与压降测量数据的离散点进行拟合，能够获得雷诺数与每米压降的关系曲线。图2、图3和图4分别是基于不同的波纹管进行测试获得的关系曲线。图2中，第一实施例选用了d40规格的波纹管，图3中第二实施例选用了d50v1规格的波纹管，同时，图4中的第三实施例采用了d50v2规格的波纹管。因此，获得了三条不同的雷诺数与每米压降的关系曲线。

优选地，基于水、液氮的动力粘度和密度数据，得到液氮的雷诺数系数；基于液氮的雷诺数系数，生成波纹管内液氮的流量-压降关系曲线。

对图2至图4中的三条曲线进行对比，选取拟合出的三条曲线中误差最小的曲线，进行下一步的运算。例如，可以选择拟合后曲线与所有试验数据获得的离散点之间的距离最小的一条曲线作为基础。选用该规格的波纹管进行下一步的运算，即对水和液氮的流量-压降关系曲线进行对比。

具体来说，采用雷诺数作为横坐标时，可以获取到波纹管中的流体分别为水和液氮时的压降特性，并且通过比较可知，两者的压降特性具有明显差异。这是由于在雷诺数的计算公式中，包括流体的动力粘度和流体的密度这两个参数。而水的动力粘度为0.0084pa·s，液氮的动力粘度为0.0022pa·s，可见水的动力粘度明显高于液氮的动力粘度。另外，水的密度为1000kg·m^-3，液氮的密度为808kg·m^-3，可见水的密度略大于液氮的密度。进一步地，根据雷诺数的计算公式，液氮的雷诺数系数为式中，ρ液氮为液氮的密度，ρ水为水的密度，μ液氮为液氮的动力粘度，μ水为水的动力粘度。假设水的雷诺数系数为1的情况下，可以得到液氮的雷诺数系数为根据液氮的雷诺数系数，可以基于波纹管内水的流量-压降关系曲线，拓展横坐标，获得液氮的流量-压降关系曲线。假设当水和液氮在波纹管内的流动速度完全相同的条件下，液氮的流量-压降关系曲线可以近似为水的流量-压降关系曲线在横轴上拓展3.085倍后的曲线。

步骤2，对试验用波纹管进行建模仿真，并基于仿真过程获取仿真波纹管内水与液氮的流量与压降关系数据。

本发明中，可以分别在波纹管内的流体为水和液氮两种情况下，对波纹管进行仿真，并且通过仿真算法获取水的流量与压降关系数据、液氮的流量与压降关系数据。

优选地，流量-压降坐标系的横坐标为水或液氮的流速，纵坐标为用于表征波纹管压降特征的每米压降。

图5为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法一实施例中仿真获得的波纹管内水与液氮的流量-压降关系曲线示意图。图6为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法另一实施例中仿真获得的波纹管内水与液氮的流量-压降关系曲线示意图。如图5所示，由于水和液氮的特性区别，使得仿真获得的流量-压降关系曲线中，雷诺数的偏差较为明显。然而，由于在本发明中，主要关注的内容是流体在一定的质量流量情况下，压力损失的差别。如图6所示，相同流动速度的前提下，由于水和液氮的密度略微不同，因此，以水为工质的波纹管内的压力损失略大于以液氮为工质的压力损失。

步骤3，对比步骤1和步骤2中获取的试验用波纹管内水的流量与压降关系数据和仿真波纹管内水的流量与压降关系数据，分析试验过程与仿真过程中的误差原因。

图7本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中试验数据与仿真结果的对比示意图。如图7所示，三角形数值为试验平台获取的数据，圆形数据为仿真结果。当液氮在波纹管入口处的入口流速达到0.2m/s以上时，试验数据与模拟数据之间的拟合程度较高，理论仿真值与试验测试值之间的最大偏差保持在15％以内。而当入口速度较小，且小于0.2m/s时，试验数据明显大于仿真值，且速度对试验数据的影响不大。造成这种偏差的原因是当液氮以较小的流速通过波纹管时，液氮并不能够充满整个波纹管，这就导致了管内出现明显的气液两相流动。此时，氮气的存在使得波纹管内部的压降迅速上升，因而实际试验数据与理论仿真数据之间出现了误差。

根据上述对比过程可知，当液氮流速大于0.2m/s时，可以认为本发明中建立的波纹管几何模型和液氮流动的数值模拟能够准确地表征波纹管中流动液氮的压降特性。

优选地，试验过程中的误差原因还包括水管路弯曲造成的误差、测量和引流用支管造成的误差、仪器测量误差。

图8为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中试验过程与仿真过程中流量-压降关系对比曲线示意图。如图8所示，将步骤1和步骤2中获得的数据进行汇总，可以得知水试验数据、水模拟数据和液氮模拟压降具有一定差异。如图7中水试验数据在0.3～1.2m/s的速度范围内，其压降数据相比模拟数据平均都要高出180pa～220pa。经过分析可知，由于仿真过程中获得的水模拟数据中只记载了由于波纹管造成的流体压降。而在真实的试验过程中，为了获得试验数据，会由试验管路的弯曲部分造成水的压降、用于检测压降的支管路，以及其他必要的设备等都会造成水的压降。另外，仪器在测试过程中还存在着一些测试误差。上述这些原因都会使得测试的结果与波纹管在高温超导电缆中进行应用时产生的压降有所不同。

为了消除上述试验误差，可以对波纹管内水的压降数据进行误差消除。例如，在本实施例中，可以将实验数据与模拟曲线之间的平均差值212pa作为误差。可以选择将该值与水试验数据相减，或者与水模拟数据相加，以使得水模拟数据与水试验数据进一步重合。

图9为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中修正后的试验过程与仿真过程中流量-压降关系对比曲线示意图。如图9所示，为了使得水模拟数据与水试验数据进一步重合，本发明中，将水模拟数据在坐标系纵轴上整体向上平移了212pa。平移之后，可以得到水模拟数据与水试验数据基本重合。因此，可知，在使用当前这一模型下，仿真得到的水模拟数据能够较好地模拟出波形管内的流体流动以及压降特性。

步骤4，基于分析获得的仿真过程中的误差原因对仿真过程进行修正，并选择最优的仿真模型。

通常来说，在进行波形管仿真过程中，可以基于软件的性能选择使用多种不同的仿真建模方法，以对波形管内的流体的运动进行仿真。一般来说，可以选择两种主流的流体运动模型，即湍流模型和层流模型。在本发明中，可以采用sstk-omega模型作为湍流模型。

图10为本发明一种基于水试验的波纹管压降性能验证方法中不同仿真模型获得的流量-压降关系对比曲线示意图。如图10所示，图中示出了经过多个不同仿真模型获得的流量-压降关系曲线，以及修正后的试验获得的流量-压降关系数据。图中矩形点所在的曲线是根据sst算法仿真获取到的流量-压降关系曲线，而圆形点所在的曲线是根据层流模型仿真获取到的流量-压降关系曲线。在图10中，两种不同的算法模型，获得流量-压降关系曲线是有一定差异的，即仿真过程中，求解模型的选择是误差产生的原因之一。

优选地，仿真过程中的误差原因包括求解器模型误差；其中，仿真过程分别采用sstk-omega模型和层流模型获取仿真波纹管内水的流量与压降关系数据。

优选地，sstk-omega模型获取到的仿真波纹管内水的流量与压降关系数据优于层流模型获取到的仿真波纹管内水的流量与压降关系数据。经过分析可知，湍流模型在整个雷诺数区间内都能较好的吻合水实验数据，而层流模型得到的结果始终比湍流模型低20％左右。这与层流模型不能准确预测近壁面附近的湍流结构，进而低估了管内的压降有关。因此，根据水试验，还可以进一步地为选择求解器的模型提供参考。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，提供了一种波纹管压降性能的研究方法，通过水试验装置获取试验数据与波纹管的仿真数据进行比较，从而对波纹管的仿真数据进行验证。采用本发明中的方法，能够有效地获取波纹管作为高温超导电缆材料在实际使用过程中的压降性能，并更加准确地评估并指导仿真模型，以对仿真算法进行优化和修正，选择最优的仿真模型，从而更加准确地指导高温超导电缆的设计和制造。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。