發布日期：2022-04-27 點擊率：72
摘 要： 利用常壓氣體作為流動介質，以流出系數平均相對誤差、線性度和不確定度為評價指標，通過實流實驗和仿真，研究內錐流量計管道適配性和上游組合管件對測量性能的影響。根據實驗結果，為保證相對誤差在可接受范圍，給出對于不同形式的上游組合管件內錐流量計對前直管段長度的建議。結合仿真，在相同工況下對內錐流量計和傳統孔板流量計節流區后部流場進行分析。
關鍵字： 組合管件；內錐流量計；流出系數；流出系數相對誤差
引言
內錐流量計在20世紀80年代由美國McCrometer公司研制并推向市場。由于其在測量性能上的諸多優勢而被廣泛應用和研究。安裝條件對內錐流量計的性能影響也被國內外學者廣泛關注。同樣作為差壓式流量計，科研部門和科研工作者對其與其他差壓流量計在不同工況下的測量性能做了大量研究工作，并普遍認為內錐流量計具有較強的抗擾動性能，對前后直管段的要求也比標準差壓式流量計低。McCrometer公司也對不同差壓式流量計做了大量比較工作，并認為內錐流量計在多方面性能優于其他節流式流量計。
目前，國內對內錐流量計的技術指標乃至安裝條件要求多直接采用美國McCrometer公司產品說明書。由于內錐流量計標準化過程尚需時日，不同安裝條件對流出系數的影響亟待補充。國內關于內錐流量計安裝條件影響的實驗研究相對較少。本文通過仿真實驗，研究在100，92mm口徑管道上內錐流量計的適配性問題。通過在100mm口徑管道上對直徑比為0.65的內錐流量計進行以常壓氣體為流動介質的實流實驗，以流出系數平均相對誤差、線性度和不確定度為評價指標，開展上游組合管件對內錐流量計性能影響的研究。給出不同上游組合管件情況下，前直管段長度建議。結合仿真實驗，分析孔板和內錐節流區后部流場的區別。
1 管道適配性仿真研究
本文選用McCrometer公司生產的內錐流量計作為實驗流量計。由于該公司生產的內錐流量計內部尺寸采用美國標準，各型號內徑均不等于100mm。根據內錐流量計前后端面幾何尺寸情況，最終選用內徑為4in（1in=2.54cm）的L懸臂型內錐流量計，直徑比β為0.6465，內徑為92.5576mm，前錐角為53°，后錐角為127°。結構圖如圖1所示，包括法蘭、測量管、差壓變送器、壓力傳感器和錐體。由于管道直徑與內錐流量計的直徑偏差僅為8%，且流量計上游端面與上游取壓孔平面有101.6mm距離，所以，認為對測量性能的主要影響因素是不同管件對流場的影響，而直徑偏差的影響可忽略不計。
圖1 內錐流量計結構
首先通過仿真實驗研究內錐流量計的管道適配性。對前直管段長度為50D，后直管段長度為3D的三維模型進行仿真。使用Gambit建立內錐流量計三維實體模型并劃分網格，使用Fluent對流場求解。分別對直管段直徑為92，100mm兩種流場情況進行仿真實驗。內錐流量計部分內徑為92mm。
Fluent數值模擬采用k-epsilon-Standard湍流模型和標準壁面函數，離散方程組的壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，動量、湍流動能、湍流耗散率均用二階迎風差分格式。介質使用空氣，密度ρ氣=1.1614kg/m3，動力粘度μ氣= 1.845×10-5kg/（m·s），運動粘度ν氣=1.589×10-5m2/s。從圖2可以看出：在內徑為92mm的管道中，內錐流量計的流出系數較在100mm管道中偏小，最大相對誤差僅為0.4%，且除最低雷諾數的仿真結果外，其他誤差均不大于0.15%。因此，可以認為內徑92mm的內錐流量計在內徑為100mm的管道中是適用的。
圖2 相對誤差
2 實驗設計
2.1 實驗裝置
實驗在天津大學過程檢測和控制實驗室的高精度常壓氣流量實驗裝置上完成。采用標準表法標定內錐流量計。標準表為渦輪流量計，為整個實驗提供準確流量值。可測流量范圍25～1400為m3/h，精度為0.5%，重復性為0.06%。管道為水平方向。選用D=100mm口徑的實驗管道。圖3為實驗裝置示意。通過變頻器調節風機轉速，從管道入口出抽取空氣作為實驗流動介質，為實驗提供穩定的氣流。差壓變送器采用2只橫河EJA110A，精度為0.075%，量程分別為0～1，0～10kPa。選用研華PCI—1780采集卡采集標準表頻率信號，選用研華PCI—1716的16位A/D信號采集卡采集壓力與溫度信號。計算機用于實現對標準表、差壓變送器和溫度傳感器輸出信號的實時處理。
圖3 實驗裝置
2.2 實驗方案設計
管道直徑100mm，定義為1D。標準中默認的彎頭為90°彎頭，曲率半徑150mm。本實驗中彎頭符合GB/T12459—2005標準，同樣為DN100長半徑90°彎頭，曲率半徑為150mm，法蘭焊接形式為對焊。表1給出實驗方案設計（DN100，實驗介質：常溫常壓氣體），對應不同前置管段和不同管件組合。其中，“○”表示實驗用直管段長度。符號“D”表示管道內徑。如5D表示內錐流量計活孔板上游端面距離管件法蘭端面的長度為5D。
以基準實驗作為參考基準。基準實驗前直管段長50D，后直管段長3D，管道內流體流動為充分發展的湍流狀態。前期大量文獻表明，前直管段長度達到50D時，可以認為流場已經充分發展。同時，后直管段達到3D，不會影響內錐流量計流出系數。所有實驗管件上游直管段長10D。
表1 實驗方案設計
3 實流實驗結果
3.1 基準實驗
內錐流量計基準實驗結果如圖4所示。從基準實驗結果可以看出：流出系數C基本穩定在0.93～0.95之間。
圖4 基準實驗結果
3.2 管件實驗
90°彎頭是一種比較簡單的管件，它只改變流動方向，對流場不產生收縮作用。但流動介質流過單彎頭以后，在管道橫截面上形成2個對稱的渦流，如圖5所示。這樣的渦流對流場影響非常劇烈，需要很長前直管段的充分發展才能將該影響消除。所以，單彎頭對前直管段的長度要求相對較高。
圖5 90°彎頭后的雙渦流
當工業現場空間狹小時，需要將球閥、90°彎頭和漸縮管組合使用。這時就需要考慮管件的綜合影響。由于漸縮管對流場影響并不大，對流出系數影響的主要因素是90°彎頭，因此，在比較流出系數隨前直管段變化時，90°彎頭對流場的影響起決定作用。首先單獨對90°彎頭和漸縮管進行實驗，最后對90°彎頭和漸縮管組合進行實驗。
各管件實驗流出系數與基準實驗流出系數的相對誤差如圖6所示。從圖中可以看出：各組合管件對流出系數的影響均不大。最大相對誤差不超過0.6%。說明內錐流量計具有很好的抗流場擾動性能。從圖中可以看出：2種管件組合使相對誤差隨前直管段的減小而單調增大，但在全孔球閥+漸縮管的結果中，相對誤差在前直管段長度小于3D后出現隨前直管段長度的減小而減小的趨勢。該現象在仿真實驗中同樣存在。以全孔球閥+90°彎頭的仿真實驗結果為例，如圖7所示，從圖中可以看出：在前直管段長度為4D附近，相對誤差隨前直管段長度減小而減小的趨勢發生變化。在前直管段長度小于4D后，相對誤差隨前直管段長度的減小而增大。出現這種情況，是因為單彎頭后部流場復雜，除了在彎頭方向上出現流場偏移外，管道中還存在二次渦流。而流場中錐體對流動介質的擠壓效果，會因其自身特殊的的幾何形狀，而受流場中軸向渦流的影響。同時環狀流動區域內部流場情況復雜，導致其對后取壓孔的取壓影響并不像其他節流式流量計一樣存在單調變化的規律。
從圖8的不確定度和圖9的線性度曲線中可以看出：在各管件組合情況下，不確定度和線性度均沒有隨前直管段長度的變化而出現明顯變化。說明內錐流量計對流場有很好的抗擾動性能。如果以相對誤差不大于0.5%為篩選指標，則對上述5種管件，除全孔球閥+同平面雙90°彎頭在前直管段長度為3D一種情況下，其他各工況均滿足此選擇指標。可以認為當內錐流量計前直管段長度大于1D時，可以基本滿足測量誤差要求。
4 仿真實驗
從實流實驗結果可以看出：內錐流量計的在特殊工況中的測量性能遠優于傳統的孔板流量計。為更直觀地比較這2種節流式流量計對流場的影響，進行仿真實驗。仿真實驗中，管件為單彎頭，前直管段長度為5D。使用Gambit建立三維實體模型并劃分網格，使用Fluent對流場求解。
孔板和內錐的直徑比均為0.65。圖10為流體流經單彎頭和節流區后的流場速度云圖。從圖中可以看出：流體流經孔板后有明顯的偏移，這樣的偏移和流場內部形成的二次渦運動是影響差壓式流量計測量性能的主要原因。相同的偏移趨勢在內錐流場中同樣存在。從圖中可以看出：當流體到達內錐前緣時有明顯偏移，偏移方向與流經孔板后的偏移方向相同。但由于錐體對流體向管壁的擠壓作用，節流區后部的流場偏移已基本消失。正是這樣的擠壓收縮作用，為后取壓孔正確采集壓力信號提供了保證。
5 結論
針對直徑比為0.65的內錐流量計，通過仿真實驗，認為內徑為92mm的內錐流量計在內徑為100mm的管道中是適用的。
通過對5種不同管件在不同前直管段情況下，在常壓氣裝置上進行實流實驗，對雷諾數范圍在24000～216000范圍內的流出系數進行研究，認為內錐流量計對流場具有很好的抗擾性能。對不同管件實驗數據進行比較分析，認為在組合管件中，除一種管件組合的一種前直管段長度外，其他相對誤差均滿足不大于0.5%的要求。可以認為內錐流量計前直管段長度大于1D后，對多種組合管件均可滿足測量誤差要求。
通過分別對內錐和標準孔板進行仿真實驗，認為在相同管件情況下，管道內錐體對流場向壁面擠壓所形成的整流效果優于孔板對流場向軸線收縮所形成的整流效果
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