基于流動(dòng)控制原理，將文丘里效應(yīng)應(yīng)用到均速管流量計(jì)中，建立了幾種雙體均速管模型。

通過數(shù)值分析不同模型的流量系數(shù)及其引起的永久壓損隨速度的變化規(guī)律，并與威力巴原型進(jìn)行比較，從中選取最優(yōu)模型。

0.引言

均速管流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，是基于早期皮托管測(cè)速原理發(fā)展起來的一種新型流量測(cè)量元件。以威力巴流量計(jì)為典型代表的均速管流量計(jì)，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、壓力損失小、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行流量測(cè)量。但傳統(tǒng)的均速管流量計(jì)輸出壓差小、其測(cè)量結(jié)果易受被測(cè)流體擾動(dòng)的影響。同時(shí)，傳統(tǒng)均

速管流量計(jì)在被測(cè)流體流速較低時(shí)其流量系數(shù)不穩(wěn)定，因而在測(cè)量低流速工況時(shí)其應(yīng)用受到制約。

為了在保持永久壓損低的前提下，提高均速管流量計(jì)的有效輸出壓差，從流動(dòng)控制的角度出發(fā)，將均速管流量計(jì)與文丘里管的特點(diǎn)相結(jié)合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了幾種雙體均速管流量計(jì)。通過 CFD 數(shù)值模擬，對(duì)不同雙體模型的流量系數(shù)及永久壓力損失進(jìn)行研究分析，從而確定出一種新型的、高精度、寬量程比的雙體均速管流量計(jì)。

1.均速管流量計(jì)的測(cè)量原理

均速管流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，它主要由 5 個(gè)部分組成: 檢測(cè)桿、總壓孔、靜壓孔、總壓管、靜壓管。將均速管流量計(jì)檢測(cè)桿插入管道中，當(dāng)流體流過檢測(cè)桿時(shí)，在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)即總壓，在其兩側(cè)后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)，高、低壓區(qū)的流體通過總壓孔和靜壓孔進(jìn)入到總壓腔和靜壓腔，壓力在腔體內(nèi)平均之后，分別由總壓管及靜壓管引出，總壓與靜壓之差反映了流體平均速度，以此可以推算出流體的流量。

由均速管流量計(jì)工作原理可知，均速管是通過平均總壓與平均靜壓之差來求得流量的，可用伯努利方程計(jì)算。設(shè)均速管檢測(cè)桿迎流速度為 V1 ( m / s) ，壓力P1 ( Pa) ，檢測(cè)桿背部的流速為 V2 ( m / s) ，背部壓力P2 ( Pa) ，若忽略摩阻、流體高度差等因素，則根據(jù)

:伯努利方程可得

其中: ρ 為流體密度( kg / m3 ) 。

顯然，檢測(cè)桿迎流速度 V1 = 0，而且實(shí)際計(jì)算值與理論值之間存在一定的差異，可用流量系數(shù) K 來表示，則管道中流體的實(shí)際體積流量為:

其中: A 為管道橫截面積( m2 ) ， P 為總壓與靜壓之差( Pa) 。

流量系數(shù)是均速管流量計(jì)的關(guān)鍵系數(shù)，應(yīng)通過實(shí)際校驗(yàn)來確定其大小。由于流量系數(shù) K 為常數(shù)，所以只要測(cè)出 P，就能通過計(jì)算得到實(shí)際的流量值。由式( 2) 可知，在相同外部條件下，檢測(cè)桿的流量系數(shù)與其輸出壓差的平方根是成反比的，即流量系數(shù)的減小意味著流量計(jì)的輸出壓差增加。因此測(cè)量特性良好的均速管流量計(jì)，在相應(yīng)的測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有取值較小且穩(wěn)定的流量系數(shù)。

2.雙體均速管流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2． 1  雙體均速管流量計(jì)模型

該文設(shè)計(jì)了 3 種雙體均速管流量計(jì)，如圖 2 所示。模型一的檢測(cè)桿單體形狀類似于橢圓，兩檢測(cè)桿單體之間的區(qū)域與文丘里管相近，流體流過雙體檢測(cè)桿之間時(shí)，依次通過上游收縮段，平直喉道，擴(kuò)張段。模型二的檢測(cè)桿單體形狀與威力巴流量計(jì)的檢測(cè)桿相似，兩檢測(cè)桿之間的間隙構(gòu)成文丘里管，收縮段及擴(kuò)張段的角度、平直喉部的長(zhǎng)度、檢測(cè)桿之間的距離均是按標(biāo)準(zhǔn)文丘里管設(shè)計(jì)的。模型三是在模型二的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)得到的，檢測(cè)桿單體之間的間隙按標(biāo)準(zhǔn)文丘里管設(shè)計(jì)。

兩檢測(cè)桿之間形成的空間與文丘里管具有相同的特點(diǎn)，流體流過兩檢測(cè)桿中間時(shí)速度加快，動(dòng)壓增加而靜壓下降，從而通過兩檢測(cè)桿之間的相互作用可以產(chǎn)生更大的輸出壓差。其測(cè)量原理與普通均速管流量計(jì)相同，測(cè)量多點(diǎn)平均總壓和平均靜壓，通過總、靜壓差進(jìn)行流量的計(jì)算。

2． 2 雙體均速管流量計(jì)的數(shù)值模擬

該文采用大渦模擬方法，計(jì)算域如圖 3 所示，為保證管道內(nèi)流動(dòng)能充分發(fā)展，檢測(cè)桿上游計(jì)算域長(zhǎng)L1 = 35D，管道直徑 D = 300 mm。

計(jì)算采用的網(wǎng)格如圖 4 所示，該網(wǎng)格為分塊非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)測(cè)量桿周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密如圖 5所示。測(cè)量桿下游的流動(dòng)比上游復(fù)雜，所以其下游的網(wǎng)格比上游的網(wǎng)格要密。計(jì)算采用的湍流模型為 k － ωSST，入口條件為 velocity － inlet，出口條件為 pressure － outlet，利用 SIMPLE 算法進(jìn)行計(jì)算。模型二、三采用的網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度、湍流模型及計(jì)算方法均與模型一相同。

2． 3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析

與威力巴原型相比，新型雙體均速管流量計(jì)的流量系數(shù)以及永久壓損隨速度的變化如圖 6 所示。

由圖 6 可以看出，3 種新型的雙體模型與威力巴原型相比較，穩(wěn)定流量系數(shù)均有較大降低。雖然由雙體模型引起的永久壓損有所增加，但增幅不大，從測(cè)量可靠性的角度來分析，所付出的壓力損失在實(shí)際工程應(yīng)用中是完全可以接受的。

表 1 列出了 3 種雙體模型與威力巴原型的各參數(shù)對(duì)比，顯然，模型三引起的流量系數(shù)變化最大，其流量系數(shù)相較于威力巴原型減小的幅度可達(dá) 15． 6% ，即模型三引起的輸出壓差相較于威力巴原型增加 25． 9% ，其可測(cè)的流速范圍 v = 0． 5 ～ 30 m / s，也比威力巴原型有了較大的提高。另外，流量系數(shù)的相對(duì)偏差并沒有過多增加，所以選取模型三為最優(yōu)模型，其穩(wěn)定流量系數(shù)為 K = 0． 647，測(cè)量精度在 ± 2． 32% 以內(nèi)。

3.結(jié)論

該文將均速管流量計(jì)與文丘里管特性相結(jié)合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙體均速管流量計(jì)模型。通過數(shù)值模擬對(duì)不同模型的流量系數(shù)及永久壓損進(jìn)行研究，從中選取最優(yōu)模型。由計(jì)算結(jié)果可以看出，該雙體均速管流量計(jì)是能夠增加輸出壓差及流量測(cè)量范圍的，而且由其所引起的永久壓損相較于威力巴原型也沒有過多增加。該研究為以后雙體均速管流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的幾何依據(jù)。