摘 要： 利用常壓氣體作為流動介質(zhì)，以流出系數(shù)平均相對誤差、線性度和不確定度為評價(jià)指標(biāo)，通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)和仿真，研究內(nèi)錐流量計(jì)管道適配性和上游組合管件對測量性能的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)錐流量計(jì)對前直管段長度的建議。結(jié)合仿真，在相同工況下對內(nèi)錐流量計(jì)和傳統(tǒng)孔板流量計(jì)節(jié)流區(qū)后部流場進(jìn)行分析。
關(guān)鍵字： 組合管件；內(nèi)錐流量計(jì)；流出系數(shù)；流出系數(shù)相對誤差
引言
內(nèi)錐流量計(jì)在20世紀(jì)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(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用和研究。安裝條件對內(nèi)錐流量計(jì)的性能影響也被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。同樣作為差壓式流量計(jì)，科研部門和科研工作者對其與其他差壓流量計(jì)在不同工況下的測量性能做了大量研究工作，并普遍認(rèn)為內(nèi)錐流量計(jì)具有較強(qiáng)的抗擾動性能，對前后直管段的要求也比標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)低。McCrometer公司也對不同差壓式流量計(jì)做了大量比較工作，并認(rèn)為內(nèi)錐流量計(jì)在多方面性能優(yōu)于其他節(jié)流式流量計(jì)。
目前，國內(nèi)對內(nèi)錐流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)乃至安裝條件要求多直接采用美國McCrometer公司產(chǎn)品說明書。由于內(nèi)錐流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化過程尚需時(shí)日，不同安裝條件對流出系數(shù)的影響亟待補(bǔ)充。國內(nèi)關(guān)于內(nèi)錐流量計(jì)安裝條件影響的實(shí)驗(yàn)研究相對較少。本文通過仿真實(shí)驗(yàn)，研究在100，92mm口徑管道上內(nèi)錐流量計(jì)的適配性問題。通過在100mm口徑管道上對直徑比為0.65的內(nèi)錐流量計(jì)進(jìn)行以常壓氣體為流動介質(zhì)的實(shí)流實(shí)驗(yàn)，以流出系數(shù)平均相對誤差、線性度和不確定度為評價(jià)指標(biāo)，開展上游組合管件對內(nèi)錐流量計(jì)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(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，分析孔板和內(nèi)錐節(jié)流區(qū)后部流場的區(qū)別。
1 管道適配性仿真研究
本文選用McCrometer公司生產(chǎn)的內(nèi)錐流量計(jì)作為實(shí)驗(yàn)流量計(jì)。由于該公司生產(chǎn)的內(nèi)錐流量計(jì)內(nèi)部尺寸采用美國標(biāo)準(zhǔn)，各型號內(nèi)徑均不等于100mm。根據(jù)內(nèi)錐流量計(jì)前后端面幾何尺寸情況，最終選用內(nèi)徑為4in（1in=2.54cm）的L懸臂型內(nèi)錐流量計(jì)，直徑比β為0.6465，內(nèi)徑為92.5576mm，前錐角為53°，后錐角為127°。結(jié)構(gòu)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(nèi)錐流量計(jì)的直徑偏差僅為8%，且流量計(jì)上游端面與上游取壓孔平面有101.6mm距離，所以，認(rèn)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(jì)。
圖1 內(nèi)錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)
首先通過仿真實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)錐流量計(jì)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(jìn)行仿真。使用Gambit建立內(nèi)錐流量計(jì)三維實(shí)體模型并劃分網(wǎng)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。內(nèi)錐流量計(jì)部分內(nèi)徑為92mm。
Fluent數(shù)值模擬采用k-epsilon-Standard湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，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(fēng)差分格式。介質(zhì)使用空氣，密度ρ氣=1.1614kg/m3，動力粘度μ氣= 1.845×10-5kg/（m·s），運(yùn)動粘度ν氣=1.589×10-5m2/s。從圖2可以看出：在內(nèi)徑為92mm的管道中，內(nèi)錐流量計(jì)的流出系數(shù)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(shù)的仿真結(jié)果外，其他誤差均不大于0.15%。因此，可以認(rèn)為內(nèi)徑92mm的內(nèi)錐流量計(jì)在內(nèi)徑為100mm的管道中是適用的。
圖2 相對誤差
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)過程檢測和控制實(shí)驗(yàn)室的高精度常壓氣流量實(shí)驗(yàn)裝置上完成。采用標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定內(nèi)錐流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)表為渦輪流量計(jì)，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確流量值。可測流量范圍25～1400為m3/h，精度為0.5%，重復(fù)性為0.06%。管道為水平方向。選用D=100mm口徑的實(shí)驗(yàn)管道。圖3為實(shí)驗(yàn)裝置示意。通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從管道入口出抽取空氣作為實(shí)驗(yàn)流動介質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)表、差壓變送器和溫度傳感器輸出信號的實(shí)時(shí)處理。
圖3 實(shí)驗(yàn)裝置
2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
管道直徑100mm，定義為1D。標(biāo)準(zhǔn)中默認(rèn)的彎頭為90°彎頭，曲率半徑150mm。本實(shí)驗(yàn)中彎頭符合GB/T12459—2005標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（DN100，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：常溫常壓氣體），對應(yīng)不同前置管段和不同管件組合。其中，“○”表示實(shí)驗(yàn)用直管段長度。符號“D”表示管道內(nèi)徑。如5D表示內(nèi)錐流量計(jì)活孔板上游端面距離管件法蘭端面的長度為5D。
以基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)作為參考基準(zhǔn)。基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)前直管段長50D，后直管段長3D，管道內(nèi)流體流動為充分發(fā)展的湍流狀態(tài)。前期大量文獻(xiàn)表明，前直管段長度達(dá)到50D時(shí)，可以認(rèn)為流場已經(jīng)充分發(fā)展。同時(shí)，后直管段達(dá)到3D，不會影響內(nèi)錐流量計(jì)流出系數(shù)。所有實(shí)驗(yàn)管件上游直管段長10D。
表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
3 實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
內(nèi)錐流量計(jì)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：流出系數(shù)C基本穩(wěn)定在0.93～0.95之間。
圖4 基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.2 管件實(shí)驗(yàn)
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(chǎn)生收縮作用。但流動介質(zhì)流過單彎頭以后，在管道橫截面上形成2個(gè)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(fā)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(dāng)工業(yè)現(xiàn)場空間狹小時(shí)，需要將球閥、90°彎頭和漸縮管組合使用。這時(shí)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(shù)影響的主要因素是90°彎頭，因此，在比較流出系數(shù)隨前直管段變化時(shí)，90°彎頭對流場的影響起決定作用。首先單獨(dú)對90°彎頭和漸縮管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后對90°彎頭和漸縮管組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
各管件實(shí)驗(yàn)流出系數(shù)與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流出系數(shù)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(shù)的影響均不大。最大相對誤差不超過0.6%。說明內(nèi)錐流量計(jì)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(diào)增大，但在全孔球閥+漸縮管的結(jié)果中，相對誤差在前直管段長度小于3D后出現(xiàn)隨前直管段長度的減小而減小的趨勢。該現(xiàn)象在仿真實(shí)驗(yàn)中同樣存在。以全孔球閥+90°彎頭的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)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(xiàn)這種情況，是因?yàn)閱螐濐^后部流場復(fù)雜，除了在彎頭方向上出現(xiàn)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(zhì)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(shí)環(huán)狀流動區(qū)域內(nèi)部流場情況復(fù)雜，導(dǎo)致其對后取壓孔的取壓影響并不像其他節(jié)流式流量計(jì)一樣存在單調(diào)變化的規(guī)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(xiàn)明顯變化。說明內(nèi)錐流量計(jì)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(biāo)，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(biāo)。可以認(rèn)為當(dāng)內(nèi)錐流量計(jì)前直管段長度大于1D時(shí)，可以基本滿足測量誤差要求。
4 仿真實(shí)驗(yàn)
從實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：內(nèi)錐流量計(jì)的在特殊工況中的測量性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)。為更直觀地比較這2種節(jié)流式流量計(jì)對流場的影響，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)中，管件為單彎頭，前直管段長度為5D。使用Gambit建立三維實(shí)體模型并劃分網(wǎng)格，使用Fluent對流場求解。
孔板和內(nèi)錐的直徑比均為0.65。圖10為流體流經(jīng)單彎頭和節(jié)流區(qū)后的流場速度云圖。從圖中可以看出：流體流經(jīng)孔板后有明顯的偏移，這樣的偏移和流場內(nèi)部形成的二次渦運(yùn)動是影響差壓式流量計(jì)測量性能的主要原因。相同的偏移趨勢在內(nèi)錐流場中同樣存在。從圖中可以看出：當(dāng)流體到達(dá)內(nèi)錐前緣時(shí)有明顯偏移，偏移方向與流經(jīng)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(jié)流區(qū)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(jié)論
針對直徑比為0.65的內(nèi)錐流量計(jì)，通過仿真實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為內(nèi)徑為92mm的內(nèi)錐流量計(jì)在內(nèi)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(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)，對雷諾數(shù)范圍在24000～216000范圍內(nèi)的流出系數(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為內(nèi)錐流量計(jì)對流場具有很好的抗擾性能。對不同管件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，認(rèn)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(rèn)為內(nèi)錐流量計(jì)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(nèi)錐和標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在相同管件情況下，管道內(nèi)錐體對流場向壁面擠壓所形成的整流效果優(yōu)于孔板對流場向軸線收縮所形成的整流效果
