雙體均速管流量計的創(chuàng )新優(yōu)化設計

0 引言

均速管流量計屬于差壓式流量計，是基于早期皮托管測速原理發(fā)展起來(lái)的一種新型流量測量元件。以威力巴流量計為典型代表的均速管流量計，以其結構簡(jiǎn)單、測量精度高、壓力損失小、節能效果顯著(zhù)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應用于工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行流量測量。但傳統的均速管流量計輸出壓差小、其測量結果易受被測流體擾動(dòng)的影響。同時(shí)，傳統均速管流量計在被測流體流速較低時(shí)其流量系數不穩定，因而在測量低流速工況時(shí)其應用受到制約。

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)，將均速管流量計與文丘里管的特點(diǎn)相結合，創(chuàng )新設計了幾種雙體均速管流量計。通過(guò)CFD數值模擬，對不同雙體模型的流量系數及永久壓力損失進(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。

1 均速管流量計的測量原理

均速管流量計的基本結構如圖1所示，它主要由5個(gè)部分組成：檢測桿、總壓孔、靜壓孔、總壓管、靜壓管。將均速管流量計檢測桿插入管道中，當流體流過(guò)檢測桿時(shí)，在其前部產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區即總壓，在其兩側后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區，高、低壓區的流體通過(guò)總壓孔和靜壓孔進(jìn)入到總壓腔和靜壓腔，壓力在腔體內平均之后，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。

圖1 均速管流量計基本結構

由均速管流量計工作原理可知，均速管是通過(guò)平均總壓與平均靜壓之差來(lái)求得流量的，可用伯努利方程計算。設均速管檢測桿迎流速度為V₁（m/s），壓力為P₁（Pa），檢測桿背部的流速為V₂（m/s），背部壓力為P₂（Pa），若忽略摩阻、流體高度差等因素，則根據伯努利方程可得：

    （1）

其中：ρ為流體密度（kg/m³）。

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

    （2）

其中：A為管道橫截面積（m²），ΔP為總壓與靜壓之差（Pa）。

流量系數是均速管流量計的關(guān)鍵系數，應通過(guò)實(shí)際校驗來(lái)確定其大小。由于流量系數K為常數，所以只要測出ΔP，就能通過(guò)計算得到實(shí)際的流量值。由式（2）可知，在相同外部條件下，檢測桿的流量系數與其輸出壓差的平方根是成反比的，即流量系數的減小意味著(zhù)流量計的輸出壓差增加。因此測量特性良好的均速管流量計，在相應的測量范圍內，應具有取值較小且穩定的流量系數。

2 雙體均速管流量計的優(yōu)化設計

2.1 雙體均速管流量計模型

該文設計了3種雙體均速管流量計，如圖2所示。模型一的檢測桿單體形狀類(lèi)似于橢圓，兩檢測桿單體之間的區域與文丘里管相近，流體流過(guò)雙體檢測桿之間時(shí)，依次通過(guò)上游收縮段，平直喉道，擴張段。模型二的檢測桿單體形狀與威力巴流量計的檢測桿相似，兩檢測桿之間的間隙構成文丘里管，收縮段及擴張段的角度、平直喉部的長(cháng)度、檢測桿之間的距離均是按標準文丘里管設計的。模型三是在模型二的基礎上加以改進(jìn)得到的，檢測桿單體之間的間隙按標準文丘里管設計。

圖2 威力巴原型及雙體模型截面形狀

兩檢測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(guò)兩檢測桿中間時(shí)速度加快，動(dòng)壓增加而靜壓下降，從而通過(guò)兩檢測桿之間的相互作用可以產(chǎn)生更大的輸出壓差。其測量原理與普通均速管流量計相同，測量多點(diǎn)平均總壓和平均靜壓，通過(guò)總、靜壓差進(jìn)行流量的計算。

2.2 雙體均速管流量計的數值模擬

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

圖3 數值模擬計算域

計算采用的網(wǎng)格如圖4所示，該網(wǎng)格為分塊非結構化網(wǎng)格，對測量桿周?chē)�的網(wǎng)格進(jìn)行加密如圖5所示。測量桿下游的流動(dòng)比上游復雜，所以其下游的網(wǎng)格比上游的網(wǎng)格要密。計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)行計算。模型二、三采用的網(wǎng)格類(lèi)型、網(wǎng)格密度、湍流模型及計算方法均與模型一相同。

圖4 計算采用的網(wǎng)格

圖5 檢測桿周?chē)�的網(wǎng)格

2.3 數值計算結果的分析

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

圖6 3種模型的數值模擬結果與原型比較

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，穩定流量系數均有較大降低。雖然由雙體模型引起的永久壓損有所增加，但增幅不大，從測量可靠性的角度來(lái)分析，所付出的壓力損失在實(shí)際工程應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對比，顯然，模型三引起的流量系數變化最大，其流量系數相較于威力巴原型減小的幅度可達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%，其可測的流速范圍v=0.5～30m/s，也比威力巴原型有了較大的提高。另外，流量系數的相對偏差并沒(méi)有過(guò)多增加，所以選取模型三為最優(yōu)模型，其穩定流量系數為K=0.647，測量精度在±2.32%以?xún)取?/p>

表1 3種雙體模型與威力巴原型各參數的對比

3 結論

該文將均速管流量計與文丘里管特性相結合，創(chuàng )新設計了雙體均速管流量計模型。通過(guò)數值模擬對不同模型的流量系數及永久壓損進(jìn)行研究，從中選取最優(yōu)模型。由計算結果可以看出，該雙體均速管流量計是能夠增加輸出壓差及流量測量范圍的，而且由其所引起的永久壓損相較于威力巴原型也沒(méi)有過(guò)多增加。該研究為以后雙體均速管流量計的優(yōu)化設計提供了可靠的幾何依據。