上游组合管件对内锥流量计性能的影响

　　0 引 言

　　内锥流量计在20 世纪80 年代由美国 McCrometer 公司研制并推向市场。由于其在测量性能上的诸多优势而被广泛应用和研究。安装条件对内锥流量计的性能影响也被国内外学者广泛关注[1～3]。同样作为差压式流量计，科研部门和科研工作者对其与其他差压流量计在不同工况下的测量性能做了大量研究工作，并普遍认为内锥流量计具有较强的抗扰动性能，对前后直管段的要求也比标准差压式流量计低[4～6]。McCrometer 公司也对不同差压式流量计做了大量比较工作，并认为内锥流量计在多方面性能优于其他节流式流量计。

　　目前，国内对内锥流量计的技术指标乃至安装条件要求多直接采用美国 McCrometer 公司产品说明书。由于内锥流量计标准化过程尚需时日，不同安装条件对流出系数的影响亟待补充。国内关于内锥流量计安装条件影响的实验研究相对较少。本文通过仿真实验，研究在 100，92 mm口径管道上内锥流量计的适配性问题。通过在100 mm口径管道上对直径比为 0. 65 的内锥流量计进行以常压气体为流动介质的实流实验，以流出系数平均相对误差、线性度和不确定度为评价指标，开展上游组合管件对内锥流量计性能影响的研究。给出不同上游组合管件情况下，前直管段长度建议。结合仿真实验，分析孔板和内锥节流区后部流场的区别。

　　1 管道适配性仿真研究

　　本文选用 McCrometer 公司生产的内锥流量计作为实验流量计。由于该公司生产的内锥流量计内部尺寸采用美国标准，各型号内径均不等于 100 mm。根据内锥流量计前后端面几何尺寸情况，最终选用内径为 4 in( 1 in =2. 54 cm)的 L 悬臂型内锥流量计，直径比 β 为 0. 646 5，内径为92. 557 6 mm，前锥角为 53°，后锥角为 127°。结构图如图 1所示，包括法兰、测量管、差压变送器、压力传感器和锥体。由于管道直径与内锥流量计的直径偏差仅为 8 %，且流量计上游端面与上游取压孔平面有 101. 6 mm 距离，所以，认为对测量性能的主要影响因素是不同管件对流场的影响，而直径偏差的影响可忽略不计。

　　首先通过仿真实验研究内锥流量计的管道适配性。对前直管段长度为 50D，后直管段长度为 3D 的三维模型进行仿真。使用 Gambit 建立内锥流量计三维实体模型并划分网格，使用 Fluent 对流场求解。分别对直管段直径为 92，100 mm两种流场情况进行仿真实验。内锥流量计部分内径为 92 mm。

　　Fluent 数值模拟采用 k-epsilon-Standard 湍流模型和标准壁面函数，离散方程组的压力速度耦合选择 SIMPLE 算法，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用二阶迎风差分格式。介质使用空气，密度 ρ气= 1. 161 4 kg / m3，动力粘度 μ气=1. 845 × 10- 5kg / ( m·s) ，运动粘度 ν气= 1. 589 × 10- 5m2/ s。从图 2 可以看出: 在内径为 92 mm 的管道中，内锥流量计的流出系数较在 100 mm 管道中偏小，最大相对误差仅为0. 4 % ，且除最低雷诺数的仿真结果外，其他误差均不大于0. 15 % 。因此，可以认为内径 92 mm 的内锥流量计在内径为 100 mm 的管道中是适用的。