层流流量计设计参数的选择与确定

　　1　引　言

　　层流与湍流是流体运动的两大流态,湍流的机理至今仍不很清楚,但涉及湍流的差压式节流流量计却有着长久的应用历史、并已制订出完整的标准[1][2]和有效的设计、标定与使用方法[3];与此相反,对于发展了的层流,尽管早已认识其流动规律,但基于层流运动规律的层流流量计的发展历史不长与应用范围不广,需开拓其研究与发展的内容。

　　层流流量计是基于发展了的层流,其流速与差压成正比的关系而研制的。层流的保持取决于雷诺数Re[Re=(wdρ)/μ]低于临界雷诺数R ec。因而流体的流速w与流道直径d是受限制的。为此,对于微小的流量,可用单根的流道构成层流流量计[4][5];对于普通流量范围,则需用数以万计的层流流道组成层流元件,而将此元件置于层流流量计测量段中,如图1所示。

　　层流流量计主要有两大突出的优点:由于差压与流量呈线性关系,且在测差压时藉阻尼元件的作用,可以不用稳压箱而可直接测出脉动气流的平均流量[6][7];此外,层流流量计特别适合于微小流量的测量[4][5]。

　　目前,在我国和英、美、日均有层流流量计的系列产品,并进行相关的研究,但由于应用范围不广,科研投入不充分,其设计与应用尚存在不少问题,如在文献[6]、[7]、[8]和[4]中均涉及到层流流量计的设计,但尚不完善,特别是未有一套实用性与学术性结合很好的计算公式可供设计时具体应用,本文希望能很好地解决这方面的问题。

　　2　层流流量计的设计参数与基本方程

　　2.1　设计参数

　　层流流量计的设计参数可分为流动参数与几何参数。流动参数是:最大体积流量Qvmax、最大压差Δpmax和最大平均流速wmmax(对定常流,即为最大流速);几何参数是:流量计的直径dm、层流流道的当量直径di、层流流道长度l和层流流道的数目n。对于测微流量的层流流量计,n有时可仅为1,而其设计方法与n>1的情况是完全相同的。

　　在以上设计参数中,Qvmax是给定的,最大压差Δpmax也是给定的。因Δpmax过大会造成太大的流动阻力损失,过小则会导致差压计测量误差太大。因此,Δpmax的选取应在合适的范围内。

　　设计参数中的wmmax、dm、di、l和n均为设计的未知数,需从有关的限定条件、几何条件和流动阻力基本方程所构成的5个方程联合求解,这些条件或方程是:

　　2.2　基本方程

　　2.2.1　Re的限值条件　对于定常流,Re应小于2300;对于脉动流,在一个周期中,流速从最小流速wmin变化到最大流速wmax,为使流速最大时,Re也小于2300,则与最大平均流速相对应的Re应远小于2300,如平均流速wm=Wmax/8,则Re应小于200～250。总之,限值条件可表示为: