干活塞气体流量校准装置数值模拟

　　0 引言

　　气体流量是工业控制和生产中应用最为广泛的参数之一，其中应用最广泛的气体是空气，还包括氮气、氧气、乙炔和惰性气体等。在 10 mL/min ～ 50 L/min( 标准状态下) 范围内，许多领域需要高准确度的气体流量校准装置对流量传感器进行校准。钟罩式气体流量校准装置和水银环密封的被动活塞式气体流量校准装置具有诸多优点，如可以通过尺寸溯源，机械漂移微小等。然而以上两种气体校准装置体积庞大不便于移动，且校准过程中运行速度缓慢效率较低。在必须现场检定校准的场合，便于携带运输和操作的气体流量校准装置是非常急需的。干活塞气体流量校准装置非常适合于现场检定校准。

　　干活塞气体流量校准装置与水银环密封形式的活塞气体流量校准装置工作原理相同。干活塞流量校准装置内活塞为石墨材料，缸体为硼硅酸盐玻璃材质，这两种材料热膨胀系数非常低，且十分相近; 同时两者之间摩擦系数很低。理想的活塞应该是与缸体无摩擦、无泄漏、无形变、无渗透且质量为零。石墨活塞和硼硅酸盐玻璃缸体构成的气体校准装置已接近完美，石墨活塞形状稳定，摩擦力低，无渗透，同时可以通过合理结构设计减小活塞重量。

　　干活塞气体流量校准装置的活塞与缸体的间隙微小 ( <10 μm) ，利用空气粘性在微小间隙直接形成密封。至今，对该类气体流量校准装置运行中气体泄漏量研究较少，本文通过 FLUENT 商用 流 体 仿 真 软件[1 -3]，利用其强大的动网格功能，对干活塞气体流量校准装置运行情况进行数值模拟，对各工况气体泄漏进行估算。

　　1 数学建模

　　研究中利用 FLUENT 流体仿真软件对干活塞气体流量校准装置运行进行数值模拟。FLUENT 是世界领先的计算流体力学软件，广泛应用于流体工程的数值模拟仿真中。

　　1. 1 干活塞气体流量校准装置结构

　　图 1 是干活塞气体流量校准装置结构图，其属于恒位移系统。该类装置是最简单和最直接的流量测试装置，可以直接通过长度和时间进行溯源。干活塞气体流量校准装置运行过程中，测量活塞运行时通过两光电开关之间的时间，而两光电开关之间距离恒定，通过激光干涉仪进行尺寸溯源。

　　1. 2 网格模型

　　如图 2 所示，将装置简化为轴对称结构，采用二维三角形非结构性网格[4 -5]，在玻璃管壁面设定平行于界面边界层网格，以便于实现活塞与壁面之间气体泄漏计算。

　　选用二维双精度求解器 ( 2ddp) 进行求解，网格边界条件设定如下:

　　进口: 质量流动入口，设定入口空气质量流量;