V型内锥流量传感器使用灵活性研究

　　1 引 言

　　V 型内锥流量传感器是一种新型的差压流量计，已广泛应用于石油化工和流量测量领域，与传统的差压流量计相比，具有压力损失小，要求前后直管段短、抗脏污等优点[1]。近年来，国内外掀起了推广应用 V 型内锥流量传感器的热潮，在国外，主要采用实验研究的方法对 V型内锥流量传感器的安装条件和关键参数进行了研究[2-4]; 在国内，李彦梅等人[5-6]采用计算流体动力学仿真和实验相结合的研究方法，研究了 V 型内锥流量传感器的安装条件; 徐英等人[7-10]主要研究了 V 型内锥流量传感器的结构参数和流出系数的关系，并对 V 型内锥流量传感器的可膨胀系数和压力损失进行了实验研究。对两相及多相流体的测量常用超声波流量计，近年来，国内一些学者开始研究利用内锥流量计测量两相和多相流体[11 -15]。但 V 型内锥流量传感器是一个非标准化的节流装置，对 V 型内锥流量传感器的关键技术指标和安装条件尚未标定，国内的生产厂家大多直接照搬美国 McC.公司的产品说明书。

　　本文采用数值仿真和实流实验相结合的方法，实验介质为单相流体( 常温水) ，设计了 100 mm 口径 β 分别为 0.45/0. 65/0. 85 3 种结构类型的样机，并对设计方案进行论证，开展了基线和扩管安装条件下数值仿真和实验研究，给出了 V 型内锥流量传感器所需的最短直管段长度。以实现利用 100 mm 口径的 V 型内锥流量传感器对 50 mm 口径的管道进行流量测量，研究 V 型内锥流量传感器的使用灵活性和安装条件。

　　2 理论基础和研究方案设计

　　2. 1 理论基础

　　内锥流量计的结构如图 1 所示。

　　本研究的介质是常温水，流场可视为不可压缩的定常流场。忽略侧体力的作用，可得时均的控制方程微分形式:

　　流出系数 C 是内锥流量计的关键参数之一，对于不可压缩流体，流出系数 C 定义为內锥流量计中实际流量与理论流量的比值。根据能量守恒定律和质量守恒定律，C 的计算公式为:

　　对二维情况，不考虑其余标量的输运方程，故方程( 2) 和( 4) 构成的方程组不封闭。

　　2. 2 研究方案设计

　　通过长 200 mm 的扩管和缩管将 100 mm 口径的样机与 50 mm 口径的管道相连，设计了 β 值分别为 0. 45/0. 65 / 0. 85 3 种结构类型的样机，研究介质为常温水，对3 种结构类型的样机开展了基线和上游扩管安装条件下数值仿真研究，根据预测结果，选取 β 值为 0. 65 的内锥流量计进行实流测试，为保证管内流体流动为充分发展的湍流，实流实验和数值仿真中，上游直管段分别为100D 和 10D( 管内经 100 mm 定义为 1D) 。