水浴恒温式pVTt法气体流量标准装置温度场仿真研究

　　0 引 言

　　pVTt 法气体流量标准装置是应用非常广泛的一种原始的气体流量标准装置[1]，装置的主要用途是对临界流喷嘴进行量值传递，地位非常重要。pVTt 法气体流量标准装置标准容器内气体温度场变化是气体动力学中热力变化和传热变化的复杂过程[2]，依靠理论推导来准确确定其内气体温度、压力特征是不现实的。传统上研究此类问题主要通过实验方法和经验公式。但实验耗资耗力且受到客观条件的限制而造成各种偏差。经验公式又不能照顾到实际使用环境，因此，存在不可忽略的偏差。若采用流体仿真技术对标准容器温度场建立数学模型、进行数值仿真，不仅可以节约大量人力、物力，而且，可以通过不同实验参数的对比找到更加合理的解决方案。

　　本文对 pVTt 法气体流量标准装置标准容器温度场特性进行了非稳态仿真研究，并采用目前处于世界领先地位的流体仿真软件 Fluent 来模拟标准容器温度场分布[3]，结果表明: 温场内最大温差小于 0. 01 K。

　　1 双容器型 pVTt 装置简介

　　如图 1，双容器型 pVTt 法气体流量标准装置工作原理: 检定前用真空泵将标准容器和缓冲容器都抽空，待标准容器内剩余气体温度场稳定之后测出其温度 Te和压力 pe，将三通阀位置放在使大气通向缓冲容器的位置，此时大气压高于缓冲容器内压力，所以，周围空气就通过喷嘴、三通阀，流入缓冲容器中; 当确认流量达到预定值并稳定之后，启动换向阀换向，使空气从流入缓冲容器换向到流入标准容器; 当换向阀换到中间位置时，由换向阀上的光电发讯器发出电信号，启动计时器计时; 空气继续以恒定的流量流入标准容器，当向标准容器内流入适当量的空气时，或者流入适当的时间时[4]，再次启动换向阀换向，将空气又换向到流入缓冲容器，当换向阀换到中间位时，光电发讯器再次发出一个电信号，停止计时器计时，记录计时器所记时间 t; 待标准容器内气体温度稳定且均匀后，测量其内温度 Tf和压力 pf。由测得的温度、压力以及时间 t，计算出流过试验管道的基本质量流量 qm，i[5]：

　　2 标准容器建模

　　2. 1 物理模型

　　标准容器参数: 标准容器主体呈圆柱体，两端面均以等径半球封闭，尺寸为 500 mm × 2200 mm ×6 mm，进气节流口位于气罐侧面中间位置，进气节流口直径为5. 5mm，过流面积为 23. 76 mm²。检定时进气体积流量为 0. 00439 m3/ s，质量流量为 5. 68 g/s。进气之前标准容器内气体初始压力为绝对压力 10 000 Pa，温度为 293 K。进 气 气 体 压 力 为101 300 Pa，温度在 290 ～ 293 K 之间随时间变化。