弯管流量计测量特性的数值模拟与试验研究

　　差压式流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表. 据有关统计, 在整个工业流量测量领域中, 差压式流量计占流量仪表总数的一半以上[ 1] , 其中用得最多是由节流装置和差压计组成的节流式流量计. 虽然节流式流量计结构简单、使用方便、并且已经部分标准化, 但是它存在压力损失大、需要较长的前、后直管段等缺点.

　　近年来, 一些所谓的节能型差压式流量计得到了迅速发展和广泛使用, 弯管流量计就是其中较为突出的一类. 由于弯管流量计内没有插入任何测量元件, 还可利用工艺管道的自然弯头兼作流量传感器, 所以压力损失小、投资节省. 作为一类很有发展前途的差压式流量计, 弯管流量计自问世以来, 为了使其逐步实现标准化, 国内外许多研究者对它进行了大量的试验研究, 得到了一系列的经验或半经验公式. 但是, 这些基于具体测试条件的经验公式通用性较差[ 2-5] .

　　本文综合运用流场数值模拟和实流标定试验两种方法, 研究了弯管流量计的测量特性. 在对安装有弯管流量计的流场数值模拟的基础上, 根据压力分布特点确定了较优的取压口斜度; 然后, 在内径为100 mm 的管道中用空气进行了实流标定试验. 结果表明: 弯管流量计的取压口选取在与上游端面成45°夹角的地方比较好; 弯管流量计的流量系数稳定, 相对误差都介于±3% 之间, 能够满足大多数工业现场流量测量的要求.

　　1 测量原理与特点

　　弯管流量计是利用流体流过一个90b弯头时在弯管内外两侧产生的压力差来测量流量的差压式流量计. 它一般由一个90°弯管流量传感器和差压计组成, 如图1 所示, 取压口的位置放置在弯头平面的圆弧上, 一般成22. 5°或45°夹角[ 6-7] , 高压取压口在管的外侧, 低压取压口在弯管的内侧, 高、低取压口的中心轴线重合.

　　当流体沿着弯管的弧形通道流动时, 流体由于受到角加速度的作用而产生离心力, 使弯管的外侧管壁压力增加, 从而使弯管的内外侧管壁之间形成压力差△p= p 1 - p 2 , 该压力差的平方根与流量成正比, 因此只要测出差压就可得到流量值. 按照强制旋流理论, 流体流经90°弯管的体积流量和差压的关系式为

　　弯管流量计之所以能得到迅速发展和广泛使用, 是与它本身具有的特殊优点分不开的, 这些特点包括: ① 无任何附加节流件或插入件, 无附加阻力损失, 大大降低了流体在管道内输送的动力消耗, 节约能源; ② 对直管段要求不严, 一般只需前直管段长度不小于5D (D 为弯管流道的直径) , 后直管段长度不小于3D 即可, 较之孔板、涡轮、涡街等许多流量测量装置具有更广的适应性; ③ 量程范围宽; ④对微量磨损不敏感, 可以长期保持高精度状态; ⑤可测量赃污流体; ⑥ 结构简单, 价格低廉, 使用寿命长等.