均速管流量计流量系数的修正方法研究

　　均速管流量计(Annubar)是基于皮托管原理发展起来的一种新型差压式流量计.它的基本结构是一根中空的金属杆,称为检测杆.检测杆上迎流方向开有成对的测压孔,测量管道中流体平均总压;在检测杆背流方向或下游管壁上测量流体静压,用平均总压和静压之差来表示流量[1].均速管流量计因其结构简单、价格低廉、精确度高、维护方便,尤其是压力损失小、节能效果显著等优点,已逐渐被人们所认识.其应用的范围越来越广泛,在高温高压和大尺寸管道情况下,均速流量计是最常见的[2].毛新业[3-5]、方原柏[6]等人,已对圆形管道内的流速分布、均速管流量计检测杆形状、检测孔位置分布等影响均速管流量计测量误差的主要因素进行了研究,现已比较成熟.

　　近年来,通过数值模拟的方法再现流量计的内部流场,分析不同类型流量计的流量特性,优化流量计结构,成为流量测量领域中一个重要课题[7,8].波兰人Dobrowolski[9]对均速管流量计内部流动进行了数值模拟,他选择的检测杆长度D=20~200 mm,雷诺数范围6.2×104≤Re≤3.1×105.数值仿真得到的数据与实验结果基本吻合,证明了对均速管流量计内部流动进行数值模拟是可行的.另外,把CFD应用于流量计的特性研究的实例也有不少[10-12].之前张东飞等[13]对均速管流量计进行了相关研究,采用标准k-ε湍流模型[14],对300 mm口径均速管差压式流量计进行了CFD数值仿真实验,和使用管道内径D=300 mm的空气流量校验装置进行实验,两种方法进行对比研究.并通过计算发现,数值仿真的流量系数变化在±0.5%以内,实际实验的流量系数变化范围超过了±1.5%,与仿真值相差±1%.在这个雷诺数范围内,数值仿真和实际实验的流量系数之间的误差在2%以内,这也进一步证明了对均速管流量计进行数值仿真分析是完全可行的.

　　本文采用检测杆有效长度为300 mm的子弹头型Verabar均速管流量计作为模型,采用空气作为工作介质.选择模拟的雷诺数范围是2.02×105≤Re≤4.83×105,由雷诺数公式Re=UD/ν,在常温下对应的速度范围为10~24 m/s,其中U是流动的特征速度、D是管道直径、ν是流体运动粘性系数;在不同雷诺数下对管道内不同位置的气体流动进行数值模拟,得到流量计内部流动的速度和压力分布,取出压差值,根据公式算出流量系数K;总结不同雷诺数下K的变化规律,以及修正前直管段长度不同时的流量系数,将不充分发展段的测量值修正为充分发展后的数值,以实现在管道长度不足的情况下得到较为精确的测量值.

　　1　数值仿真

　　1.1　结构模型

　　计算模型如图1,选择模拟的大口径管道直径D=300 mm,均速管检测杆充满管道;三对取压孔按照切比雪夫法分布[15],此法已为ISOTC30所确认;流量计前直管段长度L1分别取5D、10D、20D、30D、40D,L2为5D.