弯管流量计的研究

　　1　前言

　　弯管流量计的研究始于1911年,距今已有90多年历史[1~5]。前人对弯管流量计的研究工作涉及了多方面内容,但是由于当时科学技术条件的限制,不可能对弯管流量计进行系统的理论研究和高精度实验研究,更不可能进行大规模工业生产和推广应用。河北理工学院从1988年开始了对弯管流量计的研究工作,在前人研究成果基础上,借助现代数控机床加工技术、高精度微差压测量技术、计算流体力学技术和计算机技术构筑的全新科学研究平台,经过15年的持续研究[6~11],在理论和实验研究方面都取得了突破性的进展,并且研制出可测量10余种工业常用介质的弯管流量计,在国内已推广使用,有力地推动了工业流量计量的技术进步。

　　2　弯管流量计的基本理论研究

　　经典的弯管流量计理论是以自由旋流理论和强制旋流理论为代表。这两个理论体系从不同角度入手,描述了弯管流量计的特征参数之间的关系。这些参数是:弯管中心线曲率半径R、弯管内径D、流体密度ρ、流体平均流速v和流过弯管时产生的内外侧压力差ΔP(外侧为高压,内侧为低压)。自由旋流理论的数学表达式为:

　　其中,g为重力加速度;x为弯管中心线曲率半径与弯管内半径之比。

式中的单位为m/s。自由旋流理论认为流体流过弯管时其流速是如图1的梯形分布,而强制旋流理论则认为流速是如图2所示的梯形分布。

　　为了较好地描述流体流过弯管流量计的全过程,深入研究其性能,选择前后直管段均为10倍管径长度的弯管流量计模型,应用计算流体力学方法直接求解描述流体流动过程的三维欧拉方程的数值解,结果如图3所示。而且计算与实验结果也能较好地吻合。由欧拉方程的数值解进行动画仿真可得:

　　(1)流过弯管的流体主流动速度向量在弯管进

　　口侧2D附近逐渐由等速流动状态转变成了近似的梯形速度分布流动状态,靠向弯管内侧的流体被加速,靠向弯管外侧的流体被减速,在弯管中点45°横截面附近,该速度分布型式达到了极限状态,内侧流速达到最大值,外侧流速达到最小值。在弯管出口侧,其主流动速度梯形分布的消失过程基本与入口过程对称,最终消失在弯管后2D直管范围内,然后转入截面各质点等速流动的稳定流动状态(见图4)。在实际应用中需考虑干扰件的影响,弯管流量计前后直管段长度应大于4D。

　　(2)对应上述流体流过弯管的主流动,弯管流量计的压力分布也基本是以弯管45°截面为中心的对称分布(见图5)。

　　(3)二次流是存在的,影响主要是在弯管流量计进、出口截面附近。由于进口与出口的流体质点速度向量具有指向反相性质(在进口侧指向内侧,在出口侧则指向外侧),在45°前后截面,其速度向量发生转向,因此二次流的影响接近于零,数字分析表明该值小于主流动向量的0.5%。