测量排气流量的内锥流量计数值模拟与实验

　　引言

　　近年来,随着气体分析仪测量精度的提高,碳平衡法[1]在实车油耗测量中的应用越来越广泛。碳平衡法分为排气直采测量法和排气稀释采样法。排气直采测量法利用流量计直接测量发动机排气流量,但在实际测量过程中存在一系列的问题:流量计的压力损失过高,会增加发动机排气背压,对发动机效率造成影响;发动机排气存在脉动,使得精确计量排气流量比较困难;排气中的碳颗粒物质有可能黏附在流量计的内壁产生积垢;排气温度较高,普通的流量计难以达到耐高温的要求;汽车从怠速到高速高负荷行驶,排气流量在很大范围内变化,要求流量计有较大的测量范围。为此,本文采用内锥流量计对排气流量进行测量。

　　1　工作原理与特点

　　1·1　结构和工作原理

　　用于排气流量测量的内锥流量计结构示意图如图1所示。

　　内锥流量计属于差压式流量计,其主要的理论基础是密闭管道中能量守恒定律和流动连续性方程,即伯努利(Bernoulli)定理。如图1所示,流体在接近内锥节流件时其压力为p1,取这一点压力作为参照流速下的基准静压;当流体流经内锥节流区时, 由于管道截面积变小而流速增大以维持能量恒定, 并且在锥体末端取压口附近压力降到最小,引出该处压力p2。测取这两处的压力差Δp=p1-p2;根据伯努利定理,由Δp即可计算出流速的大小。其基本计算公式为

　　式中　QV———流体的体积流量,m3/s

　　C———流出系数　　β———等效直径比

　　ε———被测介质的可膨胀系数

　　Δp———上下游压力差,Pa

　　ρA———工作状况下,锥体前上游处流体的密度,kg/m3

　　D———工况下测量管的内径,m

　　d———锥体最大横截面圆的直径,m

　　κ———等熵系数,空气取1·4[2~3]

　　流出系数C的求值问题是内锥流量计进行流量计量的关键,目前还没有标准的计算公式，McCrometer公司公开给出的推荐估算式为

　　从式(4)可以看出此处的流出系数仅和D、β有关,而没有考虑前后锥角γ、θ以及雷诺数Re等参数的影响。

　　1·2　特点

　　内锥流量计具有很多优点:永久压力损失较小;有较强的流动调整能力,对直管段要求低,结构紧凑;信噪比好,压差下限很低,测量精度高,量程大,雷诺数在8×103~1×107之间时流出系数的重复性和线性度都很好;无流动死角,具有自清扫能力,可以测量脏污流;具有自保护能力,关键尺寸受流体边界层的保护,不会被磨蚀;有较强的耐高温能力。上述优点可以弥补排气直采测量中若干问题引起的测量误差,因此选用内锥流量计作为排气直采油耗测量法的流量测量仪器。虽然很多学者都对内锥流量计进行了研究[4~7],但到目前为止,内锥流量计尚未完全实现标准化[4]。因此,本文结合数值模拟与物理实验对内锥流量计特性进行研究。