利用管道速度分布方程校准大口径气体流量计

　　近年来,随着生产大规模化和工程大型化,大管道的气体流量计量在能源计量中广泛应用.为测量大管道流量,计量科学家们做了许多有益的探索,各种非标准差压式流量计依其各自的特点,在大口径流量测量方面广泛应用.这些非标准差压式流量计,由于不能像孔板等标准节流件一样,有成熟且通行的国际标准支持,所以其仪表系数必须通过实流标定获得;然而,目前我国还没有口径大于400 mm,满足圆管流的气体标准装置,因此在推广和使用中遇到了很大的困难[1].

　　校验气体流量计的常用气体流量标准装置有钟罩式气体流量装置、PVTt法气体流量标准装置、Mt法气体流量标准装置和多台音速喷嘴并联等[2],但这些标准装置若要用来校验大口径大流量的气体流量计会有困难.这是因为,虽然从原理及制造角度来说,将一些测量小管径的流量计尺寸放大应无问题,但仪表的体积及重量将随口径按几何级数增长,而且还会带来其它问题.如压损过大,造价和运行费用过高等,因此很难考虑再采用这类标准装置.另外,也可采用一台或多台稳定性较好.精度较高的流量计作为标准表并联起来,以此作为流量基准来校验大口径流量计.然而,ISO5167新标准[3]要求标准表和被校表的前直管段达30D~40D(D为管道的直径),管径过大时,现场无法满足.为解决插入式大口径流量计校验难的问题,一种较好的替代办法就是进行现场实流校验.这正是本文研究的目的.

　　速度面积法是一种测量管道中流量的经典方法.该方法较为繁琐,只适用于现场校验,而不适宜用于流程工业的流量测量,并且只适用于大管道,而不适用于小管道流量校验[4].

　　本文通过速度面积法,测量口径为300 mm的圆管内形成充分发展湍流的试验段截面上的流速分布,获得流速分布曲线,用指数分布式和统一分布式方程拟合该流速分布曲线,发现统一分布式较指数分布式在管中心部分更接近实际值,因此将统一分布方程作为该面的流速分布方程.通过测量该截面上的一点流速带入流速分布方程获得管道流量作为标准流量,来校验插在该管道上进行流量测量的均速管流量计.

　　1　方法分析

　　对于圆管内速度分布式的研究,最经典且最常用的是Nikaradse于1932年提出的指数分布模型,如图1.u是管道截面上一点的流速,r代表管道内相对于中心轴线的位移,R代表管道半径,则u和r在理论上满足公式:

　　其中,为管道中心处的最大速度,-u为管内平均流速,指数n是随雷诺数Re变化的常数,如表1[5].该模型所描述的流速分布在管壁附近(r=R)和管道中心(r=0~0.2R)两处,无论雷诺数为多少,均与实际情况有较大偏离.因此,用该模型来拟合实际管道中的流速分布精确度不高.