锥体差压式流量传感器流出系数的预测

　　上个世纪80 年代中期, 美国McCrometer 公司推出了一种新型锥体差压式流量传感器, 在结构上采用了同轴安装在管道中的V 形尖圆锥将流体逐渐节流收缩到管道内边壁的设计, 并由测量此锥体前后的压力差实现对流量的测量. 由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近, 且不再是一个使流体突然改变流动方向的阻挡物, 因此在锥体下游取压口处, 只会产生高频低幅的湍流小涡流, 使得流量传感器的响应速度与精度明显改善. 与传统的差压流量传感器相比, 锥体差压式传感器具有压力损失小、要求前后直管段短、抗脏污等优点. 从发表文献上看, 该传感器在许多方面表现出比传统节流式流量传感器更出色的性能[ 1-2] . Stephen A. If f t[ 3] 通过实验比较研究了内锥、孔板、涡街、涡轮、科里奥利质量流量计以及7°、15°出口文丘里流量传感器永久压力损失, 认为锥体的永久压力损失和7°出口文丘里传感器接近, 而小于其余五种. J. S. Shen 等人[ 4] 研究了锥体流量传感器在旋流中的性能, 结果表明, 旋流对其测量结果的影响十分有限. Ann McIver 等人[ 5]对在热电厂运行多年、用于测量焦炉煤气流量的锥体流量传感器进行了重新标定和比较研究, 发现这些流量传感器在未清洗的情况下流出系数的变化均在± 2%之内, 清洗后则几乎与最初流出系数相同.

　　尽管如此, 针对同一口径锥体的优化设计问题, 特别是等效直径比、锥体的几何形状、雷诺数对其流出系数影响规律的研究, 国内外相关文献中尚无细致的研究报道. 为此, 本研究从100 mm 口径入手, 设计了3 个B值( 分别为0. 50、0. 65、0. 85) 、3 种前锥角( 分别为40°、45°、50°) 及3 种后锥角( 分别为120°、130°、140°) 共计27 种组合的锥体, 经流场数值模拟, 预测了该口径下的流出系数及关键参数的影响规律, 并进行了实流实验验证.

　　1 流体力学基础

　　锥体差压式流量传感器的简化结构示意图如图1 所示, 即在封闭的管流系统中同轴安装一节流体,其形状由两个圆台构成, C定义为前锥角, H定义为后锥角, 等效直径比为B. 流体流动方向如图所示.

　　如同其它类型的差压流量传感器, 锥体差压式流量传感器的工作原理同样基于伯努利方程和流体连续性方程, 即流体流经节流件时将被加速, 其动能增加, 根据伯努利方程, 在流体被加速处, 其静压力会降低一个相对应的值. 研究表明, 压力降的大小和流体的流速具有一定的函数关系, 在其他条件不变的情况下, 压力降随流速的增大而增大, 随流速的减小而减小, 其数学关系为[ 6] :

　　式中:

　　D ——工况下测量管的内径(m) ;