90°弯管内示踪气体混合均匀性的数值模拟与实验研究

　　气体流量测量是流量计量工作的一个重要方面，目前气体流量的测量方法很多，如差压式测量方法、速度式测量方法等，这些测量方法技术成熟，应用广泛，但是采用这些方法的流量计量装置，流量计前后一般需要一定长度的直管段，或者在管道中安装流动调整器，在一些场合难以满足安装要求.

　　目前，在煤炭、建筑等领域的漏风或通风测试中[1，2]，示踪法测量气体流量应用较多.示踪法测量气体流量主要有传输时间法、浓度衰减法和恒定释 放 法[3-5].对 于 管 道 内 气 体 流 量 的 测 量，Cheong指出[6]，恒定释放法是比较合适的，即将少量的示踪气体在工业气体输送管道中恒流释放，当示踪气体与管道内被测气体混合均匀后，用精密的气体浓度测试仪测量出示踪气体的体积分数，从而计算出管道内被测气体的流量[2，4-8]，如公式(1)所示：

　　式(1)中：Q—管道内被测气体的流量，m3/h;q—示踪气体(纯气体)的恒定释放速m3/h;—管道下游示踪气体的体积分数，×10-6;C0—管道内示踪气体的本底体积分数，×10-6，其中所有气体流量及体积分数均为同一气体状态(温度、压力、湿度)下的值.

　　由公式(1)知，当示踪气体的恒定释放量q已知时，管道内气体的流量Q主要取决于下游示踪气体体积分数C的大小.因此，如何实现示踪气体与被测气体在管道下游混合均匀，是示踪法测量气体流量的前提条件.王海桥[2]指出，采用示踪气体进行巷道通风测量时，对于有一个弯道的巷道，一般有8～10倍的巷道高度即可.文献[8]报道了一个示踪法试验，结果表明，对于一个90°弯管的管道，11～16倍管道直径的长度能够实现气体混合均匀.

　　用示踪法测量管道气体流量要求示踪气体与被测气体在管道中均匀混合，针对示踪气体与被测气体在有一个90°弯管的管道中的混合情况，本文采用数值模拟方法，以CO作为示踪气体，空气作为被测气体，探讨示踪气体与被测气体实现混合均匀的条件，并与实验数据进行对比，为示踪法测量气体流量提供技术支持.

　　1　实验系统及数值模拟介绍

　　1.1　实验系统

　　图1为实验系统示意图.实验管道为内径300mm的钢管，在90°弯管前后各5　000mm.在管道上游释放示踪气体CO，其流量采用Alicat流量控 制 器 进 行 控 制，精 度 为±0.8%读 数、±0.2%满量程.在管道下游取样点处用CO气体分析仪对示踪气体进行测试，精度为±1%满量程.取样点后 安装有TBQ-300C气体涡轮流量计，精度为1.0级.在管道出口处，安装有HL-2A型4#风机，采用三菱F700变频控制器对气体流量进行调节.实验时，示踪气体采用五孔释放与取样(图2)，示踪气体在90°弯管上游6D(D为管道直径)处保持恒流释放，在90°弯管下游9D、12D和15D处测量示踪气体的体积分数.