气体槽道流量计的实验室性能试验与评价

　　节流式差压流量计的应用范围极为广泛,美国用于天然气流量测量的差压式流量计占到80%,我国的流量测量大约60%使用的是节流式差压流量计[1]。传统的节流件主要有孔板、喷嘴和文丘利管等。可以说差压式流量计应用非常成功。但是,孔板流量计由于它自身结构上的缺陷也有一些缺点:测量重复性、精确度在流量计中仅属中等水平,且精确度难以提高;量程范围度窄;压力损失大,流出系数不稳定,易积污物和易被磨损,现场安装要求的直管段过长等。2003年3月由国际标准化组织(ISO)正式公布了差压式流量计的最新国际标准ISO5167,对差压式流量计提出了苛刻的要求,使得孔板流量计的缺点更加突出。然而,科研人员对差压式流量计研究工作一直没有中断,对其尺寸、节流件的几何形状,取压与节流方式研制工作一直在进行,无论如何改进都是将流体节流收缩到管道中心轴线附近,没有打破传统的思维方式。本文介绍的槽道流量计打破了传统的思维方式,以流线型纺锤体作为节流件,将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁,在调整流动和保持流动稳定方面更胜一筹,且完全避免了流动分离,从根本上使得测量重复性和精确度得到大幅提高成为可能,同时显著减少了压力损失。

　　1　槽道流量计基础理论研究

　　1·1　结构

　　纺锤体流量计节流装置的主要结构有如图1 (a)(b)所示的两种形式。流线型纺锤体沿测量管轴线安装,其几何形状根据流体力学原理精心设计,中部适当位置有一段足够长的等直径段,与测量管的内壁之间形成均匀的环形通道。被测流体首先经过导流片,紧接着进入该环形通道,形成标准的环形槽道流动(annular channel flow)。槽道流动的特点是压力顺轴线的降落具有良好的线性度,从而提供了非常稳定的低压(静压)。对于清洁流体,节流装置可采用(b)形式,高压由纺锤体前缘(前驻点)的高(总)压管引出,可以得到最大的差压。(a)形式的节流装置在纺锤体前缘对应的测量管壁处取高压,得到的差压较(b)形式低,但结构简单,适用范围广。

　　1·2　工作原理

　　节流式差压流量计一般工作原理如下:当流体经过一个节流件时,流体速度加快,动能增加,流体的静压力减少,根据流体的流动连续性原理和伯努利方程,所有的节流式差压流量计都可使用同一形式的流

　　其中: K称为流量因数。

　　1·3　流场的数值模拟

　　使用计算流体力学软件FLUENT,对纺锤体流量计节流装置内的流场进行计算。计算对象为一个β=0·8(D=50mm,d=40mm),纺锤体长L=200mm的纺锤体流量计节流装置。取纺锤体前缘上游150mm至后缘下游300mm的流场作为计算区域。流体为空气,ρ1=1·225kg/m3,μ=1·7894×10-5。参考压力p0=101325Pa。