风洞校验均速管的速度分布修正系数研究

　　水、空气、煤气、天然气、石油等的计量中,流量仪表的准确度都直接与经济效益挂钩.在对流量仪表准确度要求日益提高的同时,随着生产大规模化和工程大型化,大管道的气体流量计量将流量测量的难度进一步提高,大管径流量计的校准更是难上加难.

　　均速管以其结构简单、安装维修方便、价格低廉、重复性好等优势,在大管径气体流量测量中脱颖而出.30多年来,毛新业[1,2]、方原柏[3]、张东飞[4-6],以及Singh[7]、Dobrowolski[8]和Kabaciński[9]等人都对均速管流量计检测杆的形状和测点数量等方面进行了改进,均速管流量计已成为大管道气体流量检测的首选仪表.

　　然而,即使是被广泛运用于大口径气体管道流量检测的均速管流量计,国内厂家也不具备对这些流量计进行校准的能力.大管道气体流量校验装置的难点主要在于该校验装置不仅必须具备与工业现场相同的管径和形状,而且还要有相同的流速分布[10].均速管流量计是通过测量管内一条直径上的几点流速来推算流量的,它的取样具有实际意义的前提是均速管前具有20D~30D的直管段(D为管道内径),在一定的流速下,这时管内的流动已为充分发展湍流,整体管道内的速度分布是基本固定的,仅测直径上几点流速才可能反映整个截面的情况[11].而国际标准ISO7145[12]规定:对以测点速来推算流量的仪表(如双文丘利、插入式涡街、涡轮、热式)的前直管段应具有30D~50D的长度,才可能具有±3%的准确度.而大管道气体流量校验装置若要获得相同的流场(即充分发展的湍流),也必须具有30D~50D的长直管道.这个要求对于大管径流量检测是很难达到的.

　　江苏理工大学的闻建龙[13]于1996年进行了用风洞进行均速管流量计标定的可行性进行初步探讨.近年来有一些国内的厂家使用风洞来标定流量计,例如西安航联测控设备有限公司将风洞应用于流量仪表的研发校验中,通过风洞试验来校验气体流量计的各项性能指标[14,15].然而他们都没有考虑到风洞内的流速分布和长直管内的流速分布是不同的,即二者不具备相同的流场,并且使用的风洞管径与所标定的均速管管径也不一致,不符合校验大口径气体流量计的基本条件[10,16],实验结果没有说服力.本文利用风洞校验插入式均速管的压差-流速关系曲线,在口径为300 mm的风洞段之后接上长达25D~30D的相同口径的长直管,对比风洞段和长直管段均速管流量计的压差及流量系数K,通过大量的数值仿真和实验数据,得到一个随雷诺数变化的速度分布修正公式.从而实现直接以风洞作为大管道气体流量校验装置,节省直管段长度.

　　1　数值求解方法

　　1.1　流体力学控制方程和湍流模型