摘要:利用常壓氣體作為流動介質(zhì)，以流出系數(shù)平均相對誤差、線性度和不確定度為評價指標(biāo)，通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)。研究上游組合管件對V錐流量計(jì)測量性能的影響。在上游相同阻流件條件下建模仿真,對V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。
0引言
V錐流量計(jì)尚未實(shí)現(xiàn)國際國內(nèi)甚至行業(yè)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化，目前僅獲得加拿大工業(yè)部的天然氣密閉管輸交接準(zhǔn)入認(rèn)可、美國機(jī)械工程師協(xié)會的制造認(rèn)可等。自2003年以來,國內(nèi)也在積極開展對V錐流量計(jì)的推廣和使用工作，然而生產(chǎn)廠家對量程比、壓力損失、精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)乃至安裝條件都直接采取美國MeCrometer公司產(chǎn)品說明書的方式。國內(nèi)關(guān)于V錐流量計(jì)安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見報道。
對DN100球閥+ DN100單彎頭, DN150球閥+ DN150變DN100漸縮管,DN150球閥+ 90°單彎頭+ DN150變D100漸縮管, DN150球閥+90°單彎頭+DN150變DN100漸縮管+ 90°單彎頭這四種阻流件組合形式,通過改變前直管段長度對V錐流量計(jì)的測量精度進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)，從而得出在上述四種阻流件組合的工況,V錐流量計(jì)的測量性能變化趨勢�！∵�通過模擬仿真對V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。
1安裝條件對V錐流量計(jì)測量精度影響的實(shí)驗(yàn)研究
1.1 V錐流量計(jì)的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
用于V錐流量計(jì)直管段長50D,后直管段長3D,管道內(nèi)流體流動為充分發(fā)展的淌流狀態(tài)06團(tuán)團(tuán)團(tuán)[51。前期大量文獻(xiàn)表明，前直管段長度達(dá)到50D時,可以認(rèn)為流場已經(jīng)充分發(fā)展:同時，后直管段達(dá)到3D,不會影響V錐量計(jì)的流出系數(shù)。故上游阻流件實(shí)驗(yàn)結(jié)果均按照前直管段50D,后直管段3D為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而得到流出系數(shù)和流出系數(shù)相對誤差的變化情況。
1.2.上游阻流件對V錐流量計(jì)測量精度影響的實(shí)驗(yàn)研究.
1.2.1. 上游阻流件類型一 DN100球閥+ DN100單彎頭的實(shí)驗(yàn)研究
阻流件類型為DN100球閥+ DN100單彎頭的雷諾數(shù)流出系數(shù)曲線圖如圖1所示，從圖中可以看出,在雷諾數(shù)大于80 000時隨著前直管段長度的縮短，流出系數(shù)呈遞增趨勢:當(dāng)雷諾數(shù)小于80 000時，流出系數(shù)隨前直管段長度變化無明顯增減趨勢,無法進(jìn)行有規(guī)律的判斷。同時和基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差比較大,當(dāng)雷諾數(shù)在250 000那點(diǎn)時,基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和其他的很接近。
從表1可以看出，當(dāng)直管段長度小于3D時，隨著直管段長度的縮短，平均相對誤差呈遞增趨勢:當(dāng)直管段長度大于3D時，平均相對誤差變化不大。此變化趨勢也可見圖2所示。
1.2.2上游阻流件類型- -DN150 球閥+ DN150變DN100漸縮管的實(shí)驗(yàn)研究
阻流件類型為DN150 球閥+ DN150變DN100漸縮管的雷諾數(shù)流出系數(shù)曲線圖如圖3所示，從圖中可以看出,隨著前直管段長度的改變,流出系數(shù)基本不變，但略小于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流出系數(shù)。
從表2和圖4可以看出,在該工況下，雖然存在流.出系數(shù)相對誤差,但前直管段長度對流出系數(shù)的影響基本可以忽略，且相對誤差也不是很大。
1.2.3. 上游阻流件類型- -DN150球閥+90*單彎頭+DNI50變D100漸縮管的實(shí)驗(yàn)研究
阻流件類型為DN150球閥+90°單彎頭+ DN150變DN100漸縮管的雷諾數(shù)流出系數(shù)曲線圖如圖5所示，從圖中可以看出,隨著前直管段長度的縮短，流出系數(shù)呈遞減趨勢。
從表3和圖6可以看出，隨著前直管段長度的增長，流出系數(shù)相對誤差呈減小趨勢。
1.2.4. 上游阻流件類型一-DN150球閥+90°單彎頭+DN150變DN100漸縮管+90°單彎頭的實(shí)驗(yàn)研究
阻流件類型為DN150球閥+ 90°單彎頭+ DN150變DN100漸縮管+90°單彎頭的雷諾數(shù)流出系數(shù)曲線圖如圖7所示，流出系數(shù)均略大于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流出系數(shù)，且改變前直管段長度對流出系數(shù)的影響很小。
從表4和圖8可以看出，平均相對誤差與前直管段長度無明顯關(guān)系，且偏差均不大。
2V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)的模擬仿真對比
V錐流量計(jì)作為一-種新型的差壓式流量計(jì),其工作原理和孔板流量計(jì)相同。介質(zhì)通過V錐時,由于阻流件V錐的存在，使得流體的流過面積發(fā)生變化，從而流速發(fā)生變化。根據(jù)伯努利方程，流速的變化引起.壓力的變化，該壓力的變化與介質(zhì)的流速之間存在一
變DN100漸縮管+90°單彎頭的流出系數(shù)相對誤差曲線定的關(guān)系。因此，可通過測量錐體前后的差壓達(dá)到測量流體流量的目的。雖然與孔板原理一樣，但是最本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置,而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置。
測量范圍窄是制約孔板流量計(jì)使用的主要原因。--方面由于孔板的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化較大,另一方面孔板的突然節(jié)流導(dǎo)致孔板后產(chǎn)生較大的漩渦，該漩渦的存在直接導(dǎo)致測量的差壓信號噪聲較大;而V錐流量計(jì)克服了以上的缺點(diǎn)。如圖9所示,V錐流量計(jì)是由與管道同軸的內(nèi)部節(jié)流件V錐和取壓裝置組成，流體經(jīng)過時并不像孔板那樣突然改變流體的流動狀態(tài)，而是介質(zhì)隨著錐體的方向向邊壁收縮，該錐體起到調(diào)整介質(zhì)流動狀態(tài)的作用,重塑了流束曲線，使流體的流動更加穩(wěn)定。實(shí)踐證明，相比于孔板流量計(jì),V錐流量計(jì)的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化基本不變，且需要較短的前直管段。
實(shí)流實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，即使上游存在各種不同類型的阻流件時,對于V錐流量計(jì)來說只需3D的前直管段即可保證計(jì)量精度在+0. 5%的范圍之內(nèi),而對于孔板來說則需要10D甚至30D的前直管段才能達(dá)到同V錐的同等精度。為了更好的從本質(zhì)上來分析兩種差壓式流量計(jì)的差異，采用CFD軟件Fluent分別對兩種流量計(jì)在上游存在相同阻流件即球閥+90°彎頭)時的情況進(jìn)行建模仿真。仿真的錐體和孔板部分的壓力云圖以及速度矢量圖如圖10至圖13所示。
對比圖10與圖12不難發(fā)現(xiàn)，V錐的下游取壓在錐體尾部，避開了漩渦較大的區(qū)域,處在一個速度較為平穩(wěn)的區(qū)域。而孔板的下游取壓剛好處在漩渦區(qū)域，漩渦的存在導(dǎo)致了孔板下游的壓力信號的采集存在較大的干擾。因此，采用同樣的差壓變送器對兩種流量計(jì)進(jìn)行測量時,V錐流量計(jì)的差壓信號的信噪比要明顯高于孔板。
如此，在流體流過V錐時，流體介質(zhì)的方向會隨著錐體的邊壁慢慢向管壁收縮，如圖11所示，流過錐體之后形成漩渦，無論錐體前端的流體的流動是否得到充分發(fā)展，在錐體尾部還是會存在一個速度相對平穩(wěn)的區(qū)域。而對于孔板而言，它的這種結(jié)構(gòu)使得流束在管道中心突然收縮，在下游取壓處產(chǎn)生較大的漩渦，前端流體是否充分發(fā)展將會對漩渦的特性產(chǎn)生不確定性的影響，這就直接影響著差壓信號的測量。因此,在;孔板和V錐流量計(jì)的上游均存在相同阻流件時，流體的未充分發(fā)展對V錐流量計(jì)的測量產(chǎn)生的影響較小，而對于孔板產(chǎn)生的影響較大，即在保證同樣精度下，V錐所需要的前直管段相比于孔板要短。
3總結(jié)
對DN100球閥+DN100單彎頭,DN150球閥+DN150變DN100漸縮管,DN150球閥+90°單彎頭+DN150變D100 漸縮管,DN150球閥+ 90°單彎頭+DN150變DN100漸縮管+90°單彎頭這四種阻流件組合形式，通過改變前直管段長度對V錐流量計(jì)的測量精度進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)后直管段長度不變時,隨著前直管段長度變短，流出系數(shù)相對誤差隨之變大。為V錐流量計(jì)在以上四種阻流件組合條件下，前直管段長度變化跟流出系數(shù)的變化趨勢圖和雷諾數(shù)跟流出系數(shù)的關(guān)系變化提供了參考。通過對V錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)的模擬仿真對比，得到當(dāng)孔板和V錐流量計(jì)的上游均存在相同阻流件時,流體的未充分發(fā)展對V錐流量計(jì)的測量產(chǎn)生的影響較小而對于孔板產(chǎn)生的影響較大，即在保證同樣精度下,V錐所需要的前直管段相比于孔板要短。
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