[摘要]本文針對(duì)渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)下的計(jì)量性能，依據(jù)流體力學(xué),通過(guò)理論分析得出對(duì)于可壓縮流體介質(zhì)須考慮其可壓縮性對(duì)渦街流量計(jì)的影響,為此選用四臺(tái)不同口徑的渦街流量計(jì),在雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則指導(dǎo)下進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn),得到水、空氣和蒸汽介質(zhì)下的標(biāo)定儀表系數(shù),結(jié)果表明:介質(zhì)可壓縮性和渦街流量計(jì)幾何尺寸是影響渦街流量計(jì)計(jì)量性能的重要因素,不同介質(zhì)下渦街流量計(jì)的標(biāo)定儀表.系數(shù)不同,不可壓縮流體水介質(zhì)下的標(biāo)定系數(shù)不能直接應(yīng)用到可壓縮流體蒸汽介質(zhì)上,須進(jìn)行修正,介質(zhì)可壓縮性和渦街流量計(jì)幾何尺寸可作為修正因子。
引言
渦街流量計(jì)由于其耐高溫、壓損小的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于蒸汽流量計(jì)量領(lǐng)域中。對(duì)用于蒸汽計(jì)量的渦街流量計(jì)進(jìn)行量值溯源時(shí)，通常使用三種標(biāo)定介質(zhì):蒸汽、水和空氣。以蒸汽作為檢定介質(zhì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，其優(yōu)點(diǎn)是裝置檢測(cè)條件與被檢流量計(jì)的實(shí)際使用工況接近,但由于蒸汽實(shí)流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)難度大、運(yùn)行成本高、安全性差等的限制，實(shí)際應(yīng)用很少。通常認(rèn)為在--定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，渦街流量計(jì)旋渦分離頻率對(duì)被測(cè)流體壓力、溫度、粘度和組分變化不敏感，在幾何相似和動(dòng)力相似條件下，可用一一種典型介質(zhì)(水或空氣)進(jìn)行標(biāo)定。因此實(shí)際檢定工作中基本使用基于水介質(zhì)或者空氣介質(zhì)的檢測(cè)裝置進(jìn)行標(biāo)定。以上關(guān)于渦街流量計(jì)不受流體介質(zhì)種類(lèi)影響的假設(shè)是基于渦街流量計(jì)原理公式的理論分析，目前并無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
針對(duì)渦街流量計(jì)在不同流體介質(zhì)下的計(jì)量特性，通過(guò)對(duì)渦街流量計(jì)在空氣、水和蒸汽介質(zhì)下的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，分析了渦街流量計(jì)儀表系數(shù)和測(cè)試介質(zhì)的關(guān)系，得到了三種介質(zhì)下儀表系數(shù)的規(guī)律性偏差，提出了針對(duì)溫度和介質(zhì)可壓縮性的系數(shù)修正計(jì)算方法。分析了介質(zhì)可壓縮性對(duì)渦街流量計(jì)計(jì)量特性的影響，并通過(guò)實(shí)流測(cè)試和CFD仿真分析空氣和水介質(zhì)下的儀表系數(shù)偏差，結(jié)果表明空氣介質(zhì)下的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)大于水介質(zhì)中的儀表系數(shù)，與理論分析一致。利用Fluent軟件對(duì)渦街流量計(jì)在蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明三種介質(zhì)下儀表系數(shù)從大到小依次為:空氣、蒸汽、水，說(shuō)明空氣受介質(zhì)的可壓縮性影響最大。不同口徑的渦街流量計(jì)分別在音速?lài)娮旆怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和冷凝稱(chēng)重法蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行蒸汽和空氣介質(zhì)下的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)流量點(diǎn)，得到儀表系數(shù)和重復(fù)性等數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示空氣介質(zhì)下渦街流量計(jì)儀表系數(shù)在最大流量點(diǎn)均有明顯的下降，不同口徑渦街流量計(jì)在蒸汽介質(zhì)下的儀表系數(shù)隨流量點(diǎn)的變化曲線(xiàn)基本一致，且腔氣介質(zhì)下的儀表系數(shù)整體上大于蒸汽介質(zhì)下的值。利用正壓法音速?lài)娮鞖怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究了不同空氣密度下的渦街流量計(jì)的流量特性，結(jié)果表明隨著介質(zhì)密度的增大，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)相對(duì)誤差最大為0.405%，且流量下限降低，量程擴(kuò)大。
受介質(zhì)可壓縮性和溫度的影響，采用空氣或水介質(zhì)作為標(biāo)定介質(zhì)對(duì)蒸汽流量計(jì)量渦街流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差。為保證蒸汽計(jì)量渦街流量計(jì)的計(jì)量可靠性、節(jié)約計(jì)量溯源成本、避免蒸汽貿(mào)易計(jì)量差額，有必要對(duì)渦街流量計(jì)在蒸汽介質(zhì)與空氣、水介質(zhì)下的計(jì)量特性。目前，相關(guān)人員針對(duì)渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)下的計(jì)量特性做了大量實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試流量點(diǎn)分布大多采用最大量程的不同百分比來(lái)劃分(如最大流量點(diǎn)的60%、40%等)，由于采用不同介質(zhì)的渦街流量計(jì)有著不同的量程范圍，這種不同介質(zhì)間的簡(jiǎn)單的流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)缺乏理論支撐，其對(duì)比結(jié)果存疑。
本文從流體力學(xué)基本原理出發(fā)，對(duì)不同介質(zhì)下的實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)按照雷諾相似準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)應(yīng)，保證不同介質(zhì)下的流場(chǎng)力學(xué)相似，從而使得對(duì)應(yīng)流量點(diǎn)之間的實(shí)驗(yàn)對(duì)比有理論支撐。選取四臺(tái)不同口徑(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用較廣的某品牌渦街流量計(jì)，分別在蒸汽介質(zhì)、水介質(zhì)和空氣介，質(zhì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行研究，分析對(duì)比不同介質(zhì)下渦街流量計(jì)的計(jì)量性能及影響因素
1渦街流量計(jì)基本原理
渦街流量計(jì)依據(jù)的基本原理為“卡門(mén)渦街”原理，即在測(cè)量管道中垂直地插入一段非流線(xiàn)型阻流體(旋渦發(fā)生體)，當(dāng)流體流動(dòng)，管道內(nèi)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，在發(fā)生體下游兩側(cè)會(huì)交替分離出規(guī)則排列的旋渦，稱(chēng)為卡門(mén)渦街，渦街流量計(jì)的工作原理如圖1所示。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦分離頻率由旋渦發(fā)生體幾何尺寸、測(cè)量管道幾何尺寸以及管道中流體流速?zèng)Q定，計(jì)算公式為":
式中:ƒ一旋渦分離頻率，Hz;Sr-斯特勞哈爾數(shù);U1一發(fā)生體兩側(cè)流體平均流速，m/s;U一管道來(lái)流平均流速，m/s;m一發(fā)生體兩側(cè)弓形流通面積與管道橫截面積之比。
對(duì)于不可壓縮流體，流體在流經(jīng)發(fā)生體前后密度不變，根據(jù)流體連續(xù)性定理可得:
由公式(5)可知渦街流量計(jì)儀表系數(shù)可代表渦.街流量計(jì)的計(jì)量特性，本文選擇儀表系數(shù)作為不同介質(zhì)間渦街流量計(jì)對(duì)比參數(shù)。從公式(5)可以看出，渦街流量計(jì)儀表系數(shù)只與渦街流量計(jì)發(fā)生體和測(cè)量管體幾何尺寸、斯特勞哈爾數(shù)Sr有關(guān)，其中斯特勞哈爾數(shù)Sr在一定雷諾數(shù)ReD范圍內(nèi)為常數(shù)”，與被測(cè)流體的特性和組分無(wú)關(guān)嗎。上述理論分析常作為渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)下通用標(biāo)定的依據(jù)，例如在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中校驗(yàn)的渦街流量計(jì)可直接用于氣體工作介質(zhì)。但是.上述分析是在工作流體不可壓縮這一假設(shè)下完成的，對(duì)于可壓縮流體，公式(3)不再成立，根據(jù)可壓縮流體伯努利方程:
從公式(9)可以看出對(duì)于可壓縮流體，介質(zhì)來(lái)流速度與發(fā)生體兩側(cè)的速度的關(guān)系不僅與幾何尺寸有.關(guān)，還與介質(zhì)等熵指數(shù)、壓力、密度有關(guān)。因此，渦街流量計(jì)不同介質(zhì)下的計(jì)量特性，即儀表系數(shù)不能簡(jiǎn)單等同，有必要對(duì)不同介質(zhì)下的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。
2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
本文通過(guò)對(duì)渦街流量計(jì)在蒸汽、水、空氣三種介質(zhì)下進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析不同介質(zhì)下渦街流量計(jì)計(jì)量特性，即儀表系數(shù)的差異及影響因素。本節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
2.1實(shí)驗(yàn)裝置
2.1.1蒸汽流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置
本文采用冷凝稱(chēng)重法蒸汽流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為蒸汽介質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置位于國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站，是國(guó)內(nèi)唯一采用蒸汽實(shí)流標(biāo)定的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置精度等級(jí)為0.1級(jí)，測(cè)量范圍為(2.5~15000)kg/h，采用過(guò)熱蒸汽為檢定介質(zhì)，過(guò)熱蒸汽經(jīng)穩(wěn)壓緩沖處理后進(jìn)人檢定管線(xiàn)，通過(guò)被測(cè)渦街流量計(jì)后進(jìn)人冷凝器，冷凝水進(jìn)人稱(chēng)重容器進(jìn)行稱(chēng)重，完成對(duì)被測(cè)渦街流量計(jì)的蒸汽實(shí)流標(biāo)定。
2.1.2空氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置
對(duì)于空氣介質(zhì)，本文采用負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置擴(kuò)展不確定度為032%(k=2)，測(cè)量范圍為(1~7000)m2/h。該裝置由真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，常溫空氣經(jīng)過(guò)檢定管線(xiàn)流過(guò)被測(cè)渦街流量計(jì)，隨后進(jìn)入穩(wěn)壓容器并流經(jīng)文丘里噴嘴，在噴嘴喉部得到標(biāo)準(zhǔn)流量，完成對(duì)被測(cè)渦街流量計(jì)的空氣實(shí)流標(biāo)定。
2.1.3液體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置
對(duì)于水介質(zhì)，本文采用靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置擴(kuò)展不確定度為0.05%(k=2)，測(cè)量范圍為(0.2~680)m³/h。恒溫水池中的常溫水介質(zhì)經(jīng)過(guò)檢定管線(xiàn)流過(guò)被測(cè)渦街流量計(jì)，隨后進(jìn)入稱(chēng)重容器進(jìn)行稱(chēng)重，完成對(duì)被測(cè)渦街流量計(jì)的水介質(zhì)實(shí)流標(biāo)定。
2.2雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則
由流體力學(xué)可知，通過(guò)試驗(yàn)的方法解決流體流動(dòng)過(guò)程中的規(guī)律性問(wèn)題的理論基礎(chǔ)之一是相似原理8。具體來(lái)講就是在對(duì)比分析兩個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，必須使兩者之間保持力學(xué)相似關(guān)系，包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。對(duì)于管道中的實(shí)際流動(dòng)，流體介質(zhì)主要受粘性力、壓力和慣性力的作用，流體力學(xué)上用雷諾數(shù)表征慣性力和粘性力之比，因此只要在對(duì)應(yīng)點(diǎn)滿(mǎn)足雷諾數(shù)相等即可保證兩個(gè)流場(chǎng)動(dòng)力相似。截面為圓的管道中的雷諾數(shù)Rep的計(jì)算公式為:
式中:qv一管道內(nèi)體積流量，m³/h;p一介質(zhì)密度，kg/m³;η-介質(zhì)動(dòng)力粘度，Pa.s;D-管道直徑，m。
因此，在進(jìn)行對(duì)比不同介質(zhì)下的渦街流量計(jì)儀表系數(shù)的試驗(yàn)時(shí)，不僅需要保證兩者幾何相似，同時(shí)需要保證兩者動(dòng)力相似，即雷諾數(shù)Rep相等。由公式(10)可以看出，由于不同介質(zhì)間的密度、粘度等參數(shù)不同，在保證雷諾數(shù)相等的前提下，其體積流量也不同，所以簡(jiǎn)單按照流量點(diǎn)相等的原則進(jìn)行不同介質(zhì)間的對(duì)比試驗(yàn)是不可取的。
2.3實(shí)驗(yàn)方案
2.3.1實(shí)驗(yàn)用表
選用上海橫河電機(jī)有限公司生產(chǎn)的DY系列渦街流量計(jì)共四臺(tái)，口徑分別為DN50、DN100、DN150和DN200，旋渦發(fā)生體形狀為梯形，精度等級(jí)為1.5級(jí)。
2.3.2實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)
如22中所述，依據(jù)雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則確定不同介質(zhì)下的測(cè)試流量點(diǎn)。首先根據(jù)選用的渦街流量計(jì)的蒸汽介質(zhì)測(cè)量范圍以及蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)試能力確定蒸汽介質(zhì)的測(cè)試流量點(diǎn)，由公式(10)得到對(duì)應(yīng)流量點(diǎn)的蒸汽介質(zhì)(壓力0.3MPa，溫度150C的過(guò)熱蒸汽)雷諾數(shù)，再由雷諾數(shù)相等原則，反推出空氣介質(zhì)(壓力98kPa，溫度20℃的干空氣)和水介質(zhì)(壓力0398MPa，溫度20℃的常溫水)的對(duì)應(yīng)測(cè)試流量點(diǎn)，以DN50口徑渦街流量計(jì)為例，流量點(diǎn)計(jì)算如表1所示，其余口徑同理。
2.3.3測(cè)試方案
對(duì)四種口徑的實(shí)驗(yàn)用渦街流量計(jì)依據(jù)JJG1029-2007《渦街流量計(jì)》規(guī)定的檢定要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
為保證不同介質(zhì)流體進(jìn)人渦街流量計(jì)的流場(chǎng)相似，從幾何相似出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)用渦街流量計(jì)前后配置直管段，管道材料為304不銹鋼，管道內(nèi)徑匹配四臺(tái)渦街流量計(jì)的實(shí)際內(nèi)徑，DN50口徑管道壁厚為3mm，DN100、DN150和DN200口徑管道壁厚為6mm，前置管道長(zhǎng)度為對(duì)應(yīng)口徑的5倍，后置管道長(zhǎng)度為對(duì)應(yīng)口徑的3倍(前5D后3D)。前后直管段與渦街流量計(jì)通過(guò)法蘭連接、螺栓緊固，并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持固定連接，下游管道固定位置處設(shè)有取壓孔，保證測(cè)試不同介質(zhì)時(shí)取壓位置不變。
按照2.3.2中確定的6個(gè)測(cè)試流量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)檢定規(guī)程，每個(gè)流量點(diǎn)的實(shí)際測(cè)試流量與設(shè)定流量的偏差不超過(guò)設(shè)定流量的+5%。每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)試3次，每次測(cè)試時(shí)間為60秒，記錄該流量點(diǎn)下的介質(zhì)溫.度、壓力，得到檢定儀表系數(shù)及其重復(fù)性。為了驗(yàn)證裝置的穩(wěn)定性，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將實(shí)驗(yàn)用表:重新裝夾，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)流程3次。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
按照2.3中的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)四臺(tái)不同口徑的渦街流.量計(jì)在水、空氣、蒸汽三種介質(zhì)下進(jìn)行儀表系數(shù)實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2~5所示。
由圖2~5可以看出，三種不同介質(zhì)下渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)并不--致，驗(yàn)證了本文1節(jié)中的分析，使用不可壓縮流體介質(zhì)(水介質(zhì))標(biāo)定的儀表系數(shù)不可直接用于可壓縮流體介質(zhì)(空氣和蒸汽)，須進(jìn)行后續(xù)修正;由于水介質(zhì)的不可壓縮性，其標(biāo)定儀表系數(shù)在整個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，相比之下空氣介質(zhì)的標(biāo)定系數(shù)在測(cè)試范圍內(nèi)波動(dòng)較大，隨著雷諾數(shù)的增大，空氣介質(zhì)的標(biāo)定系數(shù)有一個(gè)先下降后上升的波動(dòng)趨勢(shì)，需要說(shuō)明的是，DN150口徑渦街流量計(jì)的空氣介質(zhì)標(biāo)定系數(shù)在最大雷諾數(shù)測(cè)試點(diǎn)突然下降，與其他測(cè)試點(diǎn)結(jié)果偏差較大，對(duì)DN150渦街流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際內(nèi)徑偏小為1388mm，在最大雷諾數(shù)下其流速達(dá)到了103m/s，遠(yuǎn)超過(guò)橫河渦街流量計(jì)對(duì)空氣介質(zhì)的最大流速限制--一80m/s，從而導(dǎo)致了該測(cè)試點(diǎn)的明顯異常;蒸汽介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與空氣介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)類(lèi)似，但由于蒸汽和空氣的可壓縮性不同(即可膨脹性系數(shù)不同)，因此兩者的標(biāo)定系數(shù)對(duì)比水介質(zhì)的標(biāo)定系數(shù)偏差不同。
綜上，不同介質(zhì)下渦街流量計(jì)的標(biāo)定儀表系數(shù)須進(jìn)行修正后方可替代使用，需要考慮的修正因素包括介質(zhì)的可壓縮性(可膨脹性系數(shù))，而不同介質(zhì)的可壓縮性不同，其影響程度也不同，如空氣介質(zhì)和蒸汽介質(zhì)。此外，由于蒸汽為高溫介質(zhì)，需考慮溫度對(duì)渦街流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)如殼體和發(fā)生體形變的影響。經(jīng)測(cè)試，選用的橫河渦街流量計(jì)各部件材質(zhì)及性質(zhì)如表2和表3所示。
4結(jié)論
本文針對(duì)渦街流量計(jì)在不同介質(zhì)下的標(biāo)定儀表系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可壓縮介質(zhì)與不可壓.縮介質(zhì)的標(biāo)定儀表系數(shù)不同且不可直接替換，證明了介質(zhì)可壓縮性對(duì)渦街流量計(jì)的計(jì)量性能有影響;高溫介質(zhì)通過(guò)改變渦街流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的形狀影響其計(jì)量特性。表明了介質(zhì)可壓縮性和渦街流量計(jì)幾何尺寸(溫度影響)是影響渦街流量計(jì)計(jì)量特性的重要因素，若想將一種介質(zhì)的標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用到另一種介質(zhì)上，須進(jìn)行修正，以上兩種因素即可作為修正因子。結(jié)果可作為后續(xù)不同介質(zhì)標(biāo)定結(jié)果間修正的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
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