一种新型多孔双钝头流量测量设备与方法

谈志晶

（上海飞机设计研究院，中国 上海 200436）

【摘　要】针对目前差压流量计的不足，提出了一种新型的节流式差压流量计——多孔双钝头体流量计。根据数值模拟结果，该装置在规则来流情况下，能够对流动起到很好的整流效果，提高测量的精确度和重复性；同时，在双钝头体上开孔，可以减小压力损失。通过数值模拟结果与实验结果的比对，验证了数值模拟的可靠性。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 多孔双钝头体；压力损失；数值模拟

作者简介：谈志晶（1987.09.13—），男，汉族，2013年4月获得南京航空航天大学硕士学位，目前任职于上海飞机设计研究院，助理工程师，主要研究方向为国内机体供应商的工程支持模式。

０　引言

差压流量计是目前使用范围最广的一种流量计，其结构牢固、简单，易于复制，性能稳定可靠，使用寿命较长，价格也较便宜，但其压损较大[2]。针对目前差压流量计的测量精确度不高，压力损失大等缺点，南京航空航天大学的明晓教授提出了一种新型节流式差压流量计——纺锤体流量计[10]，该流量计大大提升了测量的准确度和重复性。但纺锤体流量计结构过于笨重，拆装复杂，限制了其在工程上的应用。为了得到一种能够调整流体流动、减小流动分离区和压力损失，简化测量结构的流量测量设备，文章基于纺锤体流量计，提出了另一款流量计——多孔双钝头体流量计，根据数值模拟结果可以得出，在规则来流的情况下，钝头体能够对流动起到很好的整流效果，保证了测量精确度和重复性；同时显著地减小节流件尾流区的分离，减小压力损失，简化测量结构。

1　多孔双钝头体流量计结构与流量公式

1.1　节流装置结构

多孔双钝头体流量计由节流件和测量管构成，节流件为多孔双钝头体，其剖面近似椭圆，如图1所示。其中，（a）节流件有七个孔，分别为中央一个半径6mm的孔和周围6个半径3mm的孔；（b）节流件只有一个中央半径9mm的孔。该节流件的外形根据流体力学原理精心设计，其安装在测量管道的轴线方向，在钝头体中按一定规律排列一定大小的孔。被测流体一部分经过小孔流过钝头体，一部分由钝头体外表面与测量管道内壁之间环形通道流过。与纺锤体流量计相似，多孔双钝头体流量计低压取压孔位于钝头体剖面短半轴正上方管道内壁；而高压孔则位于上游钝头体驻点正上方测量管道的内壁。

1.测量管；2.多孔双钝头体；3.高压管；4.低压管

1.2　流量公式

对于节流式差压流量计，计算流量的公式如下：

其中：qv为体积流量，C为流量系数，ε为可膨胀性系数，d为节流件的孔径或等效孔径，D为上游管道内径，β(d/D)为节流比系数，Δp为差压；ρ1为上游流体密度。

上述公式中，由于流体为可压缩流体，用可膨胀性系数ε来表征流体压缩性的影响，对于流体粘性的影响则通过流量系数C来修正。对于低速流体，不考虑流体压缩性，式（２）可以表示为：

2　流场的数值模拟

2.1　数值模拟可靠性验证

为验证数值模拟的可靠性，以钟伟和明晓所做的纺锤体流量计[10]在流场中的实验模型为原型，进行数值模拟，节流比系数为0.6。将数值模拟结果与其实验数据作比较，如图2所示。

对比可以看出，在误差允许范围内，数值模拟结果基本符合钟伟和明晓所做的纺锤体流量计[10]在流场中的实验结果。因此在与多孔双钝头体数值模拟结果进行对比时，以上述数值模拟结果作为纺锤体流量计的标准数值模拟结果。

为了与纺锤体流量计进行对比，文章采用相同的条件和方法，对管道内径和节流比系数相同的多孔双钝头体流量计进行了数值模拟。

2.2　数值模拟结果

图3为纺锤体流量计以及两种多孔双钝头体流量计数值模拟所得到的流场流线分布。

从图3（a）可以看出，流体稳定的流过纺锤体前部的钝头体和中部的等直径段部分，没有出现流动分离，但是在纺锤体的尾部出现流动分离，存在分离区。在分离区内，流动分离而产生大量的漩涡，一方面增加流体的压力损失，另一方面使压力产生脉动，对来流稳定产生不良影响。从图3（b）、图3（c）可以得出，两种多孔双钝头体流量计在头部处，流体得到了较好的分流，但是在孔的周围出现了较小分离泡，对此，可以在孔的周围倒圆角，以减小分离泡的产生；在多孔双钝头体的中部，流体稳定的流过槽道以及小孔，有利于低压点对低压值得测量；在多孔双钝头体的尾部，都出现了分离区，产生了漩涡。多孔双钝头体模型（a）由于多孔的存在，产生了一些小的分离区和漩涡；多孔双钝头体模型（b）则有两个较大的分离区和漩涡。对比可以发现多孔双钝头体流量计（a）明显的减小了分离区和漩涡的大小。

（a）纺锤体流量计流线分布图

（b）多孔双钝头体流量计（a）流场流线分布图

（c）多孔双钝头体流量计（b）流场流线分布图

从图4中可以看出，两种多孔双钝头体流量计的流量——差压开方曲线的线性度都非常好，而且基本重合，说明都可以用来测量管道的流量。从图中还可以看出在相同的流量下，多孔双钝头体流量计压差值大于纺锤体流量计。

2.3　压力损失

流体通过流量计后的压力损失是判别流量计性能好坏的重要指标。为了对比这一指标，用压损的大小δp与压力差Δp的比值（δp/Δp）来表征。在相同雷诺数下，比值越小，则压损特性越好。通过数值模拟得出以下结果，如图5所示。

由图5可以看出，（a）种多孔双钝头体流量计的压力损失特性最好，（b）种多孔双钝头体流量计的压力损失特性最差，纺锤体流量计的压力损失特性居中。

3　结论

归纳数值模拟结果，多孔双钝头体流量计，有如下一些特点：

（1）多孔双钝头体流量计的钝头体对来流有整流的作用，孔可以进行分流，使流体均匀的流过测量段，可以有效的减小流动的波动，提高了测量精确度和重复性。

（2）从节流式差压流量计的流量公式可知，来流流量与差压的开方成正比，通过数值模拟，可以得出多孔双钝头体流量计的流量——压差开方曲线线性度非常好，满足了节流式差压流量计的流量公式。

（3）由于多孔双钝头体流量计的节流件是前后对称的，在不拆卸流量计的情况下，可以测量相反方向来流流量，只需多加一个取压口。

（4）通过合理安排孔的位置与数量，多孔双钝头体流量计可以减少节流件的分离区大小，减小压力损失。

（5）多孔双钝头体流量计相对于纺锤体流量计，减小了节流件的长度和重量，简化测量结构，为流量计的拆装、维护、运输提供了非常大的便利。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

［１］蔡武昌,孙淮清,纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2001.

［２］王建中,纪纲.差压流量计范围度问题研究[J].自动化仪表,2005,26(8):4-9.

［３］彭杰纲,傅新,陈鹰.双钝体涡街流量计流体振动特性的试验研究[J].机械工程学报,2002(8).

［４］孙延祚.V型内锥式流量计[J].天然气工业,2004,24(3):105-110.

［５］土川宗一,金星.新型皮托-文丘里流量计[J].国外计量,1984(2).

［６］张涛,赵兵,徐英.新型均速管流量计的设计与研究[J].化工自动化及仪表,2004(4).

［７］赵静野,王文海,张玉娟.一种新型差压式流量计的研制[J].计量技术,2003(11):5-7.

［８］程勇,汪军,蔡小舒.低雷诺数的孔板计量数值模拟及其应用[J].计量学报,2007(28)3:262-265.

［９］徐炜芳,沈新荣,潘康,朱文斌,章威军,黎焱.一种流线型孔板流量计的研究[J].液压与气动,2008(2).

［１０］钟伟,明晓.纺锤体流量计的流场数值模拟[J].计量学报,2007(3).

［１１］徐有恒,穆晟.基础流体实验[M].上海:复旦大学出版社,1990:13-18.

［责任编辑：汤静］