標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流場(chǎng)分析

王 燦 陳 超 任學(xué)弟 張進(jìn)明 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、量程范圍廣、準(zhǔn)確度等級(jí)高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室最常用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)（以下稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)表）一般選用臨界流流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)及容積式流量計(jì)等類(lèi)型。通常，裝置的管路布局需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表類(lèi)型及實(shí)驗(yàn)室空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，管路流場(chǎng)分析有利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升性能。

1 工作原理與基本結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是根據(jù)流體連續(xù)性原理，通過(guò)串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)表與被檢流量計(jì)（以下稱(chēng)被檢表），采用比較法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程。圖1為標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖。

本裝置使用負(fù)壓法，由三臺(tái)風(fēng)機(jī)抽氣帶動(dòng)空氣流動(dòng)?？諝馔ㄟ^(guò)管道流過(guò)被檢表、標(biāo)準(zhǔn)表，最終通過(guò)風(fēng)機(jī)排空。一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)表的安裝多采用并聯(lián)平鋪的方式。但本裝置由于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地限制，無(wú)法提供平鋪所需的空間，故采用了并聯(lián)豎排結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)表分成兩組豎排并聯(lián)，其中4臺(tái)DN150口徑渦輪流量計(jì)并聯(lián)連接至被檢表大口徑臺(tái)位（DN150～DN300），標(biāo)準(zhǔn)表由上至下編號(hào)為 1#～4#；DN50口徑腰輪流量計(jì)、DN100口徑腰輪流量計(jì)及DN150口徑渦輪流量計(jì)各1臺(tái)并聯(lián)連接至被檢表小口徑臺(tái)位（DN15～DN150），標(biāo)準(zhǔn)表由上至下編號(hào)為5#～7#。兩個(gè)臺(tái)位控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，可同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。臺(tái)位間裝有連接管路及閥門(mén)，打開(kāi)臺(tái)位間閥門(mén)，也可實(shí)現(xiàn)7臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表同時(shí)并聯(lián)。圖2為標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)場(chǎng)

2 數(shù)值模擬與流場(chǎng)分析

從圖2 可以看到，標(biāo)準(zhǔn)表等間距并聯(lián)，由管路連接至前后匯流管?？紤]到被檢臺(tái)位水平高度應(yīng)易于夾表操作，故設(shè)計(jì)被檢管路在匯流管處的開(kāi)口時(shí)，將其置于偏下方位置。被檢表大口徑臺(tái)位開(kāi)口處于3#和4#標(biāo)準(zhǔn)表之間，被檢表小口徑臺(tái)位開(kāi)口處于6#和7#標(biāo)準(zhǔn)表之間。這與一般平鋪并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)表裝置不同，平鋪能夠滿(mǎn)足管路均勻?qū)ΨQ(chēng)布局，使得標(biāo)準(zhǔn)表流量分配較為平均。因此，本文將通過(guò)數(shù)值模擬與流場(chǎng)分析得出該管路布局下的流量分配。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值模擬工具，用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。CFD計(jì)算相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，具有成本低、速度快、可模擬難以實(shí)際測(cè)試的狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)前處理軟件ANSA建立三維計(jì)算模型，并生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。然后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)定出口壓力及進(jìn)口流量邊界條件進(jìn)行求解。

為便于計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

（1）由于管內(nèi)氣體為低速流動(dòng)（一般認(rèn)為馬赫數(shù)0.3以下為低速），故氣體為不可壓縮流動(dòng)，不考慮溫差引起的浮力效應(yīng)，連續(xù)方程與動(dòng)量方程便可構(gòu)成封閉方程組；

（2）流場(chǎng)是穩(wěn)態(tài)的，在所有的微分方程中，可忽略時(shí)間項(xiàng)的影響；

（3）管內(nèi)氣體在管內(nèi)壁面上無(wú)滑移；

（4）氣體物性參數(shù)為常數(shù)；

（5）忽略流量計(jì)及閥門(mén)等阻力件。

圖3～圖5為三種不同進(jìn)口流量下的管路流速分布。由于裝置整體尺寸較大，流速分布圖僅截取標(biāo)準(zhǔn)表前直管段和匯流管之間部分。該部分管路流速分布決定了流量的分配。

圖3 大口徑臺(tái)位管路流速分布

表1 圖3中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量數(shù)值

圖3是進(jìn)口流量為4 000.5 m3/h時(shí)大口徑臺(tái)位管路流速分布圖，表1是對(duì)應(yīng)的流量數(shù)值表。由于標(biāo)準(zhǔn)表管路口徑相同，如果流量平均分配，各標(biāo)準(zhǔn)表管路的流量應(yīng)在1 000.1 m3/h左右。從表1可知，流量并未平均分配。由于進(jìn)出口效應(yīng)的影響，3#標(biāo)準(zhǔn)表管路流量與平均值的偏差大于其他標(biāo)準(zhǔn)表管路。從圖3中也能夠看出，3#標(biāo)準(zhǔn)表管路入口處速度梯度較大。因此，在選擇使用標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇進(jìn)出口效應(yīng)較低的標(biāo)準(zhǔn)表，減少進(jìn)出口效應(yīng)帶來(lái)的流場(chǎng)影響。同時(shí)，還可以看出表1中的偏差值均在±5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足日常檢測(cè)工作中，對(duì)流量點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍的要求。流量分配的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖4 小口徑臺(tái)位管路流速分布

表2 圖4中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量數(shù)值

圖4是進(jìn)口流量為2 000.0 m3/h時(shí)小口徑臺(tái)位管路流速分布圖，表2是對(duì)應(yīng)的流量數(shù)值表。由于標(biāo)準(zhǔn)表管路口徑不同，因此流量分配必然受管路口徑影響。標(biāo)準(zhǔn)表的最大流量分別為：1 600 m3/h（7#）、400 m3/h（6#）、100 m3/h（5#）。理論上，將標(biāo)準(zhǔn)表5#、6#、7#并聯(lián)能夠達(dá)到2 100 m3/h的流量，然而由表2的數(shù)據(jù)可知5#、6#、7#三臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)使用時(shí)，5#和6#均已超過(guò)最大流量，因此實(shí)際工作中5#和6#不要與大口徑流量計(jì)并聯(lián)使用。

圖5 兩個(gè)臺(tái)位并聯(lián)時(shí)管路流速分布

表3 圖5中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量數(shù)值

圖5是進(jìn)口流量為7 002.5 m3/h時(shí)兩個(gè)臺(tái)位并聯(lián)時(shí)管路流速分布圖，表3是對(duì)應(yīng)的流量數(shù)值。大口徑臺(tái)位四個(gè)管路流量和為5 564 m3/h，小口徑臺(tái)位三個(gè)管路流量和為1 438.5 m3/h。流量分配的特點(diǎn)是：首先，大臺(tái)位的流量并未在四個(gè)管路中平均分配；其次，由于增加了臺(tái)位間管路的進(jìn)出口影響，表3中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量與平均值的偏差百分比與表1中略有不同，但仍然在±5%內(nèi)，滿(mǎn)足流量點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍要求；最后，5#和6#標(biāo)準(zhǔn)表也已超過(guò)最大流量，實(shí)際工作中不應(yīng)參與并聯(lián)。

檢測(cè)流量計(jì)時(shí)，裝置需根據(jù)被檢流量點(diǎn)大小選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)。結(jié)合以上圖表的分析結(jié)果，能夠得出在本裝置中合理選擇使用標(biāo)準(zhǔn)表的方案：（1）大口徑臺(tái)位標(biāo)準(zhǔn)表的選擇順序?yàn)?#、2#、4#、3#。（2）小口徑臺(tái)位標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)單獨(dú)使用，避免并聯(lián)時(shí)小口徑標(biāo)準(zhǔn)表流量過(guò)載。（3）兩個(gè)臺(tái)位并聯(lián)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表5#、6#應(yīng)關(guān)閉閥門(mén)。

由上可知，該管路布局對(duì)流量分配有一定影響，但在合理使用標(biāo)準(zhǔn)表的條件下能夠滿(mǎn)足使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)并聯(lián)豎排結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的管路進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，分析了該管路布局對(duì)流量分配的影響，并得出了合理選擇使用標(biāo)準(zhǔn)表的方案。該裝置在實(shí)際運(yùn)行中得到的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了合理使用方案是可行的。數(shù)值模擬能表征流場(chǎng)狀態(tài)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的前期設(shè)計(jì)及后期使用具有指導(dǎo)和參考意義。

[1]王自和, 范砧. 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[M]. 北京： 中國(guó)計(jì)量出版社,2005.

[2]郭愛(ài)華. 標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J]. 自動(dòng)化儀表, 2009, 30(8)：50-54.

[3]齊利曉, 孫立軍, 張濤, 李剛. 標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2010, 37(2)： 34-38.