一種用仿真設(shè)計(jì)的可變噴嘴換向器研究

王 海，汪 斌，沈曉曼，楊 照，黃奕欣

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

一種用仿真設(shè)計(jì)的可變噴嘴換向器研究

王 海，汪 斌，沈曉曼，楊 照，黃奕欣

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

設(shè)計(jì)建造質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的過程中,需要根據(jù)衡器的量程確定不同換向器組的幾何尺寸和規(guī)格。傳統(tǒng)的制造方案一般采用歷史數(shù)據(jù)，很少有文獻(xiàn)從原理上對換向器及其配套噴嘴進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。該文首先通過計(jì)算確定流量噴嘴的量程和入口管道口徑，仿真計(jì)算得到適宜的噴嘴尺寸；配置合理的分水器和驅(qū)動裝置；針對性地改善噴嘴出口流速的均勻性，減少流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的誤差來源。最后通過仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，取得較好的一致性，證明通過仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)制作流量換向器是科學(xué)合理的。

液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置；出口開度可變；流量噴嘴；流場仿真

0 引 言

國內(nèi)外計(jì)量單位保存的質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置一般以建成后的工程實(shí)際性測量來描述基本計(jì)量性能，對于前期的計(jì)量性能和結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)基本不進(jìn)行闡述。

近年來國內(nèi)新建立的質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，一般的評價依據(jù)為JJG 164——2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》[1]。在現(xiàn)階段衡器的不確定度分量基本能優(yōu)于0.01%的情況下，阻礙裝置測量不確定度提升的最大不確定度分量來源就是換向器組件[2]。換向器從換向方向上分為往復(fù)式換向和旋轉(zhuǎn)式換向。換向器從出口結(jié)構(gòu)上分為閉式換向器和開式換向器，閉式換向器工作時對流量穩(wěn)定性影響量較大，所以在高準(zhǔn)確度的流量裝置一般選用開式換向器；開式換向器組件一般是由噴嘴（流束控制機(jī)構(gòu)）和分水器（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）組成的[3-4]。所以從原理上進(jìn)行噴嘴合理化設(shè)計(jì)可能大幅度減小標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度。而目前大規(guī)模采用的固定式矩形出口噴嘴流量范圍受流速范圍的影響，在保證不確定度的情況下很難達(dá)到1∶10的量程。

中國測試技術(shù)研究院通過仿真設(shè)計(jì)生產(chǎn)出一種可變出口截面積的噴嘴來提高流速均勻性和控制流速畸變，在流量均勻性得到保證的前提下可以減少往復(fù)式分水器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程和力矩，大幅度提高了換向器正反行程的一致性，減少了不確定度分量。

1 設(shè)計(jì)原則

通過查閱資料和工程實(shí)際，總結(jié)出換向器的設(shè)計(jì)原則。

1.1 換向器隔板切割水頭時間

對于人字型往復(fù)式分水器，由于采用單軸支撐，往復(fù)運(yùn)行其實(shí)是走的圓弧軌跡，為了使圓弧軌跡更接近線性軌跡，需要采用盡可能長的旋轉(zhuǎn)半徑和盡可能短的往復(fù)行程，這樣也可以減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力；驅(qū)動推重比適中，過大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛性要求增加，過小會導(dǎo)致切換時間過長。

一般認(rèn)為切換水頭時間越短越好，而成功的設(shè)計(jì)應(yīng)保證換入/換出時間差優(yōu)于5ms，重復(fù)性優(yōu)于2ms。

1.2 噴嘴出口長寬比

噴嘴出口宜為長寬比適量的矩形，在ISO 4185——1985（E）中推薦長寬比為15～50，更大的長寬比有利于把水頭做薄，有利于減少切換時間，有利于減小流速不均勻帶來的不確定度，但對于生產(chǎn)加工增加難度。實(shí)際中發(fā)現(xiàn)長寬比較高時，往往由于線速度不均勻和表面張力的影響，容易形成出口偏心流和弧形流[5-6]。

合理的長寬比應(yīng)大于1∶10，兼顧最小流量和最大流量線速度，對于可變長寬比噴嘴則應(yīng)以線速度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 線速度相等性

理想的噴嘴出口水流在到達(dá)分水器處是應(yīng)保持為形狀固定的矩形水柱且截面各點(diǎn)線速度相等。有文獻(xiàn)指出由于噴嘴流場中流速不均勻帶來的不確定度貢獻(xiàn)可能達(dá)到為0.01%～0.02%[7-8]。設(shè)計(jì)上應(yīng)保證流量均勻性帶來的影響小于0.01%，而目前國內(nèi)外文獻(xiàn)論述比較少。

1.4 線速度范圍

工業(yè)應(yīng)用中，液體流量計(jì)的線速度上限一般為5～7 m/s，大口徑液體流量計(jì)（DN600以上）往往實(shí)際工作線速度上限僅為1～3m/s，噴嘴出口線速度應(yīng)略大于額定口徑管道線速度以形成背壓[9-10]。通過試驗(yàn)觀察，在100 m3/h流量點(diǎn)下，約0.5 m/s線速度時矩形水柱開始發(fā)散。為保險起見，噴嘴出口線速度不應(yīng)低于1m/s，一般來說噴嘴出口流量線速度范圍應(yīng)為1～7m/s。

1.5 噴嘴設(shè)計(jì)

根據(jù)管道口徑和流量來設(shè)計(jì)噴嘴尺寸

式中：W——矩形出口寬度，mm；

L——矩形出口長度，mm；

Q——電子天平在最短測量時間內(nèi)可達(dá)到的最大流量，kg/h；

v——矩形出口線速度，m/s。

通過式（1）和式（2）可推導(dǎo)出的最大流量和噴嘴出口尺寸如表1所示。

表1 理想線速度和管道口徑對應(yīng)表

1.6 噴嘴前端管道設(shè)計(jì)

噴嘴前端管道和噴嘴合成一個閉合流場，通過仿真設(shè)計(jì)計(jì)算出合理的結(jié)構(gòu)和尺寸來保證出口流量均勻性。本文即以仿真得到的結(jié)構(gòu)尺寸來實(shí)物驗(yàn)證。

在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，較大的線速度容易導(dǎo)致噴嘴水頭出現(xiàn)飛沫，換向擋板切換水頭時容易出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象；為了抵消水頭的沖力，驅(qū)動裝置推重比設(shè)計(jì)時往往會有大量的冗余。而大驅(qū)動力對于機(jī)械強(qiáng)度要求較高，甚至對于基建都會有更高的要求。如果能夠把噴嘴出口線速度控制在一個較小的范圍（1～5m/s），可以預(yù)期得到較小的不確定度。國內(nèi)有的裝置采用一大一小雙配置的換向器來解決這個問題，但經(jīng)濟(jì)性和場地要求性更高。

2 實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 通過仿真制造實(shí)物

以入口管徑DN50mm、最大流量48 000 kg/h進(jìn)行換向器噴嘴仿真研究并制造實(shí)物驗(yàn)證。

入口為DN50mm上仰圓管（上仰10°），通過2L距離轉(zhuǎn)換到140mm×15mm的矩管。再通過R=L的100°轉(zhuǎn)向，通過0.3 L的140mm×15mm矩管距離整形，最后通過0.7L的夾板式可變出口段，出口調(diào)節(jié)尺寸范圍為2～14mm實(shí)物模型如圖1所示。

圖1 實(shí)物模型圖

通過某仿真軟件分別對A、B狀態(tài)模型進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：

A狀態(tài)質(zhì)量流量為1.333kg/s

B狀態(tài)質(zhì)量流量為13.33kg/s

A、B狀態(tài)模型出口流速分布如圖2和圖3所示。通過仿真得到噴嘴出口截面網(wǎng)格的坐標(biāo)點(diǎn)線速度,其中X（n）為切換方向的坐標(biāo)軸，Z（n）為切換方向橫切面的坐標(biāo)軸。通過仿真得到出口截面的線速度二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。噴嘴水流坐標(biāo)見圖4。

圖2 A狀態(tài)模型出口流速分布

圖3 B狀態(tài)模型出口流速分布

圖4 噴嘴水流坐標(biāo)圖

假設(shè)換向器切換水頭速度（移動速度）恒定，往返切換通過水頭時間為t1、t2，可以得到切換時間內(nèi)往返向注入收集桶質(zhì)量分別為m1和m2：

式中n為網(wǎng)格數(shù)量。

由于t1、t2通過行程差法調(diào)試后可以近似相等抵消，可以簡化模型把出口截面的網(wǎng)格線速度之和作為計(jì)算數(shù)據(jù)。

A狀態(tài)模型：流量點(diǎn)4.8 t/h（1.333 kg/s），出口開度5.2mm，出口平均線速度1.7m/s。出口平均線速度左向換向點(diǎn)線速度面積之和為3251.1m/s，右向換向點(diǎn)線速度面積之和為3254.4m/s，差值為3.3m/s，相對誤差約0.1%。如切割水頭時間為50ms，測量時間為36 s，計(jì)算得到流速分布不均勻帶來的質(zhì)量誤差估計(jì)值為0.1%×50/36000=0.0002%。

B狀態(tài)模型：流量點(diǎn)48 t/h（13.33 kg/s），出口開度14 mm，出口平均線速度6.8 m/s。出口平均線速度左向換向點(diǎn)線速度面積之和為76 548 m/s，右向換向流量點(diǎn)線速度面積之和為80 348 m/s，差值為3 800 m/s，相對誤差約4.8%。如切割水頭時間為50 ms，單次測量時間為36 s，計(jì)算得到流速分布不均勻帶來的質(zhì)量誤差估計(jì)值為 4.8%×50/36 000= 0.0067%。

2.2 實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)

選用如圖1所示流量噴嘴B狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，最短測量時間為36 s，分水器為人字型往復(fù)式。實(shí)驗(yàn)前參照檢定規(guī)程進(jìn)行流量計(jì)法試驗(yàn)，換向誤差約為0.01%，調(diào)試消除后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。

使用行程差法試驗(yàn)測量結(jié)果：

使用寬度為14 mm的遮光板，安裝于光電傳感器中，替代水頭寬度。

平均換入時間t1為56.7ms

平均換出時間t2為55.5ms

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度s5=0.001%

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度s6=0.002%

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4=0.001%使用流量計(jì)法驗(yàn)證結(jié)果如下：

選取一臺出廠不確定度為0.05%的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。以36s測量10次，以10次的平均值作為36s測量的平均值。以3.6s測量10次，以10次的平均值作為3.6s測量的平均值。

36s測量得到的平均系數(shù)為199.95p/kg

3.6 s測量得到的平均系數(shù)為199.91p/kg

差值為0.04.相對誤差為0.02%

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度s1=0.002%

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1=0.004%

從上述結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果具有良好的一致性。由于出口水流線速度預(yù)知均勻，實(shí)際上通過行程差法調(diào)試主要消除的是換向器氣動驅(qū)動力不一致性，減少了流量和換向器行程差法試驗(yàn)的不確定度關(guān)聯(lián)性。試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)上確保了行程差法試驗(yàn)的初衷，減少了試驗(yàn)方法的不確定度。

3 結(jié)束語

本文通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

1）仿真可以預(yù)先對換向器噴嘴流速分布進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，在設(shè)計(jì)期即可有效地控制換向器不確定度，避免流量裝置結(jié)構(gòu)性缺陷的產(chǎn)生。對于已知成熟的幾何尺寸可以定型作為固定件生成，減少換向器組件的制作難度。

2）在已知出口流速均勻性的情況下可以大幅減少分水器驅(qū)動推重比，提高換向機(jī)構(gòu)的平均無故障時間和重復(fù)性；同時減少了噪聲。

A狀態(tài)模型出口開度5.2 mm在精密的機(jī)加工保證下仍有下探的空間，理論上可以達(dá)到2mm甚至更低。通過仿真設(shè)計(jì)的可變流量換向器,流量范圍由1∶5拓展到1∶30甚至更高，大幅提高了可控不確定度試驗(yàn)流量的區(qū)間。

3）通過應(yīng)用流量仿真軟件，不僅可以指導(dǎo)流量裝置的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，也可以對其他流量測量方面的研究提供幫助。

長期以來，計(jì)量部門進(jìn)行試驗(yàn)工作測重于數(shù)據(jù)的可靠性，對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型關(guān)注較少，而對于數(shù)據(jù)的不確定度評定又往往使用了計(jì)算物理學(xué)的方法；本文驗(yàn)證了仿真完全可以把計(jì)算物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)聯(lián)系起來，更好地指導(dǎo)日常開展的工作。

[1]液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置：JJG 164—2000[S].北京：中國計(jì)量出版社，2000.

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（編輯：李剛）

Research on a variable nozzle design and simulation of the commutator

WANG Hai，WANG Bin，SHEN Xiaoman，YANG Zhao，HUANG Yixin
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

In the process of designing and construction for standard liquid flow device based on quality method，geometric dimensions and specifications of different diverter groups were determined according to the weighing range.The traditional manufacturing method usually uses historical data，rare literature designs diverter and its nozzle based on the principle of diverter.This paper tried to calculate the range of flow nozzle and the diameter of inlet pipe，get the appropriate nozzle size by simulation calculation，allocate water separator and driving device reasonably，improve the nozzle exit velocity uniformity，reduce the error sources of standard flow device.By comparing the simulation results with the experimental data，the results obtained have good agreement.The results show that the design of flow diverter by the guide of simulation is scientific and reasonable.

the standard device ofliquid flowmeter；flow nozzle；variable outletopening；simulation of flow field

A

：1674-5124（2016）12-0091-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.019

2016-03-15；

：2016-05-07

王 海（1977-），男，四川自貢市人，工程師，主要從事流量計(jì)量檢測與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)開發(fā)。