用于機(jī)載雷達(dá)的流線型差壓式流量計(jì)*

黃 璐

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

用于機(jī)載雷達(dá)的流線型差壓式流量計(jì)*

黃 璐

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)載雷達(dá)環(huán)境的流線型差壓式流量計(jì)，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了實(shí)際應(yīng)用條件下不同流量對(duì)應(yīng)的壓差，從而得到壓差和流量之間的確定關(guān)系，并由此得出流出系數(shù)和雷諾數(shù)之間的關(guān)系曲線。流出系數(shù)始終保持在0.87左右，并在低雷諾數(shù)條件下仍保持良好的線性一致性，與機(jī)載雷達(dá)的特點(diǎn)十分吻合。進(jìn)一步將其擴(kuò)展為一種集成度高的溫度、壓力、流量一體化測(cè)試裝置，已應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)品中，對(duì)其他類似工程應(yīng)用也具有指導(dǎo)意義。

差壓式流量計(jì)；流出系數(shù)；壓力損失；一體化測(cè)試裝置

引 言

目前，機(jī)載雷達(dá)在地面調(diào)試時(shí)，冷卻系統(tǒng)的流量檢測(cè)中主要使用的是渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)，但是二者都不太適合用于機(jī)載環(huán)境。渦輪流量計(jì)[1-2]在使用中渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，再加上振動(dòng)、沖擊等機(jī)載環(huán)境，使得軸承易損，降低了長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，影響使用壽命。另外，機(jī)載的低溫氣候環(huán)境使得流體粘度增高，從而使得渦輪流量計(jì)的最大流量和線性范圍減小。對(duì)于電磁流量計(jì)來(lái)說(shuō)，機(jī)載雷達(dá)的電磁環(huán)境會(huì)影響其測(cè)量的準(zhǔn)確度。

因此，差壓式流量計(jì)更適合機(jī)載雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的流量檢測(cè)，其性能穩(wěn)定可靠，不受電磁、振動(dòng)等機(jī)載環(huán)境的影響，使用壽命長(zhǎng)，適應(yīng)性較廣。但傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)壓力損失大，這對(duì)資源有限的機(jī)載條件來(lái)說(shuō)是一種弊端，而且對(duì)制造的精度要求高，當(dāng)被測(cè)流體中存在雜質(zhì)時(shí)，易造成堵塞和磨損，影響測(cè)量精度。

本文設(shè)計(jì)了一種流線型差壓式流量計(jì)，克服了傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)的劣勢(shì)，具有壓力損失小、量程范圍大的特點(diǎn)。進(jìn)一步將其擴(kuò)展為一種集成度高的溫度、壓力、流量一體化測(cè)試裝置，完全滿足機(jī)載環(huán)境的測(cè)試應(yīng)用，而且可將其應(yīng)用到其他的工程實(shí)際中。

1 流線型差壓式流量計(jì)的數(shù)值研究

孔板的流量公式[3]為

(1)

式中：qv為體積流量；C為流出系數(shù)；β為孔板開(kāi)孔直徑和管道直徑之比；D為管道通徑；ρ為流體密度；ΔP為孔板前后壓力差；當(dāng)流體為不可壓縮流體時(shí)，ε=1。

對(duì)于一定形式的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流出系數(shù)C僅與β和雷諾數(shù)Re有關(guān)。圖1為標(biāo)準(zhǔn)孔板的流線示意圖，充滿圓管的穩(wěn)定流動(dòng)的流體到孔板前的截面1后開(kāi)始收縮，位于邊緣的流體向中心加速，一直收縮到板后的截面2處，之后流束逐漸擴(kuò)大到截面3，恢復(fù)原有的狀態(tài)?？梢钥闯隹装迩按嬖谒绤^(qū)，孔板后會(huì)產(chǎn)生渦流，這些均會(huì)造成不可恢復(fù)的壓力損失。因此，本文設(shè)計(jì)了一種流線型孔板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。結(jié)構(gòu)避開(kāi)死區(qū)和渦流區(qū)，具有沿著流線的形態(tài)，從而減小壓力損失。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)孔板流線示意圖

圖2 流線型孔板結(jié)構(gòu)

利用CFdesign軟件對(duì)這種流線型孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)載雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，孔板結(jié)構(gòu)材料為鋁合金5A05，流體為乙二醇水溶液，管道通徑D為DN25，孔板開(kāi)孔直徑和管道直徑之比β=0.612，計(jì)算區(qū)域?yàn)榭装迩?0D，孔板后4D，流體的流量分別為1、2、3、3.5、4、5、6 m3/h。整個(gè)模型劃分為約90萬(wàn)個(gè)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格最大長(zhǎng)寬比小于15。設(shè)置雙精度、單向耦合、三維湍流k-ε模型[4]的模式進(jìn)行求解。以孔板前D后D/2取壓得到壓差ΔP，并根據(jù)公式(1)計(jì)算流出系數(shù)C，得到雷諾數(shù)Re和流出系數(shù)C間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 流線型孔板雷諾數(shù)和流出系數(shù)間的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，對(duì)于這種流線型孔板結(jié)構(gòu)，在所計(jì)算范圍內(nèi)，流出系數(shù)始終保持在0.87左右，在低雷諾數(shù)下仍具有良好的一致性。而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)[5]，β=0.612，當(dāng)雷諾數(shù)高于10 000時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)孔板的流出系數(shù)為0.6，明顯低于流線型孔板結(jié)構(gòu)。而在低雷諾數(shù)下流出系數(shù)呈非線性偏移，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)將無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量管道流量。對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，由于載機(jī)資源的限制，為了減小阻力，管道內(nèi)的流速一般控制在2.4 m/s內(nèi)，這樣管道內(nèi)多數(shù)為低雷諾數(shù)的情況。比如圖4，在機(jī)載的典型流量2 m3/h，管徑DN25條件下，流線型差壓式流量計(jì)自身產(chǎn)生的壓力損失僅為1.7 kPa。因此，流線型孔板結(jié)構(gòu)更適合機(jī)載雷達(dá)流量的測(cè)量。

圖4 流量為2 m3/h時(shí)的壓力場(chǎng)

2 流線型差壓式流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可用于流線型差壓式流量計(jì)的標(biāo)定，并和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥，液冷源可提供0～4 m3/h的流量。采用LWGY-15型渦輪流量計(jì)和MB450-079溫度壓力傳感器，測(cè)量精度為0.5%。采用JC-043H壓差傳感器，測(cè)量范圍為0～0.4 MPa，測(cè)量精度為1%。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)

一體化測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，可用于機(jī)載雷達(dá)冷卻系統(tǒng)中溫度、壓力、流量參數(shù)的測(cè)試。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠、集成度高，省去了各傳感器測(cè)試點(diǎn)之間的管路連接接頭，傳感器和測(cè)試結(jié)構(gòu)間通過(guò)O型密封圈進(jìn)行密封。流量測(cè)量采用自行設(shè)計(jì)的流線型孔板結(jié)構(gòu)，前D后D/2取壓得到壓差后，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得出壓差和流量間的確定關(guān)系，從而得到流量值。溫度和壓力測(cè)量采用一體化溫度壓力傳感器。

圖6 一體化測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)測(cè)量?jī)x器的精度及控制參數(shù)范圍，由誤差分析得出體積流量、壓差的最大誤差分別為0.5%、1.0%。因此，基于本實(shí)驗(yàn)所測(cè)參數(shù)的變化范圍，按照誤差傳遞理論[5]來(lái)估算流出系數(shù)在極端條件下的最大可能誤差為

(2)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了流線型孔板結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件數(shù)值仿真分析了機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用環(huán)境下不同流量對(duì)流出系數(shù)一致性差異的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果。結(jié)果表明：流線型差壓式流量計(jì)壓力損失小，測(cè)量范圍內(nèi)的流出系數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)，并且在低雷諾數(shù)下流出系數(shù)的線性一致性保持良好，從而擴(kuò)大了測(cè)量范圍，保證了測(cè)量精度。流線型孔板結(jié)構(gòu)是由收縮段的長(zhǎng)度和曲率半徑?jīng)Q定的，這為后續(xù)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)性的作用。此外，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了流量、溫度、壓力一體化測(cè)試裝置，已經(jīng)應(yīng)用于某機(jī)載雷達(dá)冷卻系統(tǒng)，測(cè)試穩(wěn)定可靠、方便快捷，取得了較好的效果。

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[4] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析: CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[5] 吳永生, 方可人. 熱工測(cè)量及儀表[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2002.

黃 璐(1984-), 女，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備的熱控技術(shù)。

Streamline Pressure Difference Flow Meter for Airborne Radar

HUANG Lu

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

A streamline pressure difference flow meter for airborne radar is designed in this paper. The pressure differences corresponding to different flow rates under practical condition are studied by numerical simulation and experiment, the relation between pressure difference and flow rate is therefore obtained, and then the relation curve between discharge coefficient and Reynolds number is got. The discharge coefficient is always constant near 0.87, and the discharge coefficient is reasonably linear with the Reynolds number, especially under the condition of low Reynolds number. It is perfectly meeting with the properties of airborne radar. The flow meter in this paper is further incorporated into a compact integrated test device to measure temperature, pressure and flow rate, which has already been used in airborne radar products. It also has guidance value for similar projects.

pressure difference flow meter; discharge coefficient; pressure lose; integrated test device

2014-09-07

TH814+.5

A

1008-5300(2014)05-0029-03