Rossini 型氣體熱量計(jì)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的優(yōu)化分析

杜軍燕，王玉剛，潘江，張洪軍

（中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州310018）

Rossini 型氣體熱量計(jì)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的優(yōu)化分析

杜軍燕，王玉剛，潘江，張洪軍

（中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州310018）

為優(yōu)化Rossini型氣體熱量計(jì)溫度場(chǎng)均勻性以減小測(cè)量不確定度，采用多重參考系法（MRF）和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)Rossini型氣體熱量計(jì)的溫度場(chǎng)進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，分別得到攪拌器轉(zhuǎn)速、燃燒室高度對(duì)量熱容器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的影響，特別是對(duì)燃燒室與吸熱介質(zhì)之間熱傳遞的影響以及對(duì)吸熱介質(zhì)溫度均勻性的影響，同時(shí)確定溫度傳感器的最佳安裝位置。結(jié)果表明：攪拌器槳葉最佳轉(zhuǎn)速為420r/min，這時(shí)燃燒室壁面與吸熱介質(zhì)之間的傳熱效率最大，并且吸熱介質(zhì)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差保持在1.5mK以內(nèi)。燃燒室高度減小可以提高吸熱介質(zhì)的溫度均勻性，加熱階段中，燃燒室高度從180mm降低到140mm時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差從26mK降低到7.5mK。溫度傳感器的最佳安裝位置在燃燒室對(duì)稱軸及導(dǎo)流筒對(duì)稱軸的等距線上離殼體底部25mm處。

Rossini型氣體熱量計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

0 引言

Rossini型氣體熱量計(jì)用于測(cè)定純氣體、天然氣的熱值，是具有最高準(zhǔn)確度等級(jí)的氣體熱值測(cè)定裝置，可直接測(cè)定氣體熱值并實(shí)現(xiàn)熱值結(jié)果溯源到國際單位[1-2]。Rossini型氣體熱量計(jì)測(cè)量試驗(yàn)包括電校正過程及燃燒過程，電校正過程以電加熱功率替代氣體燃燒的熱功率，用于準(zhǔn)確測(cè)量氣體熱量計(jì)的當(dāng)量比熱，提高最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。自Rossini[3]建立測(cè)量純甲烷熱值的Rossini型熱量計(jì)以來，國外相關(guān)學(xué)者一直致力于提高Rossini型氣體熱量計(jì)測(cè)量結(jié)果的不確定度。

Pittam等[4]在Rossini熱量計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了純氣體熱值測(cè)量裝置，并且測(cè)定純氣體熱值數(shù)據(jù)與Rossini的數(shù)據(jù)偏差小于0.017%。Dale等[5]改進(jìn)了氣體樣品質(zhì)量的稱量方法，提高了燃燒氣體質(zhì)量測(cè)量的不確定度。Jaeschke等[6]指出熱值的不確定度主要來自于質(zhì)量測(cè)量和溫度測(cè)量，并研制出一套不確定度約為0.01%的自動(dòng)稱重與校準(zhǔn)裝置。Haloua等[7]研制出周邊等溫型基準(zhǔn)氣體熱量計(jì)，詳細(xì)介紹了該熱量計(jì)的建立及其相應(yīng)測(cè)試單元的優(yōu)化方法。后續(xù)對(duì)熱量計(jì)的三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析指出只有90%的發(fā)熱量被吸熱介質(zhì)吸收，剩下10%的熱量被熱量計(jì)容器吸收[8]。Schley等[9]研制了一種基準(zhǔn)氣體熱量計(jì)，并由德國物理技術(shù)研究院組裝測(cè)試，該熱量計(jì)測(cè)量甲烷熱值的不確定度〈0.05%。法國國家實(shí)驗(yàn)室第一次公開研究多年的周邊等溫型基準(zhǔn)氣體熱量計(jì)的測(cè)定數(shù)據(jù)及詳盡的不確定度分析[10]，數(shù)據(jù)表明測(cè)量甲烷純度為99.9995%的熱值為55509.996kJ/kg，并且擴(kuò)展相對(duì)不確定度為0.091%（k=2）。國內(nèi)對(duì)熱量計(jì)的研究起步較晚，胡日恒等[11]建立國內(nèi)第一套精密氧彈熱量計(jì)。中國計(jì)量科學(xué)研究院的水流式熱量計(jì)測(cè)定純甲烷熱值的相對(duì)不確定度達(dá)到1.0%（k=2）[12]。中國科學(xué)院復(fù)建了氧彈熱量計(jì)，測(cè)定純甲烷熱值的相對(duì)不確定度可達(dá)0.6%[13]。中國石油西南油田分公司天然氣研究院采用燃燒法，建立了一套熱值相對(duì)不確定度優(yōu)于0.25%的1級(jí)發(fā)熱量直接測(cè)定裝置[14]。呂丹妮等[15]對(duì)Rossini型氣體熱量計(jì)開發(fā)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。

文獻(xiàn)研究表明優(yōu)化吸熱介質(zhì)的溫度均勻性、強(qiáng)化燃燒室與吸熱介質(zhì)之間的換熱具有十分重要的意義[8]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者著重對(duì)熱量計(jì)的研制與測(cè)試研究，基于數(shù)值模擬方法進(jìn)行的機(jī)理研究不多?；谝陨媳尘埃疚氖褂肍luent軟件，利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)Rossini型氣體熱量計(jì)電校正過程中量熱容器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，分析了攪拌器轉(zhuǎn)速、燃燒室高度對(duì)量熱容器內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的影響，特別是對(duì)燃燒室與吸熱介質(zhì)之間熱傳遞的影響以及對(duì)吸熱介質(zhì)溫度均勻性的影響，同時(shí)確定了Rossini型氣體熱量計(jì)的量熱容器內(nèi)溫度傳感器的最佳安裝位置，對(duì)優(yōu)化Rossini型氣體熱量計(jì)裝置設(shè)計(jì)、提高測(cè)量結(jié)果的不確定度有所指導(dǎo)。

1 物理模型建立

Rossini型氣體熱量計(jì)的量熱容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文模擬的物理模型經(jīng)過簡化，如圖2所示。量熱容器的殼體是不規(guī)則桶體，其高度為270mm。燃燒室簡化成如圖2所示的圓柱體，其直徑為50mm，高度為100 mm，其表面設(shè)為電加熱面。導(dǎo)流筒的直徑為50 mm，高度為170 mm，攪拌器槳葉直徑為40 mm，攪拌器的安裝高度為135 mm。

圖1 Rossini型氣體熱量計(jì)量熱容器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Rossini型氣體熱量計(jì)量熱容器的物理模型

2 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 數(shù)學(xué)模型

在直角坐標(biāo)系中，根據(jù)有限體積法思想，引入通用輸送方程，將φ取為不同的變量，把擴(kuò)散系數(shù)Γ和源項(xiàng)Sφ取為適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式，則連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、紊動(dòng)能方程、紊動(dòng)耗散方程都可寫成統(tǒng)一的形式，即：

2.2 參數(shù)設(shè)置

量熱容器內(nèi)吸熱介質(zhì)采用純水，假設(shè)流體為不可壓縮常物性（25℃下），其密度為998.2kg/m3，粘度為0.001003Pa·s，比熱容為4182kJ/（kg·K）。

量熱容器殼體的所有表面及導(dǎo)流筒的側(cè)表面設(shè)為無滑移、絕熱壁面邊界條件，攪拌器槳葉表面設(shè)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壁面邊界條件，導(dǎo)流筒的上下界面設(shè)為內(nèi)部界面，量熱容器殼體、導(dǎo)流筒、攪拌器槳葉的材料均設(shè)置為不銹鋼304L，與實(shí)物一致。加熱階段時(shí)，燃燒室的表面設(shè)為等熱流密度壁面邊界條件，熱流密度為3107W/m2；加熱前階段與加熱后階段時(shí)，燃燒室的表面設(shè)為絕熱。燃燒室的材料設(shè)置為高硼玻璃。

量熱容器內(nèi)吸熱介質(zhì)的初始溫度為23.5℃，量熱容器殼體的初始溫度為25℃，量熱容器外部環(huán)境溫度為25℃。

3 計(jì)算

采用ANSYS/ICEM軟件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在攪拌器的附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量為282萬個(gè)。本文模擬首先對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證。

計(jì)算軟件使用商業(yè)軟件Fluent 6.3，采用三維瞬態(tài)湍流模型。采用多重參考系法（MRF）解決靜止部分流體與轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，整個(gè)流體區(qū)域分成兩部分，攪拌器及其附近的流體區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他流體區(qū)域設(shè)置為靜止坐標(biāo)系。通過定義交界面完成兩個(gè)區(qū)域的動(dòng)量、能量交換。

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其參數(shù)為σu=0.09，σk=1，σε=1.3，σ1=1.44，σ2=1.92，其中，σu、σ1、σ2為模型常數(shù)，σk、σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)。

壓力與速度的耦合計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式。方程的收斂殘差條件：連續(xù)性方程為1×104，動(dòng)量方程為1×104，能量方程為1×106。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響

研究攪拌器槳葉不同轉(zhuǎn)速對(duì)量熱容器內(nèi)吸熱介質(zhì)溫度場(chǎng)的影響時(shí)，其他條件保持一致，以加熱階段和加熱后階段為例，其中0～1500s為加熱階段，1501～2700s為加熱后階段。如圖3所示，討論了攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速分別為120，240，360，480，600 r/min時(shí)，吸熱介質(zhì)平均溫度隨時(shí)間的變化。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下，吸熱介質(zhì)平均溫度隨時(shí)間的變化

4.1.1 攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速對(duì)傳熱效率的影響

如圖3所示，加熱階段中，燃燒室表面的熱流密度相同條件下，吸熱介質(zhì)平均溫度隨時(shí)間變化曲線的斜率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，這主要是由于轉(zhuǎn)速增大后引起吸熱介質(zhì)內(nèi)湍流強(qiáng)度的增加，從而導(dǎo)致吸熱介質(zhì)與燃燒室之間的對(duì)流傳熱得到強(qiáng)化，使燃燒室的熱量更多地傳遞到吸熱介質(zhì)中，吸熱介質(zhì)平均溫度的溫升增大。

計(jì)算攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速從120～600 r/min，以差值120r/min遞增，在某一段時(shí)間內(nèi)，任意兩條相鄰的溫度隨時(shí)間變化曲線之間的面積代表該段時(shí)間內(nèi)吸熱水浴因轉(zhuǎn)速增大120r/min而增加的吸熱量。增大相同轉(zhuǎn)速的情況下，隨著轉(zhuǎn)速增大，吸熱介質(zhì)吸熱量的增量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，因此，燃燒室與吸熱介質(zhì)之間傳熱隨著轉(zhuǎn)速的增大而有所增強(qiáng)，但是增加的強(qiáng)度先變大后變小。只有轉(zhuǎn)速在240～480 r/min范圍內(nèi)，增大轉(zhuǎn)速對(duì)提高吸熱介質(zhì)內(nèi)的傳熱效率有明顯幫助。

在加熱后階段中，熱量輸入停止，攪拌繼續(xù)工作。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于120～360r/min區(qū)間內(nèi)，加熱后階段吸熱介質(zhì)的平均溫度保持恒定不變，而轉(zhuǎn)速在480 r/min及以上區(qū)間，加熱后階段的吸熱介質(zhì)的平均溫度呈緩慢升高的趨勢(shì)。這是由于攪拌器槳葉的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而引入的熱量輸入，并且熱量輸入隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，直至引起吸熱介質(zhì)溫度有明顯溫升。攪拌器轉(zhuǎn)速增大，那么因攪拌引起的吸熱介質(zhì)溫升也增大，也就導(dǎo)致熱值測(cè)量結(jié)果中溫升測(cè)量引入的誤差增大。

假設(shè)電加熱量（或燃燒熱）被吸熱介質(zhì)完全吸收，不考慮量熱容器殼體等自身吸熱對(duì)應(yīng)吸熱介質(zhì)的理論溫升為5℃。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果，燃燒室的加熱量中實(shí)際最多只有90%的熱量能被吸熱介質(zhì)吸收，對(duì)應(yīng)吸熱介質(zhì)的溫升為4.5℃。不同攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速下，吸熱介質(zhì)平均溫度的溫升如表1所示。吸熱介質(zhì)平均溫度的溫升隨著攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速的增大而增大，甚至超過最理想狀態(tài)的5℃，這是由于槳葉的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能引入的能量輸入。

表1 不同轉(zhuǎn)速下吸熱介質(zhì)平均溫度的溫升

4.1.2 攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速對(duì)溫度均勻性的影響

圖4 不同轉(zhuǎn)速下，吸熱介質(zhì)溫度不均勻性的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化

參考恒溫槽溫度均勻性測(cè)試的溫度點(diǎn)測(cè)試位置的選取，取量熱容器中吸熱介質(zhì)的8個(gè)位置作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析不同攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間變化的情況，即代表量熱容器中吸熱介質(zhì)的溫度均勻性隨時(shí)間變化，如圖4所示。攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速在240r/min及以下時(shí)，從0s起，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差從0開始，隨著攪拌和熱量輸入引起的擾動(dòng)增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差開始迅速增大。500s以后，吸熱介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著熱擾動(dòng)的存在而緩慢增大。1501s以后，沒有熱量輸入，攪拌器繼續(xù)工作，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差急劇減小后維持在2mK以內(nèi)。攪拌器槳葉轉(zhuǎn)速在360r/min及以上時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差在加熱階段和加熱后階段一直維持在2mK以內(nèi)。這是由于在攪拌器轉(zhuǎn)速大的條件下吸熱介質(zhì)能夠迅速形成良好的循環(huán)流動(dòng)。加熱階段下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，轉(zhuǎn)速從120 r/min逐漸增大到360r/min時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差從55 mK減小到0.5 mK，轉(zhuǎn)速從360 r/min逐漸增大到540 r/min時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差始終保持在1.5mK以內(nèi)。轉(zhuǎn)速小于360r/min時(shí)，增大轉(zhuǎn)速可以有效改善吸熱介質(zhì)的溫度不均勻性，超過這個(gè)范圍，增大轉(zhuǎn)速對(duì)溫度均勻性的提高并不顯著。

綜合傳熱效率和溫度均勻性的影響，本文選取360r/min和480 r/min的平均值420 r/min作為攪拌器的最佳轉(zhuǎn)速。此時(shí)，燃燒室與吸熱介質(zhì)之間的傳熱效果最好，同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.5 mK以內(nèi)。

4.2 燃燒室高度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

討論燃燒室不同高度對(duì)量熱容器內(nèi)吸熱介質(zhì)溫度場(chǎng)的影響時(shí)，取攪拌器槳葉的轉(zhuǎn)速為420r/min，分析完整測(cè)量過程中吸熱介質(zhì)溫度不均勻性的變化情況。其中0～1200s為加熱前階段，1201～2400s為加熱階段，2401～3600s為加熱后階段。如圖5所示，討論了燃燒室高度分別為140，160，180mm時(shí)，吸熱介質(zhì)溫度不均勻性的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化情況。

圖5 不同燃燒室高度下，吸熱介質(zhì)溫度不均勻性的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時(shí)間的變化

從圖中可知，加熱前階段和加熱后階段因熱擾動(dòng)小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差維持在2 mK以內(nèi)，并且隨著燃燒器高度的減小而減小。加熱階段由于熱擾動(dòng)最大，吸熱介質(zhì)的溫度均勻性弱于其他兩個(gè)階段，燃燒室高度為140mm時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.5mK，并隨著燃燒室高度的增大而增大。這是由于燃燒室高度增加，量熱容器殼體高度不變的情況下，吸熱介質(zhì)的循環(huán)通道面積減小，從而吸熱介質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)受到限制而導(dǎo)致傳熱受到削弱。雖然吸熱介質(zhì)與燃燒室的傳熱面積隨燃燒器高度增大而增大，對(duì)增強(qiáng)傳熱有利，但是仍不能抵消吸熱介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)減弱引起的傳熱減弱。燃燒室與吸熱介質(zhì)換熱面積得到保證的情況下，減小燃燒室高度有利于增強(qiáng)吸熱介質(zhì)的溫度均勻性，特別是加熱階段。

4.3 溫度傳感器最佳安裝位置

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

為了確定最能代表吸熱介質(zhì)平均溫度的溫度測(cè)量點(diǎn)，即溫度傳感器最佳安裝位置。在吸熱介質(zhì)中布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度及吸熱介質(zhì)平均溫度隨時(shí)間變化的情況來確定最佳溫度測(cè)量點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在燃燒室的周圍，如圖6所示，其中11～14位于第一水平面，21～24位于第二水平面，31～34位于第三水平面，41～43位于第四水平面。以加熱后階段中100s內(nèi)吸熱介質(zhì)平均溫度與監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線為例，如圖7所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)43處溫度與介質(zhì)平均溫度的偏差最小，因此其相比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)更能代表吸熱介質(zhì)平均溫度，可視為溫度傳感器最佳安裝位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)43對(duì)應(yīng)的具體位置為燃燒室對(duì)稱軸及導(dǎo)流筒對(duì)稱軸的等距線上離殼體底部25mm處。

5 結(jié)束語

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了Rossini型氣體熱量計(jì)溫度場(chǎng)的特性，為設(shè)計(jì)更高不確定度水平的熱量計(jì)提供仿真數(shù)據(jù)指導(dǎo)。模擬攪拌器槳葉在不同轉(zhuǎn)速、燃燒室在不同高度時(shí)，Rossini型氣體熱量計(jì)的量熱容器內(nèi)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)變化，獲得以下結(jié)論：

1）攪拌器槳葉的最佳轉(zhuǎn)速為420r/min。這是由于只有在240～480 r/min范圍內(nèi)增大轉(zhuǎn)速可顯著強(qiáng)化吸熱介質(zhì)的傳熱效率。轉(zhuǎn)速低于360r/min時(shí)，增大轉(zhuǎn)速可以有效改善吸熱介質(zhì)的溫度不均勻性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差在轉(zhuǎn)速為360 r/min時(shí)達(dá)到最小值0.5mK，超過這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍，增大轉(zhuǎn)速不能提高吸熱介質(zhì)的溫度均勻性，并且會(huì)增加攪拌引入的熱量從而增大溫度測(cè)量的誤差。

2）燃燒室高度減小可以提高吸熱介質(zhì)的溫度均勻性，特別是在加熱階段。加熱階段中，燃燒室高度從180mm降低到140mm時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差從26mK降低到7.5mK。這主要是吸熱介質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)受阻引起吸熱介質(zhì)內(nèi)的傳熱效率降低和溫度均勻性變差。

3）最能代表吸熱介質(zhì)平均溫度的位置在燃燒室對(duì)稱軸及導(dǎo)流筒對(duì)稱軸的等距線上離殼體底部25mm處，該結(jié)論可為溫度傳感器測(cè)量點(diǎn)的布置提供參考依據(jù)。

本文研究基于純數(shù)值模擬研究，可為后續(xù)熱量計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)，但是建立一套國內(nèi)領(lǐng)先水平的Rossini型氣體熱量計(jì)還需要進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，后續(xù)工作需要通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合來不斷實(shí)現(xiàn)熱量計(jì)的優(yōu)化，研制出不確定度優(yōu)于0.3%的Rossini型氣體熱量計(jì)。

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（編輯：李妮）

Numerical simulation of unsteady temperature field in Rossini gas calorimeter

DU Junyan，WANG Yugang，PAN Jiang，ZHANG Hongjun
（College of Metrology and Measurement，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

In order to optimize the temperature field uniformity of Rossini gas calorimeter to minimize the measurement uncertainty，3D transient numerical simulation was carried out for temperature field of Rossini gas calorimeter based on MRF model and standard k-ε turbulence model，and the influence of rotational speed and the combustion chamber height on unsteady temperature field in calorimeter vessel was also obtained，especially the influence on heat transfer between combustion chamber and heat transfer medium.Meanwhile，the best installation location of temperature sensor was also determined.The results indicate that rotational speed of 420 r/min can be regarded as the optimal rotational speed of stirrer paddle，the heat transfer between combustion chamber wall surface and heat transfer medium is maximum at this time，the standard deviation of the temperature at the monitoring point of heat transfer medium is within 1.5 mK.Reduction of the height of the combustion chamber can improve the temperature homogeneity of the heat transfer medium.At the heating stage，the standard deviation of temperature at the monitoring points is reduced from 26mK to 7.5mK when the combustion chamber height is reduced from 180mmto 140mm.The optimum installation position of the temperature sensor is 25mm to the bottom of shell，on the equidistant line of the symmetry axis of combustion chamber and guide cylinder.

Rossini gas calorimeter；standard k-ε turbulence model；unsteady temperature field；numerical simulation

A

1674-5124（2017）08-0119-06

2016-11-05；

2017-01-13

國家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201410133）

杜軍燕（1992-），女，江西吉安市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槟茉从?jì)量。

王玉剛（1972-），男，河北寧晉縣人，副教授，博士，主要從事能源計(jì)量研究。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.024