新型孔板流量計的流出系數(shù)實驗研究

張憲 劉鋼

摘 ?????要： 為研究一種新型孔板式差壓流量計的流出系數(shù)，提高流量計的使用精度。通過實驗分析在不同流量下孔板式差壓流量計內(nèi)部場流速和壓力的變化趨勢;在流量變化范圍內(nèi)選取監(jiān)測點通過傳感器采集流量計內(nèi)部瞬時流速及壓力數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)表明：在經(jīng)過流量計節(jié)流孔后會出現(xiàn)流速劇增，節(jié)流孔出口端壓力驟降的現(xiàn)象;通過實驗數(shù)據(jù)與ISO經(jīng)驗公式分別計算流量計的流出系數(shù)后，經(jīng)對比最大誤差僅為5%。

關(guān) ?鍵 ?詞：孔板流量計;流場;流出系數(shù);標(biāo)定實驗

中圖分類號：TH 715 ??????文獻標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1217-04

Abstract： In order to study the hydraulic characteristics of a new orifice plate type differential pressure flowmeter to improve the accuracy of the flowmeter， the variation trend of internal field flow velocity and pressure in the orifice-type differential pressure flowmeter under different flow rates was analyzed through physical experiments and numerical simulations. In the range of flow change， instantaneous flow rate and pressure data in the flowmeter were obtained by the sensors. Experimental data showed that after the fluid passing through the orifice of the flowmeter， there was a sudden increase in the flow rate and a sudden drop in the pressure at the outlet end of the orifice; The numerical simulation data and the ISO empirical formula were used to calculate the outflow coefficient of the flowmeter ，and the maximum error was only 5%.

Key words： Orifice flowmeter; Flow field; Outflow coefficient; Calibration experiment

在封閉管道內(nèi)流量是一個動態(tài)值，測量流量的儀器稱為流量計。典型的流量計有：差壓式流量計、電磁流量計、科里奧利質(zhì)量流量計、渦街流量計、超聲波流量計等[1]，而差壓式流量計又以其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低廉及使用壽命長的優(yōu)點得到了最廣泛的使用[2]。

差壓式流量計以孔板式流量計為代表，是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用的主流流量計。目前孔板式流量計在國外的使用率約為60%，而我國對流量計的研究起步較晚，對孔板流量計的依賴較嚴重，使用占比達到約90%[3，4]。

英國的M J Reader-Harris和 Kim[5，6] 對孔板上游有臺階時對孔板流出系數(shù)的影響進行了實驗研究。國內(nèi)對孔板流量計的安裝條件也進行了大量的實驗研究[7]，并經(jīng)過實驗總結(jié)制定了國標(biāo)GB/T2624.2。

劉華等[8]對孔板流場通過數(shù)值模擬，得到流速分布和流量系數(shù)，利用模型實驗對低流速孔板的流量系數(shù)進行了驗證，兩者結(jié)果完全一致; 程勇等[9]計算了流體流過孔板的流場分布。計算了β=d·D=0.5時的流出系數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果擬合出流出系數(shù)與Re的關(guān)系式。

目前對于非標(biāo)準(zhǔn)式孔板差壓流量計[10]的研究較少，且多為純數(shù)值模擬，工況代表性不足;因此將采用實驗的方式對一種非標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓流量計的12個流量下的工況進行分析，從而對流量計流出系數(shù)變化規(guī)律進行詳細的探究分析。

1 ?流出系數(shù)計算方法

管道內(nèi)的流體介質(zhì)經(jīng)過測量管段內(nèi)的節(jié)流裝置，流體束在節(jié)流處形成局部收縮，管徑急劇減小從而導(dǎo)致流速增加，靜壓力降低。在節(jié)流前后產(chǎn)生一個靜壓力差。流量計在節(jié)流前后開有測壓孔，通過測量壓差可以計算出通過節(jié)流裝置的流量。

1.1 ?流出系數(shù)實驗計算方法

孔板流量計質(zhì)量流量與壓力差的關(guān)系為：

1.2 ?ISO經(jīng)驗公式

除數(shù)值模擬方法外，還可以采用ISO公式計算流出系數(shù)（里德-哈利斯/加拉赫公式），該公式為經(jīng)過大量實驗總結(jié)出的半經(jīng)驗公式。

2 ?實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.1 ?實驗部分

選用靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)定方法，搭建試驗臺對流量計進行標(biāo)定，靜態(tài)質(zhì)量標(biāo)定裝置主要包括控制終端、水泵、管路、閥門、稱量裝置、水池等。系統(tǒng)示意圖如圖1。

1—水池;2—水泵;3—電磁閥門;4—穩(wěn)壓罐;5—待測流量計;6—稱重罐;7—稱重數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);8—標(biāo)定系統(tǒng)控制終端。

實驗通過控制終端調(diào)整水泵以及電磁閥門的開度，實現(xiàn)測試管路內(nèi)不同流量的轉(zhuǎn)換，水經(jīng)過穩(wěn)壓罐后流經(jīng)待測試的流量計，進入管路末端的稱重罐，與稱重罐相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會計算出運行時間內(nèi)罐內(nèi)質(zhì)量的變化即為此時間內(nèi)流過流量計的流量，最后通過數(shù)據(jù)對流量計的參數(shù)進行修正調(diào)整。

表1是標(biāo)定實驗測得數(shù)據(jù)，圖2是數(shù)據(jù)擬合曲線，擬合結(jié)果表明，在流量計實際運行過程中，其測得壓差與流量呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著壓差增大代表流量也隨之升高且升高速率逐漸變大。

在流量計標(biāo)定完成后，在流量計筒壁安置多個傳感器，利用標(biāo)定系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量，通過傳感器檢測不同流量下，流量計內(nèi)部的流速壓力情況。表2為實驗中檢測的壓力分布情況。進行壓力測試后，在相同位置替換為流速傳感器，檢測與表2中相同的各種流量下流量計內(nèi)部流速的變化情況，檢測結(jié)果為表3。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制折線圖3與圖4，在不同流量工況下，流量計內(nèi)部壓力的變化趨勢相同。

圖3表明，流量計內(nèi)部壓力經(jīng)過節(jié)流孔在孔末端出現(xiàn)驟降，且流量愈大降幅越大，當(dāng)流量為152.11 m3/h時壓力在節(jié)流孔末端降至負壓，而后壓力延中軸線緩慢回升。

圖4表明流經(jīng)節(jié)流孔后，流速會急劇增大，且流量越大流速增量也就越大。

3 ?實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式誤差對比

流量計的流出系數(shù)通過兩方面進行求解，將實驗數(shù)據(jù)帶入計算公式求解可以得到實際情況下流量計的流出系數(shù)C0，根據(jù)流量計的尺寸參數(shù)帶入ISO（6）求解理論流出系數(shù)C，實驗與理論公式的計算對比結(jié)果如表4。

根據(jù)表4的計算結(jié)果，理論流出系數(shù)C與實驗計算流出系數(shù)C0對比，二者吻合情況較好，相對誤差保持在5%以下，經(jīng)驗公式為大量實驗總結(jié)而成的理論公式，不一定適合每一種孔板式流量計，且理論和實驗的過程中均存在影響因素和實驗誤差，但通過相互對比驗證可以證明實驗的可靠性。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)將流量計入口流速作為參考標(biāo)準(zhǔn)繪制數(shù)理論公式及經(jīng)驗公式求得流出系數(shù)的折線圖如圖5。

根據(jù)圖5可以得到流量計通過的流量對流出系數(shù)的影響，在流量較小時，且在0.19 m3/h到0.95 m3/h區(qū)間內(nèi)，C值隨著流量的增大逐漸增大，而C0則相反，在0.95 m3/h到7.61 m3/h區(qū)間內(nèi)，C與C0均隨著流量增大而增大，在流量大于9.51 m3/h時，二者趨于平緩且沒有較大變化。

4 ?結(jié) 論

通過實驗和理論計算對一種新型孔板式差壓流量計的流出系數(shù)進行研究分析，得到以下幾點結(jié)論：

利用靜態(tài)質(zhì)量法對流量計不同工況進行標(biāo)定，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出了流量計壓差與流量的冪函數(shù)關(guān)系。

在流量計筒體內(nèi)部相同位置分別安裝速度與壓力傳感器，將管路流量從0調(diào)整至160 m3/h，通過數(shù)據(jù)終端選取11個流量點，對流速、壓力數(shù)據(jù)進行采集，并對數(shù)據(jù)進行分析處理。

在流經(jīng)節(jié)流孔時，壓力先驟降108%后緩慢回升;流速先劇增至183%而后逐漸下降。由流量計實際情況的數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)分別計算出相應(yīng)的流出系數(shù)并進行誤差對比，最大誤差達到5%，分析流出系數(shù)的影響因素及變化趨勢。

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