MQL-8201型碳平衡油耗儀所用流量計(jì)的適用性分析

林國慶 韓龍飛 王睿希 逯超 劉俊超

摘 要：分析了MQL-8201型碳平衡油耗儀所用V錐流量計(jì)的測量原理。利用仿真方法，依據(jù)V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，建立了該流量計(jì)的幾何模型。仿真結(jié)果表明，氣體流動在到達(dá)V錐流量計(jì)前已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，壓力和速度分布趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：碳平衡法;碳平衡油耗儀;流量計(jì)

Abstract： The measuring principle of V-cone flow meter used in MQL-8201 carbon balance fuel consumption meter is analyzed. The geometric model of the V-cone flow meter was established by simulation method based on the structure size. The simulation results show that the gas flow has reached a steady state before reaching the V-cone flow meter and the pressure and velocity distribution have stabilized.

前言

以MQL-8201的碳平衡油耗儀為研究對象，該油耗儀主要由流量測量單元，氣體濃度單元和標(biāo)定單元所組成，可用于車輛汽柴油和天然氣消耗量的檢測[1-2]。

1 V錐流量計(jì)的測量原理

MQL-8201型碳平衡油耗儀選用V錐流量計(jì)測量氣體流量，V錐流量計(jì)是壓差式流量計(jì)的一種，其測量原理是基于流動連續(xù)性原理和伯努利方程，當(dāng)車輛排氣及空氣的混合氣流經(jīng)流量計(jì)內(nèi)部時，在標(biāo)準(zhǔn)孔板的前后變產(chǎn)生壓差，介質(zhì)流動的流量越大，壓差就越大，然后通過測量這種壓差來測量流體流量的大小[3]。內(nèi)部流場為管狀。氣體濃度單元模塊，傳感器單元采用的檢測方法是高精度的非分光紅外線法，其測量的原理是根據(jù)所測氣體成分的濃度的大小與其吸收特定波長的紅外線輻射能的能力成比例關(guān)系。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

V錐流量計(jì)由V形錐體和相應(yīng)的取壓孔組成。V錐體同軸安裝在測量管中，其頂尖面對著來流，并且與尾隨面形成一個小的銳角，從而保證流體在進(jìn)入下游的低壓區(qū)之前有一個平滑的過渡區(qū)，流體平滑地收縮至測量管中心軸線附近。與一個突然改變流體流動方向的節(jié)流件有所不同，這種節(jié)流方式實(shí)現(xiàn)了流體可以逐漸的朝著測量管內(nèi)壁的收縮節(jié)流。測壓管是預(yù)先進(jìn)行精密加工的，流體在流經(jīng)V錐體時，流速將增大，依照能量守恒定律，靜壓在流速增大的區(qū)域必然會降低一個相應(yīng)的值，從而在節(jié)流件的前后產(chǎn)生差壓△P，產(chǎn)生的壓差和流量存在函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而測量出流量。

根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程，可以推導(dǎo)出流量表達(dá)式為：

式中：

Q——質(zhì)量流量，kg/h;

C——流出系數(shù);

β——等效直徑比，其值為 ，其中，D為管道內(nèi)徑，d為錐體最大截面直徑;

△P——差壓，Pa;

ρ——被測介質(zhì)密度，kg/m3;

ε——流束可膨脹系數(shù)，對不可壓縮流體，ε取值為1，若流體可以壓縮，根據(jù)其介質(zhì)的等熵指數(shù)，可以確定出ε值來。

2 V錐流量計(jì)的仿真分析

2.1 仿真計(jì)算的網(wǎng)格劃分和設(shè)置

依據(jù)碳平衡儀采用的V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，建立的幾何模型如圖2所示。在Gambit中對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為963471。在FLUENT中選用RNG k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，該模型經(jīng)物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有較好的預(yù)測性。在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。仿真以空氣為介質(zhì)，入口條件設(shè)為速度入口（Velocity Inlet），常溫25℃;出口條件設(shè)為壓力出口（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325 Pa）;錐體和管壁設(shè)為wall。求解算法為SIMPLEC，離散格式為二階格式。

2.2 結(jié)果分析

本次仿真分別在入口流量為4m3/min、15m3/min、25m3/min三種流量下（流速分別為5.898 m/s、22.12 m/s、36.86 m/s）進(jìn)行仿真，這三種流量分別為風(fēng)機(jī)的最大、最小和測量時的常用流量，仿真得到的壓力分布如圖3所示。

從壓力分布圖可以看出，這三種工況下流體在到達(dá)V錐流量計(jì)測壓孔的前端時，壓力分布穩(wěn)定，無波動，表明該流動已經(jīng)達(dá)到充分發(fā)展階段，流動已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定，證明該流量計(jì)安裝的位置合理，不會因?yàn)榱鲃拥牟环€(wěn)定導(dǎo)致壓力測量的不準(zhǔn)確。在緊鄰錐體尾部后端的一定區(qū)域里出現(xiàn)了低靜壓區(qū)，而這個低靜壓的區(qū)域與漩渦分離的區(qū)域位置基本是一致的，在該區(qū)域內(nèi)，靜壓跟流速都比較低。

仿真得到三種工況下的速度矢量圖如圖4所示。可以看出，速度矢量圖顯示與壓力分布圖一致，從速度矢量圖可以清晰的看出流場的分布情況，特別是后兩種工況，可以清晰的看到這兩種工況下，速度分布在到達(dá)V錐流量計(jì)的測壓孔前已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定，速度分布趨于一致，表明該V錐流量計(jì)安裝位置合適，測量結(jié)果可靠。

綜上所述，本碳平衡儀采用V錐流量計(jì)作為流量測試設(shè)備，通過FLUENT對該V錐流量計(jì)的仿真結(jié)果表明，氣體流動在到達(dá)V錐流量計(jì)前已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，壓力和速度分布趨于穩(wěn)定。因此說明該流量計(jì)設(shè)計(jì)合理，測量結(jié)果可靠，完全適用于碳平衡法燃料消耗量測量的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟新育.營運(yùn)車輛碳平衡法燃料消耗檢測技術(shù)及推廣應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017，36（12）：137-140.

[2] 林國慶，朱建濤，馬深圳，等.碳平衡法對于單燃料天然氣汽車燃?xì)庀牧繖z測的適用性分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（12）：136-137.

[3] 劉軍，謝文磊，高建立，等.測量排氣流量的內(nèi)錐流量計(jì)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40（7）：29-34.