上游組合管件對內(nèi)錐流量計性能的影響
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內(nèi)錐流量計在20世紀(jì)80年代由美國McCrometer公司研制并推向市場。由于其在測量性能上的諸多優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用和研究。安裝條件對內(nèi)錐流量計的性能影響也被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。同樣作為差壓式流量計，科研部門和科研工作者對其與其他差壓流量計在不同工況下的測量性能做了大量研究工作，并普遍認(rèn)為內(nèi)錐流量計具有較強(qiáng)的抗擾動性能，對前后直管段的要求也比標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計低。McCrometer公司也對不同差壓式流量計做了大量比較工作，并認(rèn)為內(nèi)錐流量計在多方面性能優(yōu)于其他節(jié)流式流量計。
目前，國內(nèi)對內(nèi)錐流量計的技術(shù)指標(biāo)乃至安裝條件要求多直接采用美國McCrometer公司產(chǎn)品說明書。由于內(nèi)錐流量計標(biāo)準(zhǔn)化過程尚需時日，不同安裝條件對流出系數(shù)的影響亟待補(bǔ)充。國內(nèi)關(guān)于內(nèi)錐流量計安裝條件影響的實(shí)驗研究相對較少。本文通過仿真實(shí)驗，研究在100，92mm口徑管道上內(nèi)錐流量計的適配性問題。通過在100mm口徑管道上對直徑比為0.65的內(nèi)錐流量計進(jìn)行以常壓氣體為流動介質(zhì)的實(shí)流實(shí)驗，以流出系數(shù)平均相對誤差、線性度和不確定度為評價指標(biāo)，開展上游組合管件對內(nèi)錐流量計性能影響的研究。給出不同上游組合管件情況下，前直管段長度建議。結(jié)合仿真實(shí)驗，分析孔板和內(nèi)錐節(jié)流區(qū)后部流場的區(qū)別。
1 管道適配性仿真研究
本文選用McCrometer公司生產(chǎn)的內(nèi)錐流量計作為實(shí)驗流量計。由于該公司生產(chǎn)的內(nèi)錐流量計內(nèi)部尺寸采用美國標(biāo)準(zhǔn)，各型號內(nèi)徑均不等于100mm。根據(jù)內(nèi)錐流量計前后端面幾何尺寸情況，最終選用內(nèi)徑為4in（1in=2.54cm）的L懸臂型內(nèi)錐流量計，直徑比β為0.6465，內(nèi)徑為92.5576mm，前錐角為53°，后錐角為127°。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括法蘭、測量管、差壓變送器、壓力傳感器和錐體。由于管道直徑與內(nèi)錐流量計的直徑偏差僅為8%，且流量計上游端面與上游取壓孔平面有101.6mm距離，所以，認(rèn)為對測量性能的主要影響因素是不同管件對流場的影響，而直徑偏差的影響可忽略不計。
圖1 內(nèi)錐流量計結(jié)構(gòu)
Fluent數(shù)值模擬采用k-epsilon-Standard湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，離散方程組的壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，動量、湍流動能、湍流耗散率均用二階迎風(fēng)差分格式。介質(zhì)使用空氣，密度ρ氣=1.1614kg/m3，動力粘度μ氣= 1.845×10-5kg/（m·s），運(yùn)動粘度ν氣=1.589×10-5m2/s。從圖2可以看出：在內(nèi)徑為92mm的管道中，內(nèi)錐流量計的流出系數(shù)較在100mm管道中偏小，最大相對誤差僅為0.4%，且除最低雷諾數(shù)的仿真結(jié)果外，其他誤差均不大于0.15%。因此，可以認(rèn)為內(nèi)徑92mm的內(nèi)錐流量計在內(nèi)徑為100mm的管道中是適用的。
圖2 相對誤差
2.1 實(shí)驗裝置
實(shí)驗在天津大學(xué)過程檢測和控制實(shí)驗室的高精度常壓氣流量實(shí)驗裝置上完成。采用標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定內(nèi)錐流量計。標(biāo)準(zhǔn)表為渦輪流量計，為整個實(shí)驗提供準(zhǔn)確流量值。可測流量范圍25～1400為m3/h，精度為0.5%，重復(fù)性為0.06%。管道為水平方向。選用D=100mm口徑的實(shí)驗管道。圖3為實(shí)驗裝置示意。通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從管道入口出抽取空氣作為實(shí)驗流動介質(zhì)，為實(shí)驗提供穩(wěn)定的氣流。差壓變送器采用2只橫河EJA110A，精度為0.075%，量程分別為0～1，0～10kPa。選用研華PCI—1780采集卡采集標(biāo)準(zhǔn)表頻率信號，選用研華PCI—1716的16位A/D信號采集卡采集壓力與溫度信號。計算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)表、差壓變送器和溫度傳感器輸出信號的實(shí)時處理。
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