上游组合管件对内锥流量计性能的影响

引言

内锥流量计在20世纪80年代由美国McCrometer公司研制并推向市场。由于其在测量性能上的诸多优势而被广泛应用和研究。安装条件对内锥流量计的性能影响也被国内外学者广泛关注。同样作为差压式流量计，科研部门和科研工作者对其与其他差压流量计在不同工况下的测量性能做了大量研究工作，并普遍认为内锥流量计具有较强的抗扰动性能，对前后直管段的要求也比标准差压式流量计低。McCrometer公司也对不同差压式流量计做了大量比较工作，并认为内锥流量计在多方面性能优于其他节流式流量计。

目前，国内对内锥流量计的技术指标乃至安装条件要求多直接采用美国McCrometer公司产品说明书。由于内锥流量计标准化过程尚需时日，不同安装条件对流出系数的影响亟待补充。国内关于内锥流量计安装条件影响的实验研究相对较少。本文通过仿真实验，研究在100，92mm口径管道上内锥流量计的适配性问题。通过在100mm口径管道上对直径比为0.65的内锥流量计进行以常压气体为流动介质的实流实验，以流出系数平均相对误差、线性度和不确定度为评价指标，开展上游组合管件对内锥流量计性能影响的研究。给出不同上游组合管件情况下，前直管段长度建议。结合仿真实验，分析孔板和内锥节流区后部流场的区别。

1 管道适配性仿真研究

本文选用McCrometer公司生产的内锥流量计作为实验流量计。由于该公司生产的内锥流量计内部尺寸采用美国标准，各型号内径均不等于100mm。根据内锥流量计前后端面几何尺寸情况，最终选用内径为4in（1in=2.54cm）的L悬臂型内锥流量计，直径比β为0.6465，内径为92.5576mm，前锥角为53°，后锥角为127°。结构图如图1所示，包括法兰、测量管、差压变送器、压力传感器和锥体。由于管道直径与内锥流量计的直径偏差仅为8%，且流量计上游端面与上游取压孔平面有101.6mm距离，所以，认为对测量性能的主要影响因素是不同管件对流场的影响，而直径偏差的影响可忽略不计。

图1 内锥流量计结构

首先通过仿真实验研究内锥流量计的管道适配性。对前直管段长度为50D，后直管段长度为3D的三维模型进行仿真。使用Gambit建立内锥流量计三维实体模型并划分网格，使用Fluent对流场求解。分别对直管段直径为92，100mm两种流场情况进行仿真实验。内锥流量计部分内径为92mm。

Fluent数值模拟采用k-epsilon-Standard湍流模型和标准壁面函数，离散方程组的压力速度耦合选择SIMPLE算法，动量、湍流动能、湍流耗散率均用二阶迎风差分格式。介质使用空气，密度ρ气=1.1614kg/m3，动力粘度μ气= 1.845×10-5kg/（m·s），运动粘度ν气=1.589×10-5m2/s。从图2可以看出：在内径为92mm的管道中，内锥流量计的流出系数较在100mm管道中偏小，最大相对误差仅为0.4%，且除最低雷诺数的仿真结果外，其他误差均不大于0.15%。因此，可以认为内径92mm的内锥流量计在内径为100mm的管道中是适用的。

图2 相对误差

2 实验设计
2.1 实验装置

实验在天津大学过程检测和控制实验室的高精度常压气流量实验装置上完成。采用标准表法标定内锥流量计。标准表为涡轮流量计，为整个实验提供准确流量值。可测流量范围25～1400为m3/h，精度为0.5%，重复性为0.06%。管道为水平方向。选用D=100mm口径的实验管道。图3为实验装置示意。通过变频器调节风机转速，从管道入口出抽取空气作为实验流动介质，为实验提供稳定的气流。差压变送器采用2只横河EJA110A，精度为0.075%，量程分别为0～1，0～10kPa。选用研华PCI—1780采集卡采集标准表频率信号，选用研华PCI—1716的16位A/D信号采集卡采集压力与温度信号。计算机用于实现对标准表、差压变送器和温度传感器输出信号的实时处理。

图3 实验装置

2.2 实验方案设计

管道直径100mm，定义为1D。标准中默认的弯头为90°弯头，曲率半径150mm。本实验中弯头符合GB/T12459—2005标准，同样为DN100长半径90°弯头，曲率半径为150mm，法兰焊接形式为对焊。表1给出实验方案设计（DN100，实验介质：常温常压气体），对应不同前置管段和不同管件组合。其中，“○”表示实验用直管段长度。符号“D”表示管道内径。如5D表示内锥流量计活孔板上游端面距离管件法兰端面的长度为5D。

以基准实验作为参考基准。基准实验前直管段长50D，后直管段长3D，管道内流体流动为充分发展的湍流状态。前期大量文献表明，前直管段长度达到50D时，可以认为流场已经充分发展。同时，后直管段达到3D，不会影响内锥流量计流出系数。所有实验管件上游直管段长10D。

表1 实验方案设计

3 实流实验结果

3.1 基准实验

内锥流量计基准实验结果如图4所示。从基准实验结果可以看出：流出系数C基本稳定在0.93～0.95之间。