上游组合管件对内锥流量计性能的影响

图4 基准实验结果

3.2 管件实验

90°弯头是一种比较简单的管件，它只改变流动方向，对流场不产生收缩作用。但流动介质流过单弯头以后，在管道横截面上形成2个对称的涡流，如图5所示。这样的涡流对流场影响非常剧烈，需要很长前直管段的充分发展才能将该影响消除。所以，单弯头对前直管段的长度要求相对较高。

图5 90°弯头后的双涡流

当工业现场空间狭小时，需要将球阀、90°弯头和渐缩管组合使用。这时就需要考虑管件的综合影响。由于渐缩管对流场影响并不大，对流出系数影响的主要因素是90°弯头，因此，在比较流出系数随前直管段变化时，90°弯头对流场的影响起决定作用。首先单独对90°弯头和渐缩管进行实验，最后对90°弯头和渐缩管组合进行实验。

各管件实验流出系数与基准实验流出系数的相对误差如图6所示。从图中可以看出：各组合管件对流出系数的影响均不大。最大相对误差不超过0.6%。说明内锥流量计具有很好的抗流场扰动性能。从图中可以看出：2种管件组合使相对误差随前直管段的减小而单调增大，但在全孔球阀+渐缩管的结果中，相对误差在前直管段长度小于3D后出现随前直管段长度的减小而减小的趋势。该现象在仿真实验中同样存在。以全孔球阀+90°弯头的仿真实验结果为例，如图7所示，从图中可以看出：在前直管段长度为4D附近，相对误差随前直管段长度减小而减小的趋势发生变化。在前直管段长度小于4D后，相对误差随前直管段长度的减小而增大。出现这种情况，是因为单弯头后部流场复杂，除了在弯头方向上出现流场偏移外，管道中还存在二次涡流。而流场中锥体对流动介质的挤压效果，会因其自身特殊的的几何形状，而受流场中轴向涡流的影响。同时环状流动区域内部流场情况复杂，导致其对后取压孔的取压影响并不像其他节流式流量计一样存在单调变化的规律。

从图8的不确定度和图9的线性度曲线中可以看出：在各管件组合情况下，不确定度和线性度均没有随前直管段长度的变化而出现明显变化。说明内锥流量计对流场有很好的抗扰动性能。如果以相对误差不大于0.5%为筛选指标，则对上述5种管件，除全孔球阀+同平面双90°弯头在前直管段长度为3D一种情况下，其他各工况均满足此选择指标。可以认为当内锥流量计前直管段长度大于1D时，可以基本满足测量误差要求。

4 仿真实验

从实流实验结果可以看出：内锥流量计的在特殊工况中的测量性能远优于传统的孔板流量计。为更直观地比较这2种节流式流量计对流场的影响，进行仿真实验。仿真实验中，管件为单弯头，前直管段长度为5D。使用Gambit建立三维实体模型并划分网格，使用Fluent对流场求解。

孔板和内锥的直径比均为0.65。图10为流体流经单弯头和节流区后的流场速度云图。从图中可以看出：流体流经孔板后有明显的偏移，这样的偏移和流场内部形成的二次涡运动是影响差压式流量计测量性能的主要原因。相同的偏移趋势在内锥流场中同样存在。从图中可以看出：当流体到达内锥前缘时有明显偏移，偏移方向与流经孔板后的偏移方向相同。但由于锥体对流体向管壁的挤压作用，节流区后部的流场偏移已基本消失。正是这样的挤压收缩作用，为后取压孔正确采集压力信号提供了保证。

5 结论

针对直径比为0.65的内锥流量计，通过仿真实验，认为内径为92mm的内锥流量计在内径为100mm的管道中是适用的。

通过对5种不同管件在不同前直管段情况下，在常压气装置上进行实流实验，对雷诺数范围在24000～216000范围内的流出系数进行研究，认为内锥流量计对流场具有很好的抗扰性能。对不同管件实验数据进行比较分析，认为在组合管件中，除一种管件组合的一种前直管段长度外，其他相对误差均满足不大于0.5%的要求。可以认为内锥流量计前直管段长度大于1D后，对多种组合管件均可满足测量误差要求。

通过分别对内锥和标准孔板进行仿真实验，认为在相同管件情况下，管道内锥体对流场向壁面挤压所形成的整流效果优于孔板对流场向轴线收缩所形成的整流效果。(end)