王 燦 陳 超 任學(xué)弟 張進(jìn)明 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置因其結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、量程范圍廣、準(zhǔn)確度等級高等特點，已經(jīng)成為實驗室最常用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。標(biāo)準(zhǔn)流量計（以下稱標(biāo)準(zhǔn)表）一般選用臨界流流量計、渦輪流量計、渦街流量計及容積式流量計等類型。通常，裝置的管路布局需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表類型及實驗室空間進(jìn)行設(shè)計，管路流場分析有利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升性能。

1 工作原理與基本結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是根據(jù)流體連續(xù)性原理，通過串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)表與被檢流量計（以下稱被檢表），采用比較法實現(xiàn)檢測過程。圖1為標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖。

本裝置使用負(fù)壓法，由三臺風(fēng)機抽氣帶動空氣流動?？諝馔ㄟ^管道流過被檢表、標(biāo)準(zhǔn)表，最終通過風(fēng)機排空。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)表的安裝多采用并聯(lián)平鋪的方式。但本裝置由于實驗室場地限制，無法提供平鋪所需的空間，故采用了并聯(lián)豎排結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)表分成兩組豎排并聯(lián)，其中4臺DN150口徑渦輪流量計并聯(lián)連接至被檢表大口徑臺位（DN150～DN300），標(biāo)準(zhǔn)表由上至下編號為 1#～4#；DN50口徑腰輪流量計、DN100口徑腰輪流量計及DN150口徑渦輪流量計各1臺并聯(lián)連接至被檢表小口徑臺位（DN15～DN150），標(biāo)準(zhǔn)表由上至下編號為5#～7#。兩個臺位控制系統(tǒng)相互獨立，可同時進(jìn)行檢測。臺位間裝有連接管路及閥門，打開臺位間閥門，也可實現(xiàn)7臺標(biāo)準(zhǔn)表同時并聯(lián)。圖2為標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)場。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)場

2 數(shù)值模擬與流場分析

從圖2 可以看到，標(biāo)準(zhǔn)表等間距并聯(lián)，由管路連接至前后匯流管?？紤]到被檢臺位水平高度應(yīng)易于夾表操作，故設(shè)計被檢管路在匯流管處的開口時，將其置于偏下方位置。被檢表大口徑臺位開口處于3#和4#標(biāo)準(zhǔn)表之間，被檢表小口徑臺位開口處于6#和7#標(biāo)準(zhǔn)表之間。這與一般平鋪并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)表裝置不同，平鋪能夠滿足管路均勻?qū)ΨQ布局，使得標(biāo)準(zhǔn)表流量分配較為平均。因此，本文將通過數(shù)值模擬與流場分析得出該管路布局下的流量分配。

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，以下簡稱CFD）是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值模擬工具，用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD計算相對于實驗研究，具有成本低、速度快、可模擬難以實際測試的狀態(tài)等優(yōu)點。本文通過前處理軟件ANSA建立三維計算模型，并生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。然后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)定出口壓力及進(jìn)口流量邊界條件進(jìn)行求解。

為便于計算，對模型進(jìn)行了以下簡化：

（1）由于管內(nèi)氣體為低速流動（一般認(rèn)為馬赫數(shù)0.3以下為低速），故氣體為不可壓縮流動，不考慮溫差引起的浮力效應(yīng)，連續(xù)方程與動量方程便可構(gòu)成封閉方程組；

（2）流場是穩(wěn)態(tài)的，在所有的微分方程中，可忽略時間項的影響；

（3）管內(nèi)氣體在管內(nèi)壁面上無滑移；

（4）氣體物性參數(shù)為常數(shù)；

（5）忽略流量計及閥門等阻力件。

圖3～圖5為三種不同進(jìn)口流量下的管路流速分布。由于裝置整體尺寸較大，流速分布圖僅截取標(biāo)準(zhǔn)表前直管段和匯流管之間部分。該部分管路流速分布決定了流量的分配。

圖3 大口徑臺位管路流速分布

表1 圖3中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量數(shù)值

圖3是進(jìn)口流量為4 000.5 m3/h時大口徑臺位管路流速分布圖，表1是對應(yīng)的流量數(shù)值表。由于標(biāo)準(zhǔn)表管路口徑相同，如果流量平均分配，各標(biāo)準(zhǔn)表管路的流量應(yīng)在1 000.1 m3/h左右。從表1可知，流量并未平均分配。由于進(jìn)出口效應(yīng)的影響，3#標(biāo)準(zhǔn)表管路流量與平均值的偏差大于其他標(biāo)準(zhǔn)表管路。從圖3中也能夠看出，3#標(biāo)準(zhǔn)表管路入口處速度梯度較大。因此，在選擇使用標(biāo)準(zhǔn)表時，應(yīng)優(yōu)先選擇進(jìn)出口效應(yīng)較低的標(biāo)準(zhǔn)表，減少進(jìn)出口效應(yīng)帶來的流場影響。同時，還可以看出表1中的偏差值均在±5%以內(nèi)，滿足日常檢測工作中，對流量點調(diào)節(jié)范圍的要求。流量分配的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖4 小口徑臺位管路流速分布

表2 圖4中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量數(shù)值

圖4是進(jìn)口流量為2 000.0 m3/h時小口徑臺位管路流速分布圖，表2是對應(yīng)的流量數(shù)值表。由于標(biāo)準(zhǔn)表管路口徑不同，因此流量分配必然受管路口徑影響。標(biāo)準(zhǔn)表的最大流量分別為：1 600 m3/h（7#）、400 m3/h（6#）、100 m3/h（5#）。理論上，將標(biāo)準(zhǔn)表5#、6#、7#并聯(lián)能夠達(dá)到2 100 m3/h的流量，然而由表2的數(shù)據(jù)可知5#、6#、7#三臺標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)使用時，5#和6#均已超過最大流量，因此實際工作中5#和6#不要與大口徑流量計并聯(lián)使用。

圖5 兩個臺位并聯(lián)時管路流速分布

表3 圖5中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量數(shù)值

圖5是進(jìn)口流量為7 002.5 m3/h時兩個臺位并聯(lián)時管路流速分布圖，表3是對應(yīng)的流量數(shù)值。大口徑臺位四個管路流量和為5 564 m3/h，小口徑臺位三個管路流量和為1 438.5 m3/h。流量分配的特點是：首先，大臺位的流量并未在四個管路中平均分配；其次，由于增加了臺位間管路的進(jìn)出口影響，表3中標(biāo)準(zhǔn)表管路流量與平均值的偏差百分比與表1中略有不同，但仍然在±5%內(nèi)，滿足流量點調(diào)節(jié)范圍要求；最后，5#和6#標(biāo)準(zhǔn)表也已超過最大流量，實際工作中不應(yīng)參與并聯(lián)。

檢測流量計時，裝置需根據(jù)被檢流量點大小選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)。結(jié)合以上圖表的分析結(jié)果，能夠得出在本裝置中合理選擇使用標(biāo)準(zhǔn)表的方案：（1）大口徑臺位標(biāo)準(zhǔn)表的選擇順序為1#、2#、4#、3#。（2）小口徑臺位標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)單獨使用，避免并聯(lián)時小口徑標(biāo)準(zhǔn)表流量過載。（3）兩個臺位并聯(lián)時，標(biāo)準(zhǔn)表5#、6#應(yīng)關(guān)閉閥門。

由上可知，該管路布局對流量分配有一定影響，但在合理使用標(biāo)準(zhǔn)表的條件下能夠滿足使用要求。

3 結(jié)語

通過對并聯(lián)豎排結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的管路進(jìn)行流場數(shù)值模擬，分析了該管路布局對流量分配的影響，并得出了合理選擇使用標(biāo)準(zhǔn)表的方案。該裝置在實際運行中得到的數(shù)據(jù)也驗證了合理使用方案是可行的。數(shù)值模擬能表征流場狀態(tài)，對標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的前期設(shè)計及后期使用具有指導(dǎo)和參考意義。

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