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弯管流量计的研究和应用


李志 张金锋 周振江 王晓禹 宋建华 薛贵军 李少锋 朱荣钱 陈瑞莲
河北理工学院智能仪器厂

摘要

本文较系统的介绍了重点国家级火炬计划项目"ZLRJ智能弯管流量计"(现已由技术监督局统一为ZWL型智能弯管流量计)的理论研究和实验研究的内容,重点围绕主体实验研究的内容展开。而对于变弯径比等非主体研究的内容仅在相关部分略有提及。理论研究突出阐明了弯管流量计类似一种整流装置,主流动和压力差具有严格对应性。文中也给出了二次流影响的形式和程度。而系统的实验研究内容则给出了弯管流量计可以达到1.0级测量准确度的规模化生产条件。在特别提出了流量系数随管径变化问题的同时,也给出了在低粘度介质中不随流速及雷诺数变化的结果。

关键词:理智系列弯管流量计;主体实验研究;整流装置;主流动;流量系数是管径的函数。

前  言

   弯管流量计作为一种计量产品的研究始于1911年7月,美国Jacobs和Sooy在美国<<动力与气体>>杂志上发表了第一篇关于弯管流量计的研究报告"利用管道弯管进行水流量测量的新方法",距今已经有90多年了。我国的研究工作若从史桦工程师在1981年5月发表的论文"弯管流量计的流量计算"计起,距今也已有20余年。我们河北理工学院对该课题的研究工作是从1988年开始的。经过15年的持续研究,取得了突破性的进展和可喜的成果。测量介质也已经从最初的水介质弯管流量计和蒸汽介质弯管流量计发展到了用于测量空气、乙炔、氧气、煤气、氮气及液氨、煤油、柴油、机油和传热油等10余种工业介质的流量计量,有效的支持了我国工业计量工作的技术进步,目前该项目为重点国家级火炬计划项目。
   弯管流量计的90年研究历史是世界上许多科学工作者付出巨大努力,不懈追求的奋斗史。研究工作涉及了多方面内容,最终形成了弯管流量计的自由旋流理论和强制旋流理论两个公认的经典理论体系。由于它们均未能包含二次流、涡旋等内容,因此,在弯管流量计研究的历史上,这两个基本理论,留给了人们联想的空间,但它们对以后的研究确实起到了原则指导作用。大量的、细致的研究工作定位到实验研究。实验研究工作的核心内容是围绕流量系数的结构和最终取值问题展开的,但是由于当时设备条件的限制,对弯管流量计进行系统的高精度实验研究实际上是不可能的。故实验研究尽管得出了对于每一台流量计经过单独标定可以获得很高的测量准确度,并且具有长期使用性能稳定、重复性很好的正确结论,甚至已经应用于生产过程流量检测。但是对于不同的流量计其实验得出的流量系数则难以统一,具有较大的离散性。难于解释。这些研究结果,实质上限定了弯管流量计仅可以单台实流标定方可达到高精度的使用要求。而试图通过几何检定(象孔板流量计那样)进行大规模工业推广应用则只能是低精度使用。弯管流量计走到了需要深入研究的发展阶段。
   前人的研究成果对我们的研究工作具有重要的参考和指导作用,而现代科学技术的全面发展则为我们的研究工作构筑了全新的科学研究平台,特别是现代数控加工技术和精密铸造技术的高度发展,使我们可以容易的批量生产出几何尺寸近乎完全相同的弯管传感器(已申报专利),这是前人无法办到的;我们也得益于二十世纪八十年代以后才发展起来的高精度微差压测量技术,使得本质上就属于小差压工作原理的弯管流量计的差压测量难题得到了顺利解决;当然我们还得益于现代计算机技术和现代计算流体力学技术的高度发展,使得我们不仅可以成功的完成那些难于展开的理论研究工作,而且也成功地解决了对需要多参数动态测量和实时计算补偿的在线快速计算难题。可以说,由于以上四项技术进步条件的支持,才使我们的研究工作少走了很多弯路,并取得了突破。

一、 弯管流量计的基本理论研究

  
经典的弯管流量计理论以自由旋流理论和强制旋流理论为代表,这两个理论体系从不同角度入手,均描述了弯管流量计的特征参数:弯管中心线曲率半径R和弯管内径D,流体密度ρ,以及流体平均流速 和流过弯管时产生的内外侧压力差ΔP(外侧为高压侧,内侧为低压侧)这五个物理量之间的关系。其数学表达式分别为:
自由旋流理论公式:
(1)
强制旋流理论公式:
(2)
   其中自由旋流理论认为流体流过弯管时其流速分布模型为图一的梯型流速分布结构,而强制旋流理论则设定其梯型流速分布结构如图二所示。

   为了较好的描述流体流过弯管流量计的全过程,深入研究其性能,本文给出了应用计算流体力学方法直接求解以三维欧拉方程表达的流动过程的数值解,以期揭示弯管流量计的基本理论原理。
三维欧拉方程:

其中,

补充方程


由于采用有限体积法计算,因此给出其积分形式,为:

密度通量张量

其空间离散格式为:

   由于大量实验证明弯管流量计对于前后直管段的要求较低,因此,本文选择了前后直管段均为10倍管径(10D)长度的弯管流量计模型。(见图三)


图三 有限体积弯管网格划分(32×72×105)

   图中网格划分方式为沿管道轴向直管段划分为前后直管段均为30个横截面,90度弯管部分为每2°一个截面,共45个横截面,总计105个横截面。管内各截面网格由32个同心圆和72个等分角剖面划分,总计划分的有限体积为241920个。
   通过计算机直接求解,其计算结果与实验结果能较好的吻合。由直接计算欧拉方程的数值解进行动画仿真可见:
   1.流过弯管流体的主流动速度向量约在弯管进口侧2D之内逐渐由等速流动状态转变成了近似的速度梯形分布流动状态,靠向弯管内侧的流体被加速,而靠向弯管外侧的流体被减速,这个近似的梯形流速分布的流动状态在流体进入弯管时已基本达到了稳定阶段,而在弯管中点45°横截面附近,该速度分布型式达到了极限状态。(内侧流速达到最大值,而外侧流速达到最小值)。
   在弯管出口侧,其主流动速度梯形分布的消失过程基本与入口过程对称,最终消失在弯管后2D直管范围内,然后转入截面各质点等速流动的稳定流动状态(见图四)。与自由旋流理论给出的速度梯形分布的明显区别是由流动在弯管外侧的小流速向弯管内侧的高流速的过渡是以近似指数生长方式进行的。


   2.对应上述流体流过弯管的主流动,弯管流量计的压力分布也基本是以弯管45°截面为中心对称分布的。见图五
   3.二次流是存在的,但其主要影响是在弯管流量计进、出口截面附近,但进口与出口的流体质点速度向量具有指向相反方向的性质,在进口侧指向内侧,在出口侧则指向外侧。在45°截面的前后截面,其速度向量发生转向,因此,在45°截面附近二次流的影响降为接近于零的最小值。(数字分析表明该值小于主流动向量的千分之五)
   4.由上述应用欧拉方程进行的理论计算分析表明,弯管流量计的组成除了90°弯管主体,还应包括至少前后两倍直管段。并且弯管流量计可近似看作是一种整流装置。任何流体在进入弯管后都将被整定成以上述1所描述的主流动为主的流动过程,这也从理论上解释了弯管流量计对前后直管段长度要求较低的原因。
   5.深入的理论研究计算表明,平均流速 与45°截面差压ΔP的对应关系符合平方比例关系。
   6.对弯管流量计弯径比的影响进行理论计算还表明,流量系数随着弯径比的增大而增大,这与某些文献中传统的提法是不同的。

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