双体均速管流量计的创新优化设计

0 引言

均速管流量计属于差压式流量计，是基于早期皮托管测速原理发展起来的一种新型流量测量元件。以威力巴流量计为典型代表的均速管流量计，以其结构简单、测量精度高、压力损失小、节能效果显著等优点，已被广泛应用于工业现场进行流量测量。但传统的均速管流量计输出压差小、其测量结果易受被测流体扰动的影响。同时，传统均速管流量计在被测流体流速较低时其流量系数不稳定，因而在测量低流速工况时其应用受到制约。

为了在保持永久压损低的前提下，提高均速管流量计的有效输出压差，从流动控制的角度出发，将均速管流量计与文丘里管的特点相结合，创新设计了几种双体均速管流量计。通过CFD数值模拟，对不同双体模型的流量系数及永久压力损失进行研究分析，从而确定出一种新型的、高精度、宽量程比的双体均速管流量计。

1 均速管流量计的测量原理

均速管流量计的基本结构如图1所示，它主要由5个部分组成：检测杆、总压孔、静压孔、总压管、静压管。将均速管流量计检测杆插入管道中，当流体流过检测杆时，在其前部产生一个高压分布区即总压，在其两侧后部产生一个低压分布区，高、低压区的流体通过总压孔和静压孔进入到总压腔和静压腔，压力在腔体内平均之后，分别由总压管及静压管引出，总压与静压之差反映了流体平均速度，以此可以推算出流体的流量。

图1 均速管流量计基本结构

由均速管流量计工作原理可知，均速管是通过平均总压与平均静压之差来求得流量的，可用伯努利方程计算。设均速管检测杆迎流速度为V₁（m/s），压力为P₁（Pa），检测杆背部的流速为V₂（m/s），背部压力为P₂（Pa），若忽略摩阻、流体高度差等因素，则根据伯努利方程可得：

    （1）

其中：ρ为流体密度（kg/m³）。

显然，检测杆迎流速度V₁=0，而且实际计算值与理论值之间存在一定的差异，可用流量系数K来表示，则管道中流体的实际体积流量为：

    （2）

其中：A为管道横截面积（m²），ΔP为总压与静压之差（Pa）。

流量系数是均速管流量计的关键系数，应通过实际校验来确定其大小。由于流量系数K为常数，所以只要测出ΔP，就能通过计算得到实际的流量值。由式（2）可知，在相同外部条件下，检测杆的流量系数与其输出压差的平方根是成反比的，即流量系数的减小意味着流量计的输出压差增加。因此测量特性良好的均速管流量计，在相应的测量范围内，应具有取值较小且稳定的流量系数。

2 双体均速管流量计的优化设计

2.1 双体均速管流量计模型

该文设计了3种双体均速管流量计，如图2所示。模型一的检测杆单体形状类似于椭圆，两检测杆单体之间的区域与文丘里管相近，流体流过双体检测杆之间时，依次通过上游收缩段，平直喉道，扩张段。模型二的检测杆单体形状与威力巴流量计的检测杆相似，两检测杆之间的间隙构成文丘里管，收缩段及扩张段的角度、平直喉部的长度、检测杆之间的距离均是按标准文丘里管设计的。模型三是在模型二的基础上加以改进得到的，检测杆单体之间的间隙按标准文丘里管设计。

图2 威力巴原型及双体模型截面形状

两检测杆之间形成的空间与文丘里管具有相同的特点，流体流过两检测杆中间时速度加快，动压增加而静压下降，从而通过两检测杆之间的相互作用可以产生更大的输出压差。其测量原理与普通均速管流量计相同，测量多点平均总压和平均静压，通过总、静压差进行流量的计算。

2.2 双体均速管流量计的数值模拟

该文采用大涡模拟方法，计算域如图3所示，为保证管道内流动能充分发展，检测杆上游计算域长度L₁=35D，管道直径D=300mm。

图3 数值模拟计算域

计算采用的网格如图4所示，该网格为分块非结构化网格，对测量杆周围的网格进行加密如图5所示。测量杆下游的流动比上游复杂，所以其下游的网格比上游的网格要密。计算采用的湍流模型为k－ωSST，入口条件为velocity－inlet，出口条件为pressure－outlet，利用SIMPLE算法进行计算。模型二、三采用的网格类型、网格密度、湍流模型及计算方法均与模型一相同。

图4 计算采用的网格

图5 检测杆周围的网格

2.3 数值计算结果的分析

与威力巴原型相比，新型双体均速管流量计的流量系数以及永久压损随速度的变化如图6所示。

图6 3种模型的数值模拟结果与原型比较

由图6可以看出，3种新型的双体模型与威力巴原型相比较，稳定流量系数均有较大降低。虽然由双体模型引起的永久压损有所增加，但增幅不大，从测量可靠性的角度来分析，所付出的压力损失在实际工程应用中是完全可以接受的。

表1列出了3种双体模型与威力巴原型的各参数对比，显然，模型三引起的流量系数变化最大，其流量系数相较于威力巴原型减小的幅度可达15.6%，即模型三引起的输出压差相较于威力巴原型增加25.9%，其可测的流速范围v=0.5～30m/s，也比威力巴原型有了较大的提高。另外，流量系数的相对偏差并没有过多增加，所以选取模型三为最优模型，其稳定流量系数为K=0.647，测量精度在±2.32%以内。

表1 3种双体模型与威力巴原型各参数的对比

3 结论

该文将均速管流量计与文丘里管特性相结合，创新设计了双体均速管流量计模型。通过数值模拟对不同模型的流量系数及永久压损进行研究，从中选取最优模型。由计算结果可以看出，该双体均速管流量计是能够增加输出压差及流量测量范围的，而且由其所引起的永久压损相较于威力巴原型也没有过多增加。该研究为以后双体均速管流量计的优化设计提供了可靠的几何依据。