标准表法气体流量标准装置的流场分析

2013-09-07任学弟张进明上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2013年4期

王灿陈超任学弟张进明 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

标准表法气体流量标准装置因其结构简单、工作效率高、量程范围广、准确度等级高等特点，已经成为实验室最常用的气体流量标准装置。标准流量计（以下称标准表）一般选用临界流流量计、涡轮流量计、涡街流量计及容积式流量计等类型。通常，装置的管路布局需要根据标准表类型及实验室空间进行设计，管路流场分析有利于优化结构，提升性能。

1 工作原理与基本结构

标准表法气体流量标准装置是根据流体连续性原理，通过串联标准表与被检流量计（以下称被检表），采用比较法实现检测过程。图1为标准表法气体流量标准装置结构图。

本装置使用负压法，由三台风机抽气带动空气流动。空气通过管道流过被检表、标准表，最终通过风机排空。一般来说，标准表的安装多采用并联平铺的方式。但本装置由于实验室场地限制，无法提供平铺所需的空间，故采用了并联竖排结构。标准表分成两组竖排并联，其中4台DN150口径涡轮流量计并联连接至被检表大口径台位（DN150～DN300），标准表由上至下编号为 1#～4#；DN50口径腰轮流量计、DN100口径腰轮流量计及DN150口径涡轮流量计各1台并联连接至被检表小口径台位（DN15～DN150），标准表由上至下编号为5#～7#。两个台位控制系统相互独立，可同时进行检测。台位间装有连接管路及阀门，打开台位间阀门，也可实现7台标准表同时并联。图2为标准表现场。

图1 标准表法气体流量标准装置结构图

图2 标准表现场

2 数值模拟与流场分析

从图2 可以看到，标准表等间距并联，由管路连接至前后汇流管。考虑到被检台位水平高度应易于夹表操作，故设计被检管路在汇流管处的开口时，将其置于偏下方位置。被检表大口径台位开口处于3#和4#标准表之间，被检表小口径台位开口处于6#和7#标准表之间。这与一般平铺并联的标准表装置不同，平铺能够满足管路均匀对称布局，使得标准表流量分配较为平均。因此，本文将通过数值模拟与流场分析得出该管路布局下的流量分配。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，以下简称CFD）是基于计算机技术的一种数值模拟工具，用于求解流体的流动和传热问题。CFD计算相对于实验研究，具有成本低、速度快、可模拟难以实际测试的状态等优点。本文通过前处理软件ANSA建立三维计算模型，并生成非结构化网格。然后，将网格文件导入Fluent软件中，设定出口压力及进口流量边界条件进行求解。

为便于计算，对模型进行了以下简化：

（1）由于管内气体为低速流动（一般认为马赫数0.3以下为低速），故气体为不可压缩流动，不考虑温差引起的浮力效应，连续方程与动量方程便可构成封闭方程组；

（2）流场是稳态的，在所有的微分方程中，可忽略时间项的影响；

（3）管内气体在管内壁面上无滑移；

（4）气体物性参数为常数；

（5）忽略流量计及阀门等阻力件。

图3～图5为三种不同进口流量下的管路流速分布。由于装置整体尺寸较大，流速分布图仅截取标准表前直管段和汇流管之间部分。该部分管路流速分布决定了流量的分配。

图3 大口径台位管路流速分布

表1 图3中标准表管路流量数值

图3是进口流量为4 000.5 m3/h时大口径台位管路流速分布图，表1是对应的流量数值表。由于标准表管路口径相同，如果流量平均分配，各标准表管路的流量应在1 000.1 m3/h左右。从表1可知，流量并未平均分配。由于进出口效应的影响，3#标准表管路流量与平均值的偏差大于其他标准表管路。从图3中也能够看出，3#标准表管路入口处速度梯度较大。因此，在选择使用标准表时，应优先选择进出口效应较低的标准表，减少进出口效应带来的流场影响。同时，还可以看出表1中的偏差值均在±5%以内，满足日常检测工作中，对流量点调节范围的要求。流量分配的影响在可接受范围内。

图4 小口径台位管路流速分布

表2 图4中标准表管路流量数值

图4是进口流量为2 000.0 m3/h时小口径台位管路流速分布图，表2是对应的流量数值表。由于标准表管路口径不同，因此流量分配必然受管路口径影响。标准表的最大流量分别为：1 600 m3/h（7#）、400 m3/h（6#）、100 m3/h（5#）。理论上，将标准表5#、6#、7#并联能够达到2 100 m3/h的流量，然而由表2的数据可知5#、6#、7#三台标准表并联使用时，5#和6#均已超过最大流量，因此实际工作中5#和6#不要与大口径流量计并联使用。

图5 两个台位并联时管路流速分布

表3 图5中标准表管路流量数值

图5是进口流量为7 002.5 m3/h时两个台位并联时管路流速分布图，表3是对应的流量数值。大口径台位四个管路流量和为5 564 m3/h，小口径台位三个管路流量和为1 438.5 m3/h。流量分配的特点是：首先，大台位的流量并未在四个管路中平均分配；其次，由于增加了台位间管路的进出口影响，表3中标准表管路流量与平均值的偏差百分比与表1中略有不同，但仍然在±5%内，满足流量点调节范围要求；最后，5#和6#标准表也已超过最大流量，实际工作中不应参与并联。

检测流量计时，装置需根据被检流量点大小选择不同的标准表并联。结合以上图表的分析结果，能够得出在本装置中合理选择使用标准表的方案：（1）大口径台位标准表的选择顺序为1#、2#、4#、3#。（2）小口径台位标准表应单独使用，避免并联时小口径标准表流量过载。（3）两个台位并联时，标准表5#、6#应关闭阀门。

由上可知，该管路布局对流量分配有一定影响，但在合理使用标准表的条件下能够满足使用要求。