浅析流量计扰流杆污染对机动车尾气测试结果的影响

张晓义,李 伟,邱永生,王永忠

(1.成都市机动车排气污染防治技术保障中心，成都 610066; 2.西华大学，成都 610097)

前 言

随着近年来机动车保有量不断增加，机动车污染已成为城市空气污染的重要来源，特别是北京、成都等机动车保有量大的城市。机动车尾气污染作为城市大气臭氧和细颗粒物形成重要的前体物贡献源，是导致城市地区污染的一个主要环境问题。机动车尾气是大气CO污染的主要来源之一，也是挥发性有机化合物(VOCs)和氮氧化物(NOX)的重要来源，导致光化学烟雾和地面臭氧(O3)的形成。机动车尾气排放还会导致环境空气中二氧化硫(SO2)以及颗粒物(PM)的浓度上升[1～3]。相关研究[4]表明成都市机动车保有量由2010年259万辆增加到2019年576万辆，平均每年增长率达到9.3%，基于清单法计算得到的2019年机动车SO2、NOX、CO、PM2.5和VOCs的排放量分别为0.21、4.63、0.27、11.58和1.7万t。近年来成都市源解析研究表明成都市城区VOCs来源主要由移动源贡献[5]，汽油车和燃烧源VOCs贡献占比超过40%，是成都市城区VOCs的重要来源，并且在污染期间升高明显[6]。移动源同样是成都市城区PM2.5的主要来源，年均浓度贡献达29%[7]。因此，机动车尾气的排放监测的准确性尤为重要，特别是尾气排放流量的监测，直接影响污染排放量的计算，影响机动车污染的评估以及管理。

目前，我国对机动车污染排放监测通常采用简易工况法和双怠速法，标准[8]规定：2019年5月1日起，在全国范围内汽油车环保定期检验采用规定的简易工况法进行，对无法使用简易工况法的车辆可采用双怠速法进行。采用简易工况法的检验要求配备气体流量分析仪，通常采用卡门涡街流量计。气体流量分析仪主要由进气管、抽风机、流量测量管、扰流杆、超声波传感器(或压力传感器)、氧化锆传感器、温度压力传感器、排气管等部件组成，利用安装在测量管内的涡街流量计，应用流体振荡原理来测量流量：在流动的流体中放置一根其轴与流向垂直的、有对称形状的非流线形状柱体(如圆柱、三角柱等)时(即扰流杆)，流体会出现两列不对称、但有规律的漩涡列，当两列涡旋间距与间隔之比达到h/l=0.562时，涡列稳定且产生频率与流速成正比[9-10]。高山[11]对于涡街流量计准确度影响因素的研究中指出，影响涡街流量计准确度的因素主要有干度变化、压力变化、管道及流量计震动以及流量计出口侧通向大气导致前后压差过大影响准确度，并且通过修正参数、改进监测过程等方式进行解决。但是对于流量测试过程中扰流杆表面的附着物状态对测试结果的影响国内外鲜有研究，本文利用仿真模型研究了改变汽车排气流量分析仪扰流杆外形尺寸对流量测试数据造成的影响的情况，并通过扰流杆表面不同附着物状态对排气流量的实测研究，探究扰流杆附着物污染对流量测试结果的影响，为机动车污染防治有效管控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 仿真模拟

通过仿真软件建立流量分析仪中的流场模型，并利用实际汽车排气流量分析仪在不同扰流杆直径下的实测流量值，对模型进行验证与调整。最后利用所建立的仿真模型对不同扰流杆直径对流量测量造成的影响进行分析研究。

涡街流量计管道：圆管外径为D1=100mm，内径为D=98mm，长度L1=1000mm，材料为铝。

扰流杆：长度为98mm，直径d分别选用4mm、4.656mm、4.934mm。

流体：管道内的仿真流体为空气，温度为室温(293K)，压力为一个标准大气压(101325Pa)。

管道及扰流杆三维模型见图1。

图1 管道及扰流杆三维模型图Fig.1 3D model drawing of pipe and spoiler

网格划分：划分后节点数为127 368，单元网格数为677 195。单元网格质量(Element Quality)最小值为0.227 93，最大值为1，平均值为0.838 72，标准偏差为9.4526e-002；纵横比(Aspect Ratio)最小值为1.158，最大值为9.9045，平均值为1.8416，标准偏差为0.45297。雅克比系数(Jacobian Ratio (MAPDL))为1。正交质量系数(Orthogonal Quality)最小值为0.181，最大值为0.99396，平均值为0.7714，标准偏差为0.11674。

网格划分质量较好。网格划分三维图见图2。

图2 网格划分三维图Fig.2 Meshing 3D drawing

1.2 实测分析

旋涡的释放频率与流过扰流杆的流体平均速度及扰流杆特征宽度有关，可用式(1)表示：

(1)

式中：f为旋涡的释放频率，单位为Hz；

v为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位为m/s；

d为旋涡发生体/扰流杆特征宽度，单位为m；

St为斯特劳哈尔数，无量纲，St=0.2(圆柱体扰流杆)。

在排放检测时，汽车尾气及空气的混合气体通过扰流杆后产生涡街，涡街经等幅高频超声波干涉后形成新频率的涡街。

通过上述测量原理分析，扰流杆是流量计中重要的测试元件，如扰流杆形状发生改变，将会对测量数据产生不利影响。而机动车尾气排放检验环境较为恶劣，扰流杆表面非常容易形成附着物，如不及时清理将会对测量结果带来影响。

根据汽车尾气排放检验的实际特点，本文采用了碳素墨水加粉笔灰、细线、油脂三种材料作为附着物粘黏于型号为ML-100(标定流量为165L/min)的扰流杆表面以改变其特征宽度进行比对试验，研究附着物对测量结果造成的影响。

2 结果与分析

2.1 仿真模型研究

2.1.1 验证实验

本次验证实验所选流量计为ML-100，扰流杆直径为4.000mm，实测流量为171L/s，见表1。

表1 实测流量数据Tab.1 Measured flow data

经过仿真计算，扰流杆附近的流速矢量和速度迹线图见图3、图4。

图3 速度矢量图Fig.3 Velocity vector drawing

图4 速度迹线图Fig.4 Velocity trace drawing

按照仿真结果中的涡街间隔计算流体流量，计算结果为167.2L/s，与实验测得流量的误差为：

(2)

误差小于3%，证明仿真分析具有可靠性。

2.1.2 扰流杆变化对流量测量影响的仿真研究

2.1.2.1 扰流杆直径变化对流量测量的影响

在上述仿真模型上，改变扰流杆直径，设置直径为4mm、4.656mm和4.934mm，并仿真模拟计算不同扰流杆直径下的流量值，经仿真计算出流量值的变化见表2。

表2 不同扰流杆直径的仿真流量数据Tab.2 Simulated flow data for different spoiler diameters

结果显示扰流杆直径在4mm时，仿真流量计流量值为167.2L/s，扰流杆直径为4.656mm时，仿真流量计流量值为133L/s，当扰流杆直径为4.934mm时，仿真流量计流量值为117.8L/s，由于扰流杆直径的增加，漩涡之间的宽度在减小即漩涡脱落频率在下降，由超声波所测得的涡街频率将会降低，从而导致气体流量测量值下降。

2.1.2.2 扰流杆表面附着物高度对流量测量的影响

在上述仿真模型上，分别将扰流杆表面附着物的厚度设置为无(验证模型)、0.1mm和0.5mm，研究扰流杆表面附着物的厚度变化对流量测量的影响，经仿真计算出流量值的变化见表3。

表3 扰流杆表面附着物高度变化的仿真流量数据Tab.3 Simulation flow data of height change of attachment on spoiler surface

结果显示当扰流杆表面无附着物时，仿真流量计流量为167.2L/s，扰流杆表面附着物厚度到0.1mm时，仿真流量计流量降低到129.2L/s，流量较无附着物时降低22.7%，当扰流杆表面附着物厚度达到0.5mm时，仿真流量计流量降低到98.8L/s，较无附着物时降低40.9%。通过仿真分析可以看出随着扰流杆表面附着物厚度的增大，同样造成漩涡脱落频率不断下降，从而导致气体流量测量值下降，扰流杆附着物厚度越大对测量流量的影响越大。

2.2 扰流杆表面附着物对稀释排气流量检测数据影响的分析

2.2.1 模拟积碳对测量数据的影响

使用碳素墨水均匀涂抹于标定流量为165L/g的汽车排气流量分析仪扰流杆表面，并吸附少量的粉笔灰，其结果见表4。结果表明在模拟积碳的情况下，三次试验流量均有所降低，平均值降低11.7L/min，较清洁状态下降低6.98%。

表4 涂抹碳素墨水加粉笔灰的比对结果数据Tab.4 Alignment results of applying carbon ink and chalk ash

2.2.2 细线缠绕扰流杆后对测量数据的影响

使用细线分别均匀缠绕于标定流量为165L/g的汽车排气流量分析仪扰流杆表面的上部、中部和下部，缠绕形状如图5～图7，其数据结果见表5。结果显示，3种不同位置缠绕扰流杆后，在扰流杆中部缠绕细线，平均值降低19.5mL/min，较清洁状态下降低11.8%，在上部和下部缠绕细线对流量测试并未造成太大的影响。

图5 缠绕细线后的扰流杆(中部)Fig.5 Spoiler winding with a thin thread (center)

图6 缠绕细线后的扰流杆(上部)Fig.6 Spoiler winding with a thin thread (Top)

图7 缠绕细线后的扰流杆(下部)Fig.7 Spoiler winding with a thin thread (bottom)

表5 上、中、下部缠绕细线的比对结果数据Tab.5 Comparison results of the spoiler winding with a thin thread on top, middle and bottom

使用细线在扰流杆中部再次缠绕，继续增加扰流杆的断面宽度，缠绕形状如图8，其数据结果见表6。结果显示，缠绕双层细线后测试流量平均值降低30.8L/min，较清洁状态下降低18.6%，中部缠绕细线的宽度对流量的测试同样有影响。

图8 缠绕双层细线后的扰流杆Fig.8 Spoiler lever after winding double thin thread

表6 单双层缠绕细线的比对结果数据Tab.6 Comparison results between winding single and doublelayer thin thread

2.2.3 涂抹油脂后对测量数据的影响

使用0.067 2g润滑脂均匀涂抹于名义流量为158L/g的汽车排气流量分析仪扰流杆表面，其结果见表7。结果表明润滑脂涂抹后，流量测试数据明显降低，平均降低26.4L/min，误差达到16.94%。

表7 涂抹润滑脂的比对结果数据Tab.7 Comparison results data of application of grease

通过上述四组扰流杆表面粘黏附着物、改变扰流杆特征宽度的试验数据可见：扰流杆表面粘附物越多、特征宽度越大，气体流量结果数据越小，对检测的准确性影响越大，这与仿真模拟测试结果一致。

3 结 论

仿真模拟研究表明：表面扰流杆附着物的污染会导致漩涡脱落频率下降，使气体流量测量值下降，从而直接影响机动车排气污染物的真实测量值。在实际测试中碳素墨水加粉笔灰、细线、油脂三种材料作为附着物粘黏于扰流杆时均导致测试气体流量降低，并且扰流杆表面粘附物越多、特征宽度越大，对气体流量测试结果影响越大。

在实际机动车尾气检测工作中，扰流杆附着物的污染是很常见的情况，但是很少有检验机构注意到扰流杆污染的问题，即扰流杆污染将直接影响机动车排气污染物的真实测量值，尤其当车辆真实排放值大于且接近限值时会出现不合格车辆通过合格检验。因此，对气体流量分析仪中扰流杆定期有效清洁对于保证机动车尾气监测的准确性十分重要。