摘要(yào):基于渦街流量(liàng)計 基本原理,結(jie)合流體力學分(fèn)析了介質可壓(yā)縮性對渦街流(liu)量🤟計計量特性(xing)的影響。考慮到(dào)渦街流量計流(liu)動截面突然改(gǎi)變導緻流體介(jie)質參數發生改(gai)變的現象♻️與差(chà)壓式流量計有(yǒu)相⛷️似之處,類比(bi)标準孔闆的介(jiè)質可膨脹性系(xi)數經驗⭐公式提(tí)出基于介質🏃🏻‍♂️可(ke)壓縮性的渦街(jiē)流量計儀表系(xi)數修正數學模(mo)型。通過最小二(èr)⛹🏻‍♀️乘拟合對實流(liú)标🔅定實驗數據(jù)進行數值分析(xī)得到儀表系數(shu)的可壓縮性♊修(xiu)正公式。最後分(fèn)析了修正儀表(biǎo)系數的誤差和(he)不确定度,最大(da)誤差爲-0.64%，相對♈擴(kuo)展不确定度均(jun1)在1%以内。研究結(jié)果對采用蒸汽(qì)介質的渦街流(liú)量計儀表系數(shù)跨介質标定具(ju)有指導意義。
0引(yǐn)言
　　近年來渦街(jie)流量計依靠其(qí)結構簡單、無可(kě)動部件⭐、壓損小(xiǎo)、量程✨比寬等優(you)點被廣泛應用(yong)于液體、氣體和(hé)蒸汽等🌈介質的(de)流量計量領域(yu)中。目前，國内外(wài)對于渦街流量(liang)計的量值溯源(yuan)，普遍認爲🌈可以(yi)進行跨介質标(biāo)定”在一定雷諾(nuo)數範圍内，渦街(jiē)流量計旋渦分(fen)離頻率對被測(cè)流體壓力、溫度(du)、粘度和組分變(biàn)化不敏感，在幾(ji)🐆何相似和動力(li)相似條件下可(kě)用一種💚典型介(jie)質(水或空氣)進(jìn)行标定。基于這(zhè)種認識,在對用(yòng)于蒸汽計量的(de)渦💁街流量計進(jin)行量值溯源時(shí),同時受限于蒸(zheng)汽實流檢測裝(zhuang)置運行成本高(gao)、安🎯全性等因素(su)，實際工作中通(tōng)常使用水介質(zhì)或🤩者空氣介質(zhi)代替蒸汽介質(zhì)進行實流标定(ding)。但由于蒸汽介(jiè)質具有高溫、高(gao)壓、可壓縮等特(te)點，實際工作狀(zhuàng)态與标定介質(zhì)空✨氣或水相去(qu)甚遠。随着渦街(jie)✊流✌️量計在蒸汽(qi)計量領域越來(lai)越廣泛的應用(yòng),計量糾紛也不(bú)斷見諸報道，引(yin)起了人們的關(guan)注🌈。
　　對渦街流量(liàng)計在不同流體(ti)介質下的.計量(liang)特性以及影🏃🏻響(xiang)潤㊙️街流量計計(jì)量特性的可能(neng)因素進行了🔞大(dà)量研究。從謊體(tǐ)力學角度出發(fā)，根據相似原理(li)分析了壓縮空(kōng)氣代替蒸汽進(jin)行蒸汽流量計(jì)檢定的可能性(xìng)。對渦街流量計(jì)進行了空氣和(he)蒸汽實謊标定(ding)測試對比分析(xī)，結果表明兩者(zhe)标定流量對比(bi)誤⛹🏻‍♀️差爲2.5%。對介圜(huan)溫度.介質雷諾(nuo)數、檢定管道内(nèi)徑與渦街流量(liàng)計測量管徑不(bú)匹配、魔潤發生(shēng)體尺寸改變等(děng)l起渦街流量計(ji)儀表系數變化(huà)的因素徹了分(fen)析🌐。采用數值㊙️模(mo)報的方法🤩研究(jiu)了旋潤發生體(ti)形狀對渦街流(liu)量計中流動特(tè)性的影響，結果(guǒ)表明:聯蔚型發(fa)生體下遊旋潤(run)脫落穩🌈定性更(geng)好，且斯特勞暗(an)爾💰數飯流速(雷(lei)諾數)變化較小(xiǎo)。國從可壓縮流(liú)體的流體力學(xué)方程出發對渦(wō)街流量計的流(liu)🈲場進行了分🐆析(xī).将介圓可壓縮(suō)性對渦街流量(liang)計計量.特性的(de)影🚶‍♀️響日結到流(liu)體等鹘指數x，得(dé)出介質可壓細(xì)性會造🔞成儀表(biao)系數K值增大.且(qie)題⭐介質來流速(su)度的增大這種(zhong)偏差逐漸增大(dà)，文章還通過⭐實(shí)流測試和✂️CFD仿真(zhēn)得到潤街謊量(liang)計在空氣和水(shui)介圈下的🈲儀表(biao)系數偏差,驗證(zhèng)了理論分析。從(cong)渦街流量計儀(yí)表系數K的定義(yi)式出發總結出(chu)影響渦街流量(liàng)計計量特性😍的(de)主要因素爲溫(wēn)🏃度和介質可壓(ya)餾性.爲了直觀(guan)地顯示各變量(liàng)可壓細性的影(ying)響程度.作者采(cai)用指數報合的(de)方法以壓力p密(mi)度ρ和等嫡指數(shù)x爲自變量得到(dào)了介質可壓縮(suō)性影響報合公(gōng)式考慮到溫度(du)對發生🌈體形變(biàn)的影響💰，l入材料(liào)線性酈脹系數(shù)描述溫度對✔️儀(yi)表系數的影響(xiang)，最後🎯将這兩個(ge)因素綜合到一(yi)起得到系數修(xiu)正計算方法。蘇(sū)慶文等國爲了(le)研究介圜可壓(yā)縮性對渦😄街流(liú)量計計量特性(xing)🥰的⛱️影響，利用Fluent軟(ruǎn)件對渦街流量(liàng)計在蒸汽、空氣(qi)和🌍水三種介圜(huán)下進行仿真研(yán)究，結果表🛀明三(sān)種介圓下儀表(biǎo)系數從大🏃‍♀️到小(xiao)依次♌爲:空氣、蒸(zhēng)汽.水.說明空氣(qì)受介質✉️的可壓(yā)細性影響最大(dà).許♈文達等🙇🏻即對(dui)6台不同口徑的(de)渦🔞街流量計分(fen)别在音速晴嘴(zui)法⁉️氣體流☎️量标(biāo)準裝置和冷🏃凝(níng)稱重法蒸汽流(liu)量标準裝置上(shàng)進行蒸汽和空(kong)氣介圜下的實(shí)驗研究結果顯(xiǎn)示空氣介圈下(xia)的儀表系數整(zhěng)體👈上大于蒸汽(qì)介質下的值.
　　從(cóng)目前對渦街流(liú)量計在不同介(jie)圜下的計量特(tè)性的相關研究(jiu)來看,标定介質(zhì)的可壓縮性、溫(wen)度以及雷諾數(shu),旋渦發🌍生體的(de)幾何尺寸等是(shì)影響渦街流量(liang)計跨介質标定(dìng)的主要因素,受(shou)此影✨響,采用空(kong)氣或水介質作(zuò)爲标定介質對(dui)蒸汽流量計量(liàng)渦街流量計進(jìn)行實流标定會(hui)産生一定程度(dù)的偏差。爲保證(zheng)蒸汽計量渦街(jiē)流量計的計量(liàng)可靠性、節約計(ji)量溯源成本、避(bì)免蒸汽貿易計(ji)量差額,有必要(yao)對渦街流量計(jì)在蒸汽介質.與(yǔ)空氣、水介質下(xià)的計量特性進(jin)行研究,分析渦(wō)街流量計跨介(jie)質标定影響因(yin)素的作用機理(lǐ),并做出針對性(xìng)修正。現有的相(xiang)關研究中,針對(dui)渦街♋流量計在(zài)不同介質下的(de)計量特性的實(shí)驗研究,測試流(liú)量點分布基本(běn)按照最大量程(chéng)的☁️不同百分比(bi)來劃分(如最大(dà)流量點的60%.40%等🌈),這(zhe)種簡單的對應(ying)關系沒有考.慮(lǜ)介質雷諾數的(de)影響,缺乏😘理論(lùn)支撐;一些研究(jiu)人❓員從可壓縮(suo)流體遵循的物(wù)理方程出發,分(fèn)析整理出與介(jiè)質可壓縮性有(you)關的變⁉️量,并進(jin)行了數值拟合(hé)得到介質可壓(yā)縮性❗理論拟✔️合(hé)公式，這種理論(lun)分析計算結果(guǒ)與實流實驗數(shu)據存在--定偏差(cha),不能完全滿足(zu)跨介質标定的(de)系數修正的實(shi)際需求。
　　該文從(cong)渦街流量計基(jī)本原理出發,結(jié)合流體力學基(jī)本原理,研究介(jiè)質可壓縮性對(duì)渦街流量計計(ji)量特性的影響(xiǎng),提☁️出基👄于介質(zhì)可壓縮性的儀(yí)表系數修正數(shù)學模型,最後對(duì)按照雷諾相似(si)準則進行的實(shi)流實驗數據進(jìn)行數值分析，通(tong)過最小二乘拟(ni)合㊙️得到儀表系(xi)✍️數的可壓縮性(xing)修正公式。
1渦街(jiē)流量計基本原(yuán)理
1.1卡門渦街
　　渦(wo)街流量計依據(ju)的基本原理爲(wèi)“卡門渦街”原理(lǐ)。具🐇體來講,在測(ce)量管道中垂直(zhí)地插入一-段非(fēi)流.線型阻流🌂體(tǐ)稱之爲旋渦🙇🏻發(fā)生🏃體，來流流體(ti)流過發生體，當(dang)管道内雷諾㊙️數(shù)達到--定值時,在(zai)發生體下遊兩(liang)側會交替分離(lí)出規則排列的(de)旋渦，這種現象(xiàng)稱爲卡㊙️門渦街(jie)現象,如圖1所示(shi)。在一定雷諾數(shù)範圍内旋渦脫(tuo)落頻率與發生(sheng)體兩側的平🈲均(jun1)流速的關系可(kě)表示爲中:
 
　　式中(zhōng):ƒ爲旋渦脫落頻(pín)率,Hz;Sr爲斯特勞哈(ha)爾數;U1爲發生體(tǐ)兩側🙇‍♀️流體平均(jun1)流速,m/s;d爲發生體(ti)迎流面的寬度(du),m。
測量管内的瞬(shùn)時體積流量qv可(kě)表示爲:
 
　　式中:qv爲(wèi)測量管内瞬時(shi)體積流量,m3/s;U爲介(jiè)質來流平均流(liú)🏃🏻速，m/s;D爲測📧量🌈管道(dao)内徑,m。
　　定義渦街(jiē)流量計儀表系(xì)數K[1/m3]如下:
 
　　對于渦(wō)街流量計,斯特(tè)勞哈爾數Sr在一(yī)定管道雷諾數(shù)ReD範圍内爲常數(shu)[10]由式(4)可知，渦街(jie)流量計幾何尺(chǐ)寸一定,在來流(liu)速度一定的☔情(qíng)況下，在合适的(de)管道雷諾數範(fàn)圍内其儀表系(xì)數K僅與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼發生體(ti)兩側的平均流(liú)速U1有關,通常用(yòng)儀🥰表系數K來表(biao)征渦街流量計(ji)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計量特性。
 
1.2不(bú)可壓縮流體
　　對(duì)于不可壓縮流(liu)體，流體介質在(zai)流經發生體前(qian)後👣密度保持不(bú)變,根據流體連(lian)續性定理可得(dé):
 
　　式中:A1爲發生體(tǐ)兩側弓形區域(yu)面積，m2;A爲管道橫(héng)截面積,m3;ρ爲介💯質(zhi)來流密度，kg/m3;m爲發(fā)生體兩側弓形(xing)面積與管道橫(heng)截面積之比。
m的(de)計算式爲:
 
　　由式(shi)(8)可以看出，斯特(tè)勞哈爾數Sr--定時(shi)，對于不可壓縮(suo)流體介質，渦街(jiē)流量計儀表系(xi)數K僅與渦街流(liu)量計幾何尺寸(cun)D、d有關，因此，在忽(hū)略介質可壓縮(suo)性影響的情況(kuàng)下🐆，渦街流量計(ji)在不同介質下(xia)的标定結果具(jù)有通用性,這就(jiù)是渦街流量計(ji)🍓跨介質标定的(de)理論🔞依據。
1.3可壓(yā)縮流體
　　對于可(ke)壓縮流體，由于(yú)流體介質流經(jīng)發生體前後密(mì)度發生變化,流(liu)動過程遵循以(yǐ)下方程:
 
　　式中:K爲(wèi)流體等熵指數(shu);ρ爲發生體兩側(ce)介質密度.kg/m3;p爲管(guan)道橫✂️截面🌈處介(jiè)質壓力，Pa;p1爲發生(sheng)體兩側介質壓(yā)力💛,Pa。
式(12)描述了可(ke)壓縮流體介質(zhi)來流速度U與發(fā)生體兩側介質(zhì)平均✉️流速U1的關(guān)系，可以看出兩(liǎng)者不僅與渦街(jie)流量計幾何尺(chǐ)寸有關，還與介(jie)質等熵指數、壓(ya)力、密度有關,且(qie)由式(4)己推知，渦(wō)街👌流量計儀表(biao)系數K與發生體(ti)兩側介質流☁️速(su)成正比。因此，若(ruò)考✏️慮介質可壓(ya)縮性的影響,則(ze)渦街流量計在(zài)不同介質下的(de)通用标定性不(bú)再成立，即儀表(biǎo)系🐇數不能簡單(dan)等同。
2可壓縮性(xing)修正數學模型(xíng)
　　可壓縮流體在(zai)流經旋渦發生(shēng)體時,其密度、壓(yā)力.會🐕發生變化(hua),這🚶種由于流動(dong)截面突然改變(bian)導緻流體♋介質(zhi)參數發生😘改變(bian)👅的現象常見于(yu)流量測量和流(liú)👌動控制領域。例(lì)如利用🌐流體流(liu)經節流👄件形成(chéng)局部收縮,從而(er)導緻流速增加(jia)、壓力降低,在節(jie)流件前後形成(chéng)壓差的差壓式(shì)流量計。受此啓(qǐ)發🌏，該文參考介(jiè)質可壓縮性對(duì)📞差壓式流量計(jì)的影響提出針(zhēn)對渦街流量計(ji)的可壓🙇🏻縮性修(xiu)正數學模型。
該(gai)文選擇典型差(cha)壓式流量計 --标(biāo)準孔闆流量計(ji)作爲參考對象(xiang)，理由是其發展(zhǎn)時間久、理論研(yan)🌈究充分。國際标(biao)準ISO5167-2:2003中n給出了針(zhēn)對可壓縮流體(tǐ)的标準孔闆🏃‍♂️可(ke)膨脹性系數經(jīng)驗公式:
 
　　式中:ε爲(wèi)可膨脹性系數(shu);β爲節流孔直徑(jing)與測量管直徑(jing)的比🔴值;p,爲節流(liú)孔上遊壓力,Pa;p2爲(wei)節流孔下遊壓(ya)力,Pa;K爲流體等🈲熵(shāng)指數。
　　基于1.3中的(de)理論分析，參考(kǎo)标準孔闆的可(ke)膨脹性系數🍓經(jīng)驗公式，考慮渦(wō)街流量計幾何(hé)尺寸、壓力、等熵(shāng)指數的影響，提(ti)出渦街流量計(jì)可壓縮性修正(zhèng)因子數學模型(xing)如下：
 
　　式中:Φ爲可(kě)壓縮性修正因(yin)子;a,b,c,d爲修正常數(shu);α爲渦街流量計(ji)幾何參數變量(liang);p爲介質來流壓(ya)力,Pa;p2爲測量管道(dào)下遊壓力,Pa。
　　類比(bǐ)标準孔闆的等(děng)效孔徑比β的概(gai)念，提出渦街流(liú)量計幾📱何參數(shu)變量α.其幾何意(yì)義爲渦街流量(liang)計有效流通面(mian)積與測量管道(dào)截面面積之比(bi)m的平方根👨‍❤️‍👨，計算(suan)式爲:
 
3數據拟合(hé)
　　爲了求得上一(yi)節中提出的壓(yā)縮性修正公式(shì)，即解得修正常(chang)數a,b,c..,該文對實流(liú)标定實驗數據(jù)進行數值分析(xi),采用離散數據(ju)拟合的方法12進(jin)行求解。
　　實驗選(xuan)取水作爲不可(ke)壓縮介質、空氣(qì)爲可壓縮介質(zhì)，以渦街💃🏻流量計(jì)儀表系數K爲修(xiū)正目标提出以(yǐ)下修正公式:
 
　　式(shi)(17)中等号左側爲(wei)關于幾何參數(shù)變量α的幂函數(shu),a,b,c,d...爲待求值，等号(hào)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻右側帶入實驗(yàn)數據後爲已知(zhī)量，則儀表系數(shu)K的修正公式💃🏻問(wen)題轉化爲式(17)表(biao)示的線性拟合(he)問題。帶入渦街(jiē)流量計[13]在水和(hé)空氣介質下的(de)實驗數據最終(zhong)求得修正因子(zi)拟合公式如下(xia):
 
4修正公式誤差(chà)及不确定度分(fèn)析
4.1修正誤差分(fen)析
　　爲驗證上述(shu)修正因子拟合(hé)公式的正确率(lü)，進行了🈲誤😘差分(fen)析。誤差計算公(gōng)式爲:
 
　　式中:δ爲修(xiu)正誤差,%;K'gas爲空氣(qi)介質儀表系數(shù)修正值，1/m3;Kgas爲空💔氣(qì)介質儀😘表系數(shù)實驗值，1/m3。
四台不(bu)同口徑實驗用(yòng)渦街流量計儀(yí)表系數K的修正(zhèng)結果如圖2~5所示(shì)。
 
 
　　修正誤差計算(suan)結果如表1所示(shi)。
 
4.2修正公式不确(què)定度分析
　　由第(di)三節分析可知(zhī)修正系數的不(bú)确定度輸入量(liàng)包括:水介質儀(yí)表系數K的測量(liàng)不确定度、發生(sheng)體特征寬🙇🏻度d的(de)測量不确🛀🏻定度(dù)、測量管内徑D的(de)測量不确定度(du)、壓力測量👈的不(bú)确定度等。則修(xiū)正系數的相對(duì)⭐标準不确定度(du)的計算公式如(ru)🌐下:
 
4.2.1水介質儀表(biǎo)系數K
　　水介質儀(yí)表系數K的測量(liang)采用靜态質量(liang)法水3流量标準(zhǔn)裝置📐，其🚶‍♀️流量範(fan)圍爲(0.2~680)rm3/h,測量擴展(zhan)不确定度爲Ur=0.029%,k=2,則(zé):
 
4.2.2發生體特征寬(kuan)度d和測量管内(nèi)徑D
　　發生體特征(zheng)寬度和測量管(guan)内徑的測量采(cai)用激光跟蹤儀(yí)，查詢‼️該裝置的(de)校準證書得到(dào)其測量不确定(ding).度爲:UL=(0.5+0.3L)μm,h=2，則:
 
　　以DN50的分(fen)析結果爲例，将(jiāng)各不确定度分(fen)量彙總如表2所(suǒ)示⚽。
 
4.2.4拟合方法引(yin)入的不确定度(du)
　　考慮曲線拟合(he)法引入的不确(que)定度提出拟合(hé)方法的👨‍❤️‍👨不确📐定(ding)度計算公式如(rú)下:
 
　　式中:δI爲各測(cè)試點的修正誤(wù)差,%;n爲測試點個(gè)數;v爲拟合常數(shù)個數(自由度)。
4.2.5合(hé)成标準不确定(ding)度
　　綜上,修正系(xì)數的合成标準(zhǔn)不确定度爲:
 
　　4台(tái)不同口徑的渦(wō)街流量計的不(bu)确定度分析結(jie)果如表3所示👄。
 
5結(jie)論
　　該文針對介(jie)質可壓縮性對(duì)渦街流量計儀(yi)表系數的影響(xiang)，提💰出了基于介(jie)質可壓縮性的(de)儀表系數修正(zhèng)數學模型,通過(guo)對水和空氣介(jiè)質下的實流實(shí)驗數據的🐆數值(zhi)分🥰析，拟合得到(dao)儀❓表系數👣的可(kě)壓縮性修正公(gong)式，最大誤差爲(wèi)-0.64%,相對擴展不确(que)定度均在1%以内(nèi)。該文的研🧑🏾‍🤝‍🧑🏼究方(fang)法對于蒸汽介(jie)質渦🎯街流量計(jì)的儀表系數标(biāo)定🧑🏽‍🤝‍🧑🏻具有指導意(yì)義，後續工作可(kě)針對水和蒸汽(qi)以及空氣和蒸(zheng)汽之間的儀表(biao)系數修正開🏃‍♀️展(zhan)。

本文來源于網(wang)絡,如有侵權聯(lián)系即删除！