流場擾動對渦街流量計計量性能影響的研究

在工業過程控制 .流量計量及檢測中,廣泛使用流量調節閣來調節管道中流體(一般指水) 的流量。當流體流過不同開度的調節閥時,由于閥體結構的影響,將會產生諸如旋渦 .空化,水錘及死水區等水流現象,這些現象不僅影響管道局部水頭的損失 ,而且會嚴重破壞管道中流體的流速分布,給流量計的計量性能帶來較大影響,影響流量計計量性能的準確檢測。因此,調節闊流速分布研究對流量計的計量性能及其檢測具有重要的意義。通過對調節閃軒有阻力特性分析, 推導得到了調節閥固有阻力關系式,提出了衡量調節閥阻力的特征阻力概念,并對調節閥的安裝特性進行了分析;在對調節閥流量特性分析的基礎上,討論了調節效在輸油過程中的調節性能及流量特性的畸變,并對因流量特性畸變而影響控制質量的不利方面給出了有具體的解決措施;文獻討論了調節閥流量系數與可調比關系,提出把可調比看作流量特性曲線的特征參數,在此基礎上,指出國家標準和TEC標準對流量系數偏差規定的區別，并通過相應計算得出管內現有標準及產品設計中存在的不足之處。從前人的研究成果可以看出，對由于調節閥等流場擾動對渦街流量計計量性能的影響的研究還很少,因此非常有必要對此進行研究。

本文選用易受流速分布影響的渦街流量計,分別安裝在調節閥后距離調節閥 1 倍,5 倍及 10 倍管徑處,研究了擾動后的渦街流量計流量計量性能，并取得了非常有意義的研究結果。

1. 實驗裝置及條件

利用調節閥引起的流場擾動來研究對渦街流量計計量性能產生影響的實驗裝置如圖 1 所示,主要由動力設備水源穩壓設備 .單座調節閥 ,前直管段 .渦街流量計、后直管段及標準計量系統等 7 部分組成。實驗時,啟動換向器使水流流入旁通管,關閉工作量器的放水閃 ,操作流量調節贛將試驗管路流量調節到所試驗的流量,待流量穩定后,啟動換向器將水流由旁通管換入工作量器。換向器動作的同時,啟動流量標定儀,開始記錄渦街流量計的脈沖輸出信號和計時時間。當達到設定水量或時間時 ,換向器換向,使水流由工作量器換向旁通管。記錄工作量器中水的體積,流量標定儀顯示的時間上和累計脈沖數。累計脈沖數除以工作量器中水的體積,即可得到渦街流量計的儀表系數。

2. 流場擾動對渦街流量計計量性能的影響

2.1 渦街流量計的儀表系數

渦街流量計第;個實驗點第/次實驗得到的儀表系數為:

式中: Kij 為第i個實驗點第j次實驗得到的系數，

(m3) -1或L-1;

Nij 個實驗點第j次實驗得到的流量計累積脈沖數;

Vij為第i個實驗點第j次實驗時由標準裝置中

工作量器測得的水的實際體積,m3 或L;

i取 1,2,3，…,m,m 為第m個實驗點,m>=3;

j 取1,2,3，…nn,n 為第n實驗,n>=3。

第i 個實驗點的平均儀表系數為:

渦街流量計的平均儀表系數表示為:

式中:K 為渦街流量計的儀表系數,(m3 )-1或L-1;

(Ki )max 為各實驗點得到的天中的ZUI大值(m3)-1或L-1;

(Ki) min為各實驗點得到的 乓中的ZUI小值(m3)-1 或L-1。

2. 2 渦街流量計各實驗點的儀表系數

圖2.3 分別給出了調節閃開度分別為 80% 、

1 0 0% 條件下 , 渦街流量計安裝在調節閣后 1 倍,5

倍及 10 倍管徑上距離處各實驗點的儀表系數分布與渦街流量計在正常安裝條件下各實驗點的儀表系

數分布比較圖。

由圖2 ,圖3 可以看出;

1) 渦街流量計在正常安裝條件下及分別在調節閥后 5 倍及 10 倍管徑距離安裝條件下(其中,調節閥的開度分別為 80% 、1 0 0% ,以下同) ,各實驗點的儀表系數隨流量的增加逐漸變小,且各實驗點儀表系數的分布趨勢是基本相同的。

2) 渦街流量計在調節閥后 5 倍及 10 倍管徑距離處安裝時,各實驗點的儀表系數小于正常條件下安裝時的儀表系數,其分布趨勢表現為隨渦街流量計距離調節閥的距離增加,各實驗點的儀表系數逐漸向正常條件下的儀表系數靠近。這是由于水流流過調節效閥腔后,使得管道中的水流流速出現了不規則,不對稱的分布;經過一定長度的直管段整流后,這種不規則、不對稱的水流分布有了較大好轉(其中 10 倍管徑距離的水流不規則 不對稱性好于5 倍管徑距離的的水流不規則、不對稱性) ,但仍然具有不規則、不對稱性,使得水流流過渦街流量計時,不能很好的形成旋渦,造成在相同流量下,水流經調節闊擾動在經過一定長度的直管段整流后，形成的旋渦減少,并且不規則、不對稱性越大,形成的旋渦越少,儀表系數也就越小; 因而出現了儀表系數隨渦街流量計距離調節閥的距離增加,各實驗點的儀表系數逐漸向正常條件下的儀表系數靠近的分布趨勢。

3) 在距離調節閥 10 倍管徑處, 渦街流量計各實驗點的儀表系數仍然小于正常條件下的渦街流量計各實驗點的儀表系數。這一情況說明,10 倍管徑距離的直管段還不足以將調節閃擾動后的水流整流至正常條件下的水流。

4) 在距離調節閥 1 倍管徑處,渦街流量計各實驗點儀表系數的線性變得非常不規則。這種情況是由于在距離調節閥 1 倍管徑處,水流流過調節效后基本未經直管段整流,脈動比較大,流速分布極不規則,這種含有較多脈動且分布不規則的水流流過渴街流量計的三角柱形旋渦發生體時,將會嚴重影響渦街流量計旋渦的脫落,同時還可能伴有小旋渦的產生。由于上述情況的存在,因而在距離調節閃1倍管徑處,渦街流量計各實驗點儀表系數分布非常不規則。

2.3 渦街流量計平均儀表系數

根據實驗得到的數據,由式(1) ~ (3) 可以計算得到調節閃開度分別為 80% 、1 0 0% 條件下 ,渦街流量計安裝在調節降后 1 倍,5 倍及 10 倍管徑距離處各實驗點的平均儀表系數,如表1 所示。

渦街流量計各實驗點的儀表系數及其平均儀表系數的分析可以看出,調節閥流場擾動對流場條件要求較高的渦街流量計的儀表系數帶來了較大影響,從而影響流量計的計量準確度。結合仿真結果,本文提出如下控制流場分布的均勻性,穩定性及削弱流場擾動對流量計計量性能影響的方法,即在設計水流量標準裝置及安裝流量計時,可以充分利用調節閥對上游直管段流速分布影響較小的有利條件,將用于流量調節的調節閥等闊門安裝在管道下游。即使需要在上游安裝閥門,可以考慮安裝與管道同徑球閃,使用時上游球閥全開，從則將不會對管道中的流體產生影響，實現裝置準確檢測及流量計的準確計量。