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新型孔板流量计的流出系数实验研究

范文

张宪刘钢

摘 ?????要：为研究一种新型孔板式差压流量计的流出系数，提高流量计的使用精度。通过实验分析在不同流量下孔板式差压流量计内部场流速和压力的变化趋势;在流量变化范围内选取监测点通过传感器采集流量计内部瞬时流速及压力数据，实验数据表明：在经过流量计节流孔后会出现流速剧增，节流孔出口端压力骤降的现象;通过实验数据与ISO经验公式分别计算流量计的流出系数后，经对比最大误差仅为5%。

关 ?键 ?词：孔板流量计;流场;流出系数;标定实验

中图分类号：TH 715 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）06-1217-04

Abstract： In order to study the hydraulic characteristics of a new orifice plate type differential pressure flowmeter to improve the accuracy of the flowmeter， the variation trend of internal field flow velocity and pressure in the orifice-type differential pressure flowmeter under different flow rates was analyzed through physical experiments and numerical simulations. In the range of flow change， instantaneous flow rate and pressure data in the flowmeter were obtained by the sensors. Experimental data showed that after the fluid passing through the orifice of the flowmeter， there was a sudden increase in the flow rate and a sudden drop in the pressure at the outlet end of the orifice; The numerical simulation data and the ISO empirical formula were used to calculate the outflow coefficient of the flowmeter ，and the maximum error was only 5%.

Key words： Orifice flowmeter; Flow field; Outflow coefficient; Calibration experiment

在封闭管道内流量是一个动态值，测量流量的仪器称为流量计。典型的流量计有：差压式流量计、电磁流量计、科里奥利质量流量计、涡街流量计、超声波流量计等[1]，而差压式流量计又以其结构简单、安装方便、成本低廉及使用寿命长的优点得到了最广泛的使用[2]。

差压式流量计以孔板式流量计为代表，是当前国内外应用的主流流量计。目前孔板式流量计在国外的使用率约为60%，而我国对流量计的研究起步较晚，对孔板流量计的依赖较严重，使用占比达到约90%[3，4]。

英国的M J Reader-Harris和 Kim[5，6] 对孔板上游有台阶时对孔板流出系数的影响进行了实验研究。国内对孔板流量计的安装条件也进行了大量的实验研究[7]，并经过实验总结制定了国标GB/T2624.2。

刘华等[8]对孔板流场通过数值模拟，得到流速分布和流量系数，利用模型实验对低流速孔板的流量系数进行了验证，两者结果完全一致; 程勇等[9]计算了流体流过孔板的流场分布。计算了β=d·D=0.5时的流出系數，并根据计算结果拟合出流出系数与Re的关系式。

目前对于非标准式孔板差压流量计[10]的研究较少，且多为纯数值模拟，工况代表性不足;因此将采用实验的方式对一种非标准孔板差压流量计的12个流量下的工况进行分析，从而对流量计流出系数变化规律进行详细的探究分析。

1 ?流出系数计算方法

管道内的流体介质经过测量管段内的节流装置，流体束在节流处形成局部收缩，管径急剧减小从而导致流速增加，静压力降低。在节流前后产生一个静压力差。流量计在节流前后开有测压孔，通过测量压差可以计算出通过节流装置的流量。

1.1 ?流出系数实验计算方法

孔板流量计质量流量与压力差的关系为：

1.2 ?ISO经验公式

除数值模拟方法外，还可以采用ISO公式计算流出系数（里德-哈利斯/加拉赫公式），该公式为经过大量实验总结出的半经验公式。

2 ?实验模型

2.1 ?实验部分

选用静态质量标定方法，搭建试验台对流量计进行标定，静态质量标定装置主要包括控制终端、水泵、管路、阀门、称量装置、水池等。系统示意图如图1。

1—水池;2—水泵;3—电磁阀门;4—稳压罐;5—待测流量计;6—称重罐;7—称重数据采集系统;8—标定系统控制终端。

实验通过控制终端调整水泵以及电磁阀门的开度，实现测试管路内不同流量的转换，水经过稳压罐后流经待测试的流量计，进入管路末端的称重罐，与称重罐相连的数据采集系统会计算出运行时间内罐内质量的变化即为此时间内流过流量计的流量，最后通过数据对流量计的参数进行修正调整。

表1是标定实验测得数据，图2是数据拟合曲线，拟合结果表明，在流量计实际运行过程中，其测得压差与流量呈现指数函数关系，随着压差增大代表流量也随之升高且升高速率逐渐变大。

在流量计标定完成后，在流量计筒壁安置多个传感器，利用标定系统调节流量，通过传感器检测不同流量下，流量计内部的流速压力情况。表2为实验中检测的压力分布情况。进行压力测试后，在相同位置替换为流速传感器，检测与表2中相同的各种流量下流量计内部流速的变化情况，检测结果为表3。

根据实验数据绘制折线图3与图4，在不同流量工况下，流量计内部压力的变化趋势相同。

图3表明，流量计内部压力经过节流孔在孔末端出现骤降，且流量愈大降幅越大，当流量为152.11 m3/h时压力在节流孔末端降至负压，而后压力延中轴线缓慢回升。

图4表明流经节流孔后，流速会急剧增大，且流量越大流速增量也就越大。

3 ?实验数据与经验公式误差对比

流量计的流出系数通过两方面进行求解，将实验数据带入计算公式求解可以得到实际情况下流量计的流出系数C0，根据流量计的尺寸参数带入ISO（6）求解理论流出系数C，实验与理论公式的计算对比结果如表4。

根据表4的计算结果，理论流出系数C与实验计算流出系数C0对比，二者吻合情况较好，相对误差保持在5%以下，经验公式为大量实验总结而成的理论公式，不一定适合每一种孔板式流量计，且理论和实验的过程中均存在影响因素和实验误差，但通过相互对比验证可以证明实验的可靠性。

根据表4数据将流量计入口流速作为参考标准绘制数理论公式及经验公式求得流出系数的折线图如图5。

根据图5可以得到流量计通过的流量对流出系数的影响，在流量较小时，且在0.19 m3/h到0.95 m3/h区间内，C值随着流量的增大逐渐增大，而C0则相反，在0.95 m3/h到7.61 m3/h区间内，C与C0均随着流量增大而增大，在流量大于9.51 m3/h时，二者趋于平缓且没有较大变化。

4 ?结论

通过实验和理论计算对一种新型孔板式差压流量计的流出系数进行研究分析，得到以下几点结论：

利用静态质量法对流量计不同工况进行标定，根据实验数据计算出了流量计压差与流量的幂函数关系。

在流量计筒体内部相同位置分别安装速度与压力传感器，将管路流量从0调整至160 m3/h，通过数据终端选取11个流量点，对流速、压力数据进行采集，并对数据进行分析处理。

在流经节流孔时，压力先骤降108%后缓慢回升;流速先剧增至183%而后逐渐下降。由流量计实际情况的数据和模拟数据分别计算出相应的流出系数并进行误差对比，最大误差达到5%，分析流出系数的影响因素及变化趋势。

参考文献：

[1]田野，王岳，郭士欢，刘勇峰，胡宗柳，等. 常见流量计的应用[J]. 当代化工， 2011，40（12）：1294-1296+1304

[2]孙淮清.关于我国孔板流量计发展和展望[J].自动化仪表， 2007（S1）：30-32.

[3]陈家庆，王波，吴波，初庆东.标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟[J].实验流体力学，2008（02）：51-55.

[4]李過房.孔板流量计流场的数值模拟[J].上海工程技术大学学报，2012，26（03）：237-241.

[5]CHEOLWAN Kim ， DENGFU CHIM-Yuan PERNG ， ZHANG Dengfu， et al. Orifice Flow Charateristics[J] .Ford Technical Journal， 2003 ， 6 （3）： 1-15.

[6]PEADER harris M J .Computation of flow through orifice plates[J]. Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow ， 6： 1907-1917， 1989.

[7]杨小军，陈保东，王剑桥，李娜.差压流量计的发展和展望[J]. 工业计量， 2010，20（03）：27-28

[8]刘华，梁川，莫政宇，等. 低流速孔板流量系数的分析[J]. 水力发电学报， 2008， 6（3）： 105-109.

[9]程勇，汪军，蔡小舒.低雷诺数的孔板计量数值模拟及其应用[J].计量学报，2005（01）：57-59.

[10]邓茂焕. 节流式差压流量计的发展和现状[J]. 工业计量， 2002（06）：30-32.

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