[摘要(yao)]本文針對渦街流(liu)量計 在不同介質(zhi)下的計量性能，依(yī)據流體力學,通過(guo)理論分析得🏃‍♀️出對(dui)于可壓縮流體介(jiè)質須考慮其可壓(ya)縮性對渦街流量(liang)計的影響,爲此選(xuǎn)用四台不同口徑(jing)的渦街流量計,在(zài)雷㊙️諾數相似準則(ze)指導下進行了實(shi)流标定實驗,得到(dào)水、空氣㊙️和蒸汽介(jie)質下的标定儀表(biao)系數,結果表明:介(jiè)質可壓縮性🐅和渦(wō)街流量計幾何尺(chi)寸是影響渦街流(liu)量計計量性能的(de)重要因素,不同介(jie)質下渦街流量計(ji)的标定儀表.系數(shù)不🏒同,不可壓縮流(liu)體水♈介質下的标(biao)定系數不能直接(jiē)應用到可壓縮流(liú)體蒸汽介質上,須(xū)進行修正,介質可(ke)壓縮性和渦街流(liu)量計幾何尺寸可(ke)作爲修正因🔅子。
引(yin)言
　　渦街流量計由(you)于其耐高溫、壓損(sǔn)小的特點，被廣泛(fàn)應用于蒸汽流量(liàng)計量領域中。對用(yòng)于蒸汽計量的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻渦(wo)街流量‼️計進行量(liàng)值溯源時，通常使(shǐ)用三種标定介質(zhi):蒸✊汽、水和空氣。以(yi)蒸汽作爲檢定💞介(jiè)質進行實流标定(dìng)，其優點是裝置檢(jiǎn)測條件與被檢🍉流(liu)量計的實際使用(yòng)工況接近,但由于(yu)蒸汽實流檢測裝(zhuang)置設計難度大、運(yun)行🔞成本高、安全性(xing)差等的限制，實際(jì)應用很少。通常認(rèn)爲在--定雷諾數範(fàn)圍内，渦街流量計(ji)旋渦分離頻率對(dui)被測流體壓力、溫(wen)度、粘度和組分變(bian)化不敏⁉️感，在幾何(hé)相✏️似和動力相似(sì)條件下，可用一一(yi)種典型介質(水或(huò)空💯氣)進行标定。因(yin)此實際檢💃定工作(zuò)中基本使用基于(yú)水介質或者空氣(qi)介質的🤟檢測裝置(zhi)進行标定。以上關(guan)于渦街流量計不(bú)受流體介質種類(lèi)影響的假設是基(ji)于渦街流量計原(yuán)理公式的理論分(fèn)🥵析，目前并無實驗(yan)數據支撐。
　　針對渦(wo)街流量計在不同(tóng)流體介質下的計(jì)量特性，通過對渦(wo)街流量計在空氣(qì)、水和蒸汽介質下(xià)的比📧對實驗，分析(xī)了⭐渦街⭕流量計儀(yí)表系數和測試介(jiè)質🚶‍♀️的關系，得到了(le)三種介質下儀表(biǎo)系數的規律性偏(piān)📧差，提出了針對溫(wēn)度和介質可壓縮(suō)性的系數修正計(jì)算方法。分析了介(jiè)質可壓縮性對渦(wo)街流量計計🐆量特(tè)性的影響，并通過(guò)實流測🐅試和CFD仿真(zhēn)分析🔆空氣✂️和水介(jiè)質下的儀表系數(shu)偏差，結果表明空(kōng)氣介質下的渦街(jie)流量計儀表系數(shu)大于水介質中的(de)儀表系數，與理論(lùn)分析一緻。利用Fluent軟(ruǎn)件對渦街流量計(ji)在👅蒸汽、空氣和水(shuǐ)三種介質😍下進行(hang)仿真，仿真結果表(biǎo)🈲明三種介質下儀(yi)表系數從大到小(xiao)依次爲:空氣、蒸汽(qì)、水👄，說明空氣受介(jie)質的可壓🌏縮性影(yǐng)響最大。不同口徑(jing)的渦⭐街流量計分(fèn)别在音速噴嘴法(fa)氣體流量标準裝(zhuāng)置和冷❌凝稱重法(fa)蒸汽流量标準裝(zhuāng)置上進🈚行蒸汽和(he)空氣介質下的實(shí)驗，實驗設置了6個(gè)流量☎️點，得到儀表(biao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻系數和重複💃性等(děng)數據，結果顯示空(kōng)氣介質下渦街🤞流(liú)量計儀表🆚系數在(zai)最大流量點均有(you)明顯的下降，不同(tong)口徑渦街流量計(ji)💔在蒸汽介質下的(de)儀表系數随流量(liàng)點的變化曲線基(jī)本一緻，且腔氣介(jie)質下的儀表系數(shù)整體上大于蒸汽(qi)介質下的值。利用(yong)正壓法音速噴嘴(zuǐ)氣體流量标準裝(zhuang)置研究了不同空(kōng)氣密度下的渦街(jie)流量計的流量特(tè)性，結果表明随着(zhe)介質密度的增大(dà)，渦街流量計儀表(biao)系數相對誤差最(zuì)大爲0.405%，且流量下限(xiàn)降低，量程擴大。
　　受(shòu)介質可壓縮性和(hé)溫度的影響，采用(yòng)空氣或水介質作(zuò)☁️爲标定介質對蒸(zheng)汽流量計量渦街(jie)流量計進行實流(liu)标定會産生🔆一定(dìng)程度的偏差。爲保(bao)證蒸汽計量渦街(jie)流量計的計🏒量可(kě)靠✊性、節約☁️計量溯(su)源成🌈本、避免蒸汽(qi)貿易計量差額，有(you)必要對渦街流量(liàng)計在蒸汽介質🔞與(yu)空氣、水介質下的(de)計量🔞特性。目前，相(xiàng)關人員針對渦街(jiē)流量計在不🚩同介(jie)質下的計量特性(xìng)做了大量實驗研(yán)究，測🧑🏽‍🤝‍🧑🏻試流量點分(fèn)布大多采用最大(dà)量程的不同百🏃‍♀️分(fèn)比來劃分(如最大(dà)流量點的60%、40%等)，由于(yú)采用不同介質的(de)渦街流量計有着(zhe)不同的🏃‍♀️量程範圍(wei)，這種不同介質間(jiān)的簡單的流量點(dian)對應🈲缺乏理論支(zhī)撐，其對比結果存(cún)疑。
　　本文從流體力(lì)學基本原理出發(fā)，對不同介質下的(de)實驗流量點按照(zhao)雷諾相似準則進(jin)行對應，保證不🏃🏻‍♂️同(tóng)介質下的流🤩場力(lì)⚽學相似，從而使得(dé)對應流量點之間(jiān)的實驗對比有理(li)論支撐。選取四台(tai)不同口徑(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽(qì)計🤞量領域應用較(jiào)廣的某品牌渦街(jiē)流量計，分别在蒸(zhēng)汽介質、水介質和(hé)空氣介，質流量标(biao)準裝😍置上進行研(yan)究，分析對比不同(tong)介質下渦街流量(liang)計的計量性能及(ji)影響因素
1渦街流(liú)量計基本原理
 
　　渦街流量計依據(ju)的基本原理爲“卡(kǎ)門渦街”原理，即在(zai)測量管道中垂直(zhí)地插入一段非流(liú)線型阻流體(旋渦(wo)發生體)，當流體流(liú)動🧡，管道内雷諾數(shù)達到一定值時，在(zai)發生體下遊兩♌側(ce)會交♋替分離出規(guī)則排列💋的旋渦，稱(chēng)爲卡門渦❗街，渦街(jie)流量計的工🔱作原(yuán)理如圖1所示。在一(yī)定雷諾數範🌈圍内(nèi)，旋渦分離頻率由(yóu)旋渦發生體幾何(he)尺寸、測量管道幾(jǐ)何尺寸以及管道(dao)中流體流速決定(ding)📱，計算公式爲":
 
　　式中(zhōng):ƒ一旋渦分離頻率(lǜ)，Hz;Sr-斯特勞哈爾數;U1一(yī)發生體兩側流體(tǐ)✉️平均流速，m/s;U一管道(dao)來流平均流速，m/s;m一(yi)發生體兩側弓形(xing)流通面積㊙️與管道(dao)橫截面積之比。
　　對(duì)于不可壓縮流體(tǐ)，流體在流經發生(shēng)體前後密度不變(bian)，根據♍流🍓體連續性(xing)定理可得:
 
　　由公式(shì)(5)可知渦街流量計(ji)儀表系數可代表(biao)渦.街流量計的計(jì)量特性，本文選擇(zé)儀表系數作爲不(bu)同介💁質間渦街💯流(liu)量☀️計對比參數。從(cong)公式(5)可以看出，渦(wō)街流量計儀表系(xì)數隻與渦街流量(liàng)計發生體和測量(liàng)✨管體幾何尺寸、斯(si)特勞哈爾數Sr有關(guān)，其中斯特勞哈爾(er)數Sr在一定雷諾數(shù)ReD範圍内爲常數”，與(yǔ)🈲被測流體的☂️特性(xing)和組分無關嗎。上(shang)述理論分析常作(zuò)爲渦街流量計在(zai)不同介質下通用(yong)🔞标定的依據，例如(rú)在水流量标準裝(zhuang)置中校驗🤞的渦街(jiē)流量計可直接用(yong)于氣體工作介質(zhì)。但是.上述分析是(shi)在工作流體不可(ke)壓㊙️縮這一假設下(xia)完成的，對于可壓(yā)縮流體，公式(3)不再(zai)成立，根據可壓縮(suo)流體伯努利方程(chéng):
 
　　從公式(9)可以看出(chū)對于可壓縮流體(tǐ)，介質來流速度👉與(yǔ)發生⛱️體兩側的速(su)度的關系不僅與(yǔ)幾何尺寸有.關，還(hái)與介🐆質等🧑🏽‍🤝‍🧑🏻熵指數(shu)、壓力、密度有關。因(yin)此，渦街流量計不(bu)同介質下的計量(liang)特性💘，即儀表系數(shu)不能簡單等同，有(yǒu)必要對不同介質(zhi)下的渦街流量計(jì)儀表💚系數進行對(dui)🈲比研究。
2實驗方案(an)設計
　　本文通過對(dui)渦街流量計在蒸(zhēng)汽、水、空氣三種介(jie)質下進行實流💘标(biao)定實驗，對比分析(xi)不同介質下渦街(jie)流量計計量特性(xìng)，即儀表系數的差(cha)異及影響因素。本(běn)節對實驗方案進(jin)行詳細說明。
2.1實驗(yàn)裝置
2.1.1蒸汽流量計(jì)量标準裝置
　　本文(wén)采用冷凝稱重法(fa)蒸汽流量計量标(biao)準裝置作爲蒸汽(qì)介質🐆實驗裝置，該(gai)裝置位于國家蒸(zhēng)汽流量計量站，是(shì)國内🌈唯一采用蒸(zhēng)汽實流标定的流(liú)量标準裝置。該裝(zhuang)置精度等級爲0.1級(ji)，測量範圍爲(2.5~15000)kg/h，采用(yòng)過熱蒸汽爲檢定(ding)介質，過熱蒸汽經(jīng)穩壓緩沖處理後(hòu)進人檢定管線，通(tong)過被測❗渦街流量(liang)計後進人冷凝器(qi)，冷凝水進人稱重(zhòng)容器進行稱重，完(wan)成對被測渦街流(liu)量計的蒸汽實流(liú)标定。
2.1.2空氣流量計(jì)量标準裝置
　　對于(yú)空氣介質，本文采(cǎi)用負壓法臨界流(liú)文丘裏噴嘴法⛱️氣(qì)🎯體流量标準裝置(zhi)，裝置擴展不确定(dìng)度爲032%(k=2)，測量範圍爲(wèi)㊙️(1~7000)m2/h。該裝置由🈲真空泵(beng)産生負壓，常溫空(kōng)氣經過檢定管線(xiàn)流☔過被測渦街流(liú)量計，随後進入穩(wen)壓容器并流經文(wén)丘裏噴嘴，在噴嘴(zuǐ)喉部得到标準流(liú)量，完成對被測渦(wo)街流量計的空氣(qì)實流标定。
2.1.3液體流(liu)量計量标準裝置(zhi)
　　對于水介質，本文(wén)采用靜态質量法(fa)水流量标準裝♊置(zhi)，裝置擴展不确定(dìng)度爲0.05%(k=2)，測量範圍爲(wèi)(0.2~680)m³/h。恒溫水池中的常(cháng)溫水💞介質經過檢(jiǎn)定管線流過被測(cè)渦街流量計，随後(hou)進入稱重容器進(jin)行稱重，完成🏃‍♂️對被(bèi)測渦街流量計的(de)⚽水介質實流标定(dìng)。
2.2雷諾數相似準則(zé)
　　由流體力學可知(zhi)，通過試驗的方法(fǎ)解決流體流動過(guo)程中的📞規律性問(wen)題的理論基礎之(zhi)一是相似原理8。具(jù)🏃‍♂️體來講就是在✔️對(duì)比分析兩個流動(dong)現象時，必須使兩(liǎng)者之間保持力學(xué)相似🌈關系，包括幾(jǐ)何相似、運動相似(si)和動力相似。對于(yu)管道中的實際流(liu)動，流🌈體介質主要(yào)受粘性力、壓力和(he)慣性力的作用，流(liú)體力學上用雷諾(nuo)數表征慣性力和(hé)粘性力之比，因此(cǐ)🔞隻要在對應點滿(mǎn)☂️足雷諾數相等即(jí)可保證兩個流場(chǎng)👄動力相似。截面爲(wèi)🆚圓的管道中的雷(lei)諾數Rep的計算公式(shi)爲:
 
式中:qv一管道内(nei)體積流量，m³/h;p一介質(zhi)密度，kg/m³;η-介質動力粘(zhan)度，Pa.s;D-管道直徑，m。
　　因此(cǐ)，在進行對比不同(tong)介質下的渦街流(liu)量計儀表系數的(de)試📧驗時，不僅需要(yao)保證兩者幾何相(xiàng)似，同時需要保證(zheng)兩者動力相似，即(ji)雷諾數Rep相等。由公(gong)式(10)可以看出，由于(yú)不同介質間的密(mi)度、粘度等參數不(bu)同，在保證雷諾數(shù)相等的前提下，其(qi)體積流量也不同(tóng)，所以簡單按照流(liu)量點相等的原則(zé)進行不同介質間(jian)的對比試驗是不(bú)可取的。
2.3實驗方案(an)
2.3.1實驗用表
　　選用上(shang)海橫河電機有限(xian)公司生産的DY系列(liè)渦街流量計共♻️四(sì)台，口徑分别爲DN50、DN100、DN150和(hé)DN200，旋渦發生體形狀(zhuàng)爲梯形，精度等級(ji)爲1.5級。
2.3.2實驗流量點(dian)
　　如22中所述，依據雷(léi)諾數相似準則确(què)定不同介質下🈲的(de)測試流量點。首先(xiān)根據選用的渦街(jie)流量計的蒸汽介(jie)質測🌈量範圍以及(jí)蒸汽流量标準裝(zhuang)置的測試能力确(què)✨定蒸汽介質的🤞測(cè)試流量點，由公式(shì)(10)得到對應流量點(diǎn)的蒸汽介質(壓力(li)0.3MPa，溫度150C的過熱‼️蒸汽(qì))雷諾數，再由雷諾(nuo)數相等原則，反推(tui)出空氣介質(壓力(lì)98kPa，溫🌈度20℃的幹空氣🥰)和(hé)水介質(壓力0398MPa，溫度(dù)20℃的常溫水)的對應(yīng)測試流量點，以DN50口(kou)💘徑渦街流量計爲(wei)例，流量點計算如(ru)表1所示，其餘口徑(jing)🧡同理。
 
2.3.3測試方案
　　對(dui)四種口徑的實驗(yan)用渦街流量計依(yi)據JJG1029-2007《渦街流量🌏計》規(guī)定的檢定要求進(jìn)行實驗。
　　爲保證不(bu)同介質流體進人(rén)渦街流量計的流(liu)場相似，從幾何😍相(xiàng)似出發，在實驗用(yòng)渦街流量計前後(hòu)配置直管段，管道(dao)材料爲304不❄️鏽鋼，管(guan)道内徑匹配四台(tai)渦街流🏃‍♀️量計的實(shí)際内徑，DN50口徑管道(dao)壁👅厚爲3mm，DN100、DN150和DN200口徑管(guan)道壁厚🈲爲6mm，前置管(guan)道長度爲對應口(kou)徑🔱的5倍，後置🏃管道(dào)長度爲㊙️對應口徑(jing)的3倍(前5D後3D)。前後🐆直(zhi)管段與渦✉️街流量(liang)計通過法蘭連接(jiē)、螺栓緊固，并且在(zài)整個實驗過程中(zhong)保持固定連接，下(xia)遊管道固定位置(zhì)處設🔆有取壓孔，保(bǎo)證測試不同介質(zhì)時取壓位置不變(bian)。
　　按照2.3.2中确定的6個(ge)測試流量點進行(hang)實驗，依據檢定🔴規(gui)程🔞，每🧡個流量點的(de)實際測試流量與(yu)設定流量的偏差(chà)🆚不超過設定流量(liàng)的+5%。每個流量點測(cè)試3次，每次測試時(shí)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻間爲60秒，記錄該流(liú)量點下的介質溫(wēn).度、壓力，得到檢定(ding)儀表系數及其重(zhòng)複性。爲了驗🛀🏻證裝(zhuāng)置的穩定性，保證(zheng)實驗結果的可靠(kao)性，将實驗用表:重(zhong)新🌈裝夾，重複以上(shang)實驗流程3次。
3實驗(yan)結果分析
　　按照2.3中(zhong)的實驗方案對四(sì)台不同口徑的渦(wo)街流.量計在👅水、空(kōng)氣、蒸汽三種介質(zhi)下進行儀表系數(shù)實流标定實驗，實(shí)驗結果如圖2~5所示(shi)。
 
　　由圖2~5可以看出，三(san)種不同介質下渦(wō)街流量計的儀表(biao)系數并不--緻，驗證(zhèng)了本文1節中的分(fèn)析，使用不可✏️壓縮(suo)流體🥵介質💜(水介✔️質(zhì))标定的儀表系數(shù)不可直接用于可(kě)壓縮流體介質(空(kōng)氣和蒸汽)，須😘進行(hang)後續修☁️正;由于水(shui)🎯介質的不✊可壓縮(suō)性，其标定儀表系(xi)數在整個雷諾數(shù)範圍内較爲穩定(dìng)，相比之💘下空氣介(jiè)質🏃的标定系數在(zài)測試範圍内波動(dòng)較大，随着雷㊙️諾數(shu)的增大，空氣介質(zhi)的标定系數有一(yi)🏃‍♂️個先下降後上升(sheng)🔆的波動趨勢，需要(yao)說明的是，DN150口徑渦(wō)💛街流量計的空氣(qi)介質标定系數在(zai)🥰最大雷諾數測試(shì)點突然下降，與其(qí)他測試點結果偏(piān)✔️差較大，對DN150渦街流(liú)量計測試數據進(jin)行分析，發現其實(shi)際内徑偏小爲1388mm，在(zài)最大雷諾📧數下其(qí)流速達到了103m/s，遠超(chāo)過橫河渦街流量(liàng)計對空氣介質的(de)最大流速限制--一(yi)80m/s，從而導緻了該測(ce)試點的明顯異常(cháng);蒸汽介質的實驗(yan)結果與空氣介質(zhi)的實驗結果趨勢(shì)類似，但由于蒸汽(qì)和空氣的可壓縮(suo)性不同(即可膨脹(zhang)性⭐系數不同)，因此(ci)♉兩者的标🥰定系數(shù)對比水介質的标(biao)定系數偏差不同(tóng)。
　　綜上，不同介質下(xia)渦街流量計的标(biāo)定儀表系數須進(jìn)行修🧡正後方可替(tì)代使用，需要考慮(lǜ)的修正因素包括(kuò)介質❓的可壓縮性(xing)(可㊙️膨脹性系數)，而(ér)不同介質的可壓(ya)縮性不同，其影響(xiǎng)程度也不同，如空(kong)氣介質和蒸汽介(jiè)🌏質。此外，由于蒸汽(qì)爲高溫介質，需考(kǎo)慮溫度對渦街流(liú)量計機械結構如(ru)殼體和發生體形(xing)變的影響。經測💜試(shì)，選用的橫河渦街(jiē)流量計各部件材(cai)質及性質如表2和(he)表3所示。
 
4結論
　　本文(wén)針對渦街流量計(ji)在不同介質下的(de)标定儀表🥰系🚶數進(jìn)行了實驗，實驗結(jie)果表明，可壓縮介(jie)質與不可壓.縮介(jiè)質的标定儀表系(xì)數不同且不可直(zhí)接替換，證明了介(jiè)質✂️可壓縮性對渦(wō)🐅街流量計的計量(liàng)性能有影響;高溫(wēn)介質通過改變渦(wō)街流量計機械結(jié)構的形狀影響其(qí)計量特性。表明了(le)介質可壓縮性🏃🏻‍♂️和(he)渦街流量🏃🏻‍♂️計幾何(he)尺寸(溫度影響)是(shi)影響渦街流量計(jì)計量特性的重要(yào)因素，若想将一種(zhǒng)介質的标🈲定結果(guo)應用到另一種介(jie)質上，須進行❓修正(zhèng)，以上兩⭐種因素即(jí)可作爲修正因子(zǐ)。結🛀🏻果可作爲後續(xù)不同介質标定結(jie)果間修正的實驗(yan)基礎。

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