[摘要(yao)]本文針對渦街(jie)流量計 在不同(tóng)介質下的計量(liàng)性能，依據流體(tǐ)力學,通過理論(lùn)分析得出對于(yu)可壓縮流體介(jie)質須考慮其可(ke)壓🤩縮性對渦街(jiē)流量計的影響(xiǎng),爲此選用四台(tai)不同口徑的渦(wo)街流量計,在雷(léi)🐇諾數相似準則(ze)指導下進行了(le)實流标定實驗(yan),得☂️到水、空氣♻️和(he)蒸汽介♋質下的(de)标定儀表系數(shù),結果表明:介質(zhi)可壓縮性和渦(wo)街流量🏃🏻計幾何(he)尺寸是影響渦(wō)街流量計計量(liàng)性能的重要因(yin)素,不同介質下(xia)渦街流量計的(de)标定儀表.系數(shù)不✌️同,不可壓縮(suō)流體水🔞介質下(xià)的标定系🐅數不(bu)能直接應用到(dào)可壓縮流體蒸(zhēng)汽介質上,須進(jìn)行修正,介質🈲可(kě)壓縮性和渦街(jie)流量計幾何尺(chǐ)寸可作☀️爲修正(zheng)因子。
引言
　　渦街(jiē)流量計由于其(qi)耐高溫、壓損小(xiǎo)的特點，被廣泛(fàn)應用于🐆蒸汽⛹🏻‍♀️流(liú)量計量領域中(zhong)。對用于蒸汽計(ji)量的渦街流量(liang)😍計進行量值溯(sù)🌈源時，通常使用(yòng)三種标定介質(zhi):蒸汽、水和空氣(qì)。以㊙️蒸汽作🔞爲檢(jiǎn)定✍️介質進行實(shi)流标定，其㊙️優點(dian)是裝置檢測條(tiáo)件與被檢流量(liàng)計的💜實際使用(yòng)工🍉況接近,但由(you)于蒸汽實流檢(jian)測裝置設計難(nán)度大、運⭐行成本(ben)高、安全性差等(deng)的限制，實際應(yīng)用很少。通常認(ren)爲在--定雷諾數(shù)範圍🔞内，渦街流(liú)量計旋渦分離(lí)頻率對被測流(liu)體壓力、溫度🈚、粘(zhan)度和組分變化(huà)不敏感，在幾何(hé)相似和動💜力相(xiàng)似條件下，可用(yòng)一一種典型介(jie)質(水或空氣)進(jìn)行标定。因此實(shí)際檢🌂定工作中(zhong)基❓本使用基于(yú)水🐆介質或者空(kōng)氣介質的檢測(ce)裝置進行标定(dìng)。以上關于❗渦街(jiē)流量計不受流(liú)體介質種類影(ying)響的假設是基(jī)于渦街🙇‍♀️流量計(jì)原理公式的理(li)論分析，目前并(bìng)無實驗數據支(zhī)撐。
　　針對渦街流(liú)量計在不同流(liú)體介質下的計(ji)量特性，通😄過對(duì)渦街流量計在(zài)空氣、水和蒸汽(qi)介質下的比對(duì)實⭐驗，分析了渦(wo)街流量💘計儀表(biao)系數和測試介(jie)質的關系，得到(dao)了三種介🚶質下(xia)儀表系數的規(guī)律性偏差，提出(chu)了針對溫度💛和(hé)介質可壓縮性(xing)的❄️系數修正♻️計(jì)算方法。分析了(le)介質可壓縮性(xing)對渦街流量計(jì)計量特性的影(yǐng)響，并通過實流(liu)測試和CFD仿真分(fen)析空氣和水介(jie)質下的儀🌐表系(xì)數偏差，結果表(biǎo)明空氣介質下(xia)的渦街流量計(ji)儀表系數大于(yu)水介質❗中的儀(yí)表系數，與理論(lùn)分析一緻。利用(yong)Fluent軟件對渦街流(liu)量計在🙇🏻蒸汽、空(kōng)氣和水三種介(jiè)質下進行仿真(zhēn)，仿真結果表明(míng)三種介質下儀(yí)表系數從大到(dao)小依次爲:空氣(qi)、蒸♍汽、水✌️，說明空(kong)氣受介質的❄️可(ke)壓💞縮性影響最(zui)大。不同口徑的(de)渦🐪街流量計分(fen)别在音速噴嘴(zui)法氣體流量标(biao)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)氣介質下的實(shí)驗，實驗設置了(le)6個流量點，得到(dào)儀表系數和重(zhòng)複性等數據，結(jié)果顯示空氣介(jiè)質下渦街🏃🏻流量(liàng)計儀表系數😘在(zai)最大流量點均(jun1)有明顯的下降(jiang)，不同口徑渦街(jie)流量計在蒸汽(qì)介質下的儀表(biao)系數随流量點(diǎn)的變化曲線基(jī)本💞一緻，且👣腔氣(qì)介質下的儀表(biao)系⛹🏻‍♀️數整體上大(dà)于💋蒸汽介質下(xia)的值。利用正壓(yā)法音速噴嘴氣(qì)體❌流量标準裝(zhuāng)置研究✌️了不同(tóng)空氣密度下的(de)渦街流量計的(de)流量特性，結果(guo)表🍉明随着介質(zhi)密度的增大，渦(wō)街流量計儀表(biao)系🍉數相對誤差(cha)最大爲0.405%，且流量(liang)下限降低，量程(cheng)擴大。
　　受介質可(kě)壓縮性和溫度(dù)的影響，采用空(kong)氣或水介質作(zuo)🆚爲标🔞定介質對(dui)蒸汽流量計量(liang)渦街流量計進(jin)行實🏃流标🍓定會(hui)産生一定程度(du)的偏差。爲保證(zhèng)蒸汽計量渦街(jie)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(jì)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(xia)的計量特性。目(mù)前，相關人員針(zhen)對渦街流量計(ji)在不❗同介質下(xia)的計量特性做(zuò)了大量實驗研(yan)究，測🐕試流量點(diǎn)分布大多采用(yong)最大量程的不(bu)同百分比來劃(huà)分(如最大㊙️流量(liang)點的60%、40%等)，由于采(cǎi)用不同介質✍️的(de)渦街流量計有(you)着不同的量程(cheng)範圍，這種不同(tong)介質😍間的簡單(dan)的流量點對應(ying)👅缺乏理論支撐(cheng)，其對比結果存(cún)疑。
　　本文從流體(ti)力學基本原理(lǐ)出發，對不同介(jiè)質下的實🍓驗流(liu)量點按照雷諾(nuò)相似準則進行(hang)對應，保證不同(tóng)介質下的流場(chǎng)力學相似，從而(ér)使得對應流量(liang)點之間的🈲實驗(yàn)對比有理論支(zhī)撐🌈。選取四台不(bu)同口徑(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽(qì)計量領域應用(yong)較廣的🤟某品牌(pái)渦街流量計❌，分(fen)别在蒸汽介質(zhì)、水介質㊙️和空氣(qì)介，質流量标準(zhǔn)裝🈲置上進行研(yán)究，分析對比不(bu)同介質下渦街(jiē)流量計的計量(liàng)性能及影響因(yīn)素
1渦街流量計(ji)基本原理
 
　　渦街流量計依(yī)據的基本原理(lǐ)爲“卡門渦街”原(yuan)理，即在📞測量管(guan)🌐道中垂直地插(cha)入一段非流線(xian)型阻流體(旋渦(wō)發生體)，當流體(ti)流動，管道内雷(lei)諾數達到一定(dìng)值時，在發生體(tǐ)下遊兩側會交(jiao)替分離出規則(ze)排列的旋渦，稱(chēng)❤️爲卡門渦街，渦(wo)街流量計的工(gong)作原理如圖1所(suo)示。在一定雷諾(nuò)數範圍内，旋渦(wo)分離頻率由旋(xuán)🤩渦發生體幾何(he)尺寸、測量管道(dào)幾何尺寸以及(ji)管道中流體流(liu)速決定，計算公(gōng)式爲":
 
　　式中:ƒ一旋(xuan)渦分離頻率，Hz;Sr-斯(sī)特勞哈爾數;U1一(yī)發生體兩側🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流(liú)體平均流速，m/s;U一(yi)管道來流平均(jun)流速，m/s;m一發生體(ti)兩側👌弓形流通(tong)面積與管道橫(heng)截面積之比。
　　對(dui)于不可壓縮流(liu)體，流體在流經(jīng)發生體前後密(mì)度不變📐，根據流(liu)體連續性定理(lǐ)可得:
 
　　由公式(5)可(kě)知渦街流量計(jì)儀表系數可代(dai)表渦.街流量🔞計(jì)的計🤞量特性，本(běn)文選擇儀表系(xi)數作爲不同介(jiè)質間渦街流量(liang)💯計對比參數。從(cóng)公式(5)可以看出(chu)，渦街流量計儀(yí)表系數隻與渦(wō)街流量計發生(shēng)體和測量管體(ti)幾何♉尺寸、斯特(tè)勞哈爾數Sr有關(guan)，其中斯特勞哈(ha)爾數Sr在一定雷(léi)諾數ReD範圍内爲(wèi)常數”，與被測流(liú)體的特性和組(zǔ)分無關嗎。上述(shù)理論💯分析常作(zuò)爲渦街流量計(ji)在不🛀同介質下(xià)通用标定的依(yī)♌據，例如在水流(liu)量标準裝置中(zhong)校驗的渦街流(liú)量計可直接用(yòng)于氣體工作介(jie)質。但是.上述分(fen)析是在工作流(liu)體不可壓縮這(zhe)一假設下完成(chéng)的，對于可壓縮(suo)流體，公式(3)不再(zai)成立，根據可壓(ya)縮流體伯努利(li)方程:
 
　　從公式(9)可(ke)以看出對于可(kě)壓縮流體，介質(zhì)來流速度🏃🏻‍♂️與發(fa)生體兩側的速(sù)度的關系不僅(jin)與幾何尺寸有(you).關，還🚶‍♀️與介質等(děng)熵指✍️數、壓力、密(mi)度有關。因此，渦(wō)街流量計不同(tóng)介質下的計量(liang)特性，即儀表系(xì)數不能簡單等(deng)同，有㊙️必要對不(bu)同介質下的渦(wō)街流量計儀表(biao)系數進行對比(bi)研究。
2實驗方案(àn)設計
　　本文通過(guo)對渦街流量計(jì)在蒸汽、水、空氣(qì)三種介質下進(jin)行實流标定實(shi)驗，對比分析不(bu)同介質下渦街(jiē)💛流量計計量特(tè)性，即儀表🈚系數(shù)的差異及影響(xiang)因素。本節對實(shi)驗方案進行詳(xiáng)細說明。
2.1實驗裝(zhuāng)置
2.1.1蒸汽流量計(jì)量标準裝置
　　本(běn)文采用冷凝稱(cheng)重法蒸汽流量(liàng)計量标準裝置(zhì)作爲蒸🏃🏻‍♂️汽介質(zhi)實驗裝置，該裝(zhuāng)置位于國家蒸(zheng)汽流量計量站(zhàn)，是國内唯一采(cǎi)用蒸汽實流标(biao)定的流量标🔞準(zhun)裝置。該裝置精(jīng)度等級爲0.1級📐，測(cè)量範圍爲(2.5~15000)kg/h，采用(yòng)過💃熱蒸汽爲✍️檢(jiǎn)定介質，過熱蒸(zhēng)汽經穩壓緩沖(chong)處理後😍進人檢(jiǎn)定管線，通過被(bei)測渦街流量計(jì)🏃‍♂️後進人冷凝器(qi)，冷凝水進人稱(cheng)重容器進行稱(cheng)重，完成對被👣測(ce)渦🚶街流量計的(de)蒸汽♻️實流标定(ding)。
2.1.2空氣流量計量(liàng)标準裝置
　　對于(yú)空氣介質，本文(wén)采用負壓法臨(lín)界流文丘裏噴(pen)嘴法氣體⛹🏻‍♀️流量(liang)标準裝置，裝置(zhi)擴展不确定度(du)爲032%(k=2)，測量範圍爲(wèi)(1~7000)m2/h。該裝置由真空(kong)泵産生負壓，常(cháng)溫空氣經過檢(jiǎn)定🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管線流過被(bei)測渦街流量計(ji)，随後進入穩壓(yā)容器并流經文(wén)丘裏噴嘴，在噴(pēn)嘴喉部得到标(biao)準流量，完成對(duì)被測渦街流量(liàng)計的空氣實流(liu)标定。
2.1.3液體流量(liang)計量标準裝置(zhì)
　　對于水介質，本(ben)文采用靜态質(zhì)量法水流量标(biāo)準裝置，裝置擴(kuo)展不确定度爲(wei)0.05%(k=2)，測量範圍爲(0.2~680)m³/h。恒(heng)溫水池中的常(cháng)溫水介質經過(guo)檢定管線流過(guò)被測渦街流量(liang)計，随後進入稱(cheng)重容器進行稱(cheng)重，完成對被測(ce)渦街流量計的(de)水介質實流标(biao)定。
2.2雷諾數相似(si)準則
　　由流體力(lì)學可知，通過試(shì)驗的方法解決(jué)流體流動過程(cheng)🏃🏻中的規律性問(wen)題的理論基礎(chǔ)之一是相似原(yuán)理8。具體來講就(jiù)是在對比☂️分析(xi)兩個流動現象(xiang)時，必須使兩‼️者(zhě)之間保持力💘學(xué)相似關系，包括(kuò)幾何相似、運動(dong)相似和動力相(xiàng)似。對于管道中(zhōng)的實🛀🏻際流動，流(liu)體介質主要受(shòu)粘性力、壓力和(hé)慣性力的作用(yòng)，流體力學上用(yòng)雷諾數表征慣(guàn)性力和粘性力(lì)之比，因此✉️隻要(yao)在對應點滿足(zu)雷諾數相等即(ji)可保證兩個流(liú)場動力相似。截(jie)面爲圓的管道(dao)中的雷諾數Rep的(de)計算✔️公式爲:
 
式(shi)中:qv一管道内體(ti)積流量，m³/h;p一介質(zhi)密度，kg/m³;η-介質動力(li)粘度，Pa.s;D-管道🌍直徑(jing)，m。
　　因此，在進行對(duì)比不同介質下(xià)的渦街流量計(jì)儀表系數的試(shì)驗時，不僅需要(yào)保證兩者幾何(he)相似，同時需要(yao)保證兩者動力(li)相似，即雷諾數(shu)Rep相等。由公式(10)可(ke)以看出，由于不(bú)同介質間的密(mi)度、粘度👈等參數(shu)不同，在保證雷(lei)諾數相等💁的前(qián)提下，其體積流(liu)🤩量也不同🔞，所以(yi)簡單按照流量(liang)點相🧑🏾‍🤝‍🧑🏼等的原則(zé)進行不同介質(zhi)💃🏻間的對比試驗(yan)是不可取的。
2.3實(shi)驗方案
2.3.1實驗用(yong)表
　　選用上海橫(heng)河電機有限公(gong)司生産的DY系列(lie)渦街流量🎯計共(gòng)📐四台，口徑分别(bie)爲DN50、DN100、DN150和DN200，旋渦發生(sheng)體形狀爲梯形(xing)，精度等級爲1.5級(ji)。
2.3.2實驗流量點
　　如(rú)22中所述，依據雷(léi)諾數相似準則(ze)确定不同介質(zhì)下的🧡測試流量(liàng)點。首先根據選(xuan)用的渦街流量(liàng)計的蒸汽介👉質(zhì)測量範圍以及(ji)蒸汽流量标準(zhǔn)裝置的測試能(neng)力确😍定蒸汽介(jiè)質的測試流😍量(liàng)點，由公式(10)得到(dao)對應流量點的(de)蒸汽介⛱️質(壓力(li)0.3MPa，溫度150C的過熱蒸(zheng)汽)雷諾🏃‍♂️數，再由(you)雷諾數相等原(yuán)則㊙️，反推出空氣(qi)介質(壓力98kPa，溫度(dù)20℃的幹空氣)和水(shuǐ)介質(壓力0398MPa，溫度(dù)20℃的常溫水)的對(duì)應🔞測試流量📱點(diǎn)，以DN50口徑渦街流(liu)量計爲例，流量(liang)點計算如表1所(suǒ)示，其餘口徑同(tóng)理。
 
2.3.3測試方案
　　對(duì)四種口徑的實(shi)驗用渦街流量(liang)計依據JJG1029-2007《渦街流(liu)量計🔱》規定的👉檢(jian)定要求進行實(shí)驗。
　　爲保證不同(tóng)介質流體進人(rén)渦街流量計的(de)流場相似，從幾(jǐ)♻️何相似出發，在(zài)實驗用渦街流(liú)量計前後配置(zhì)直管段🥰，管道材(cai)料爲304不鏽鋼，管(guan)道内徑匹配四(sì)台👈渦街流量計(ji)的實際内徑，DN50口(kou)徑管道壁厚爲(wei)3mm，DN100、DN150和DN200口徑管道壁(bì)厚💞爲6mm，前置管⛷️道(dào)長度爲對應口(kou)徑的5倍，後置管(guan)道長度爲對應(yīng)口徑的3倍(前5D後(hou)3D)。前後直管段與(yu)渦街流量計通(tong)過法蘭連接、螺(luo)栓緊固，并且在(zài)整個實驗過程(cheng)中保持固定連(lian)接，下遊管道固(gù)定位置處設有(you)取壓孔，保證測(cè)試不同介質時(shi)取壓位置不變(bian)。
　　按照2.3.2中确定的(de)6個測試流量點(dian)進行實驗，依據(ju)檢定規🥰程，每個(ge)流量點的實際(ji)測試流量與設(she)定流量的偏差(chà)不超過設定流(liu)量的🏃🏻+5%。每個流量(liang)點測試3次，每次(cì)測試時🏃‍♂️間爲60秒(miǎo)，記錄該流量點(dian)下的介質溫.度(dù)、壓力🔱，得到檢定(dìng)儀表系數🙇‍♀️及其(qi)重複性。爲了驗(yàn)證裝置的🌏穩定(dìng)性，保證實驗結(jie)果的可靠性，将(jiāng)實驗用表:重新(xīn)❄️裝夾，重複以☎️上(shàng)實驗流程3次。
3實(shí)驗結果分析
　　按(àn)照2.3中的實驗方(fang)案對四台不同(tóng)口徑的渦街流(liú).量計在水、空氣(qi)、蒸汽三種介質(zhi)下進行儀表系(xi)數實流标定實(shi)驗，實驗結果如(ru)圖2~5所示。
 
　　由圖2~5可(kě)以看出，三種不(bú)同介質下渦街(jie)流量計的儀⭐表(biǎo)🌈系數并🈲不🚶--緻，驗(yàn)證了本文1節中(zhōng)的分析，使用不(bu)可壓縮流體介(jiè)質(水介質)标定(ding)的儀表系數不(bu)可直接用于可(ke)壓縮流體介質(zhì)(空氣和蒸汽)，須(xū)進行後續修正(zhèng);由于水介質的(de)不可壓縮性，其(qi)标定儀表系數(shu)在整個雷諾數(shu)範圍内較爲穩(wen)定，相比之下空(kōng)氣介質的标定(ding)系數在測試範(fàn)圍内波🈲動較大(dà)，随着雷諾數❤️的(de)增大，空氣介質(zhi)的标定系數有(yǒu)一個先下降後(hòu)上升的波動趨(qu)勢，需要說明的(de)是，DN150口徑渦街流(liu)量計的空氣介(jie)質标定系數在(zài)最大雷諾數測(ce)試點突🍓然下降(jiàng)，與其他測試點(dian)結果偏差較大(da)，對DN150渦街流量計(ji)測試數據進行(hang)分析，發現其實(shi)際内徑偏小爲(wei)1388mm，在最大✨雷諾數(shu)下其流速達到(dao)了🧡103m/s，遠超過橫河(hé)渦街流量計對(duì)空氣介🛀質的最(zuì)大流速限制--一(yī)80m/s，從而導緻了該(gāi)測試點的明顯(xian)異常;蒸汽介質(zhì)的實驗🔅結果與(yǔ)空氣🏒介質的實(shí)驗結果趨勢類(lèi)似，但由于蒸汽(qi)和空氣的可壓(ya)縮性不同(即可(ke)膨脹性系數不(bú)同)，因此📱兩者的(de)标定系數對比(bǐ)水介質的标定(ding)系數偏差不同(tóng)。
　　綜上，不同介質(zhi)下渦街流量計(jì)的标定儀表系(xi)數須進行修正(zhèng)後方可替代使(shi)用，需要考慮的(de)修正因素包括(kuò)介質的可壓縮(suō)⭐性(可膨脹性系(xì)數)，而不同介質(zhì)☀️的可壓縮性不(bu)同，其影響程度(du)也不同🏒，如空氣(qi)介質和蒸汽介(jie)💛質。此外，由于蒸(zheng)汽爲✍️高溫介質(zhi)，需考慮溫度對(duì)渦街流量計機(ji)械結構如殼體(ti)和發生體形變(bian)的影響。經測試(shì)，選用的橫河渦(wo)街流量計各部(bù)件材🛀質及性質(zhi)㊙️如表2和表3所示(shi)。
 
4結論
　　本文針對(duì)渦街流量計在(zài)不同介質下的(de)标定儀表系數(shù)進行了✔️實驗，實(shi)驗結果表明，可(ke)壓縮介質與不(bú)可壓.縮介質的(de)标定儀表👉系數(shù)不同且不可直(zhí)接替換，證明了(le)介質可壓縮性(xìng)對渦💜街流量計(jì)的計量性能有(you)影響;高溫介質(zhì)通過改變渦街(jiē)流量計機械結(jie)💃🏻構的形狀影響(xiang)其計量特性。表(biǎo)明了介質可壓(ya)縮性和渦街流(liu)量計幾何尺寸(cun)(溫度影響)是影(yǐng)響渦街流量計(jì)計量特性的重(zhòng)要因素，若想将(jiāng)一種介質的标(biao)定結果應用到(dao)另一種介質上(shang)，須進行🌈修正，以(yǐ)上兩種因素即(jí)可作爲修正因(yīn)子。結🔅果可作爲(wei)後續不同介質(zhì)标定結果間修(xiu)正的實驗基礎(chǔ)。

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