引言

          為滿足氣體流量計測量不斷提高要求。超聲波技術被應用于氣體流量檢測。它是繼孔板。渦輪流量計之后出現(xiàn)的第三類高精度的新興氣體檢測儀表。超聲波氣體流量計是通過超聲波脈沖沿順。逆流兩個方向上聲傳播時間不同來測量氣體的流速和流量的新技術。由于它對流體無阻力。無壓力損失。受流體物理性質(zhì)限制少以及使用簡單等特點。備受業(yè)界關注。具有很大的前景。換能器裝置及其關鍵技術。流場適應性問題。時間測量技術等都將影響超聲波氣體流量計測量精度。流場適應性問題又是相對容易解決的技術問題。它可以細分為管道走向。管壁粗糙度。阻流件及調(diào)整器等問題。

 

流程適應性研究

          對超聲波流量計流場適應性問題的研究主要分析管道走向調(diào)節(jié)裝置對流量檢測帶來的影響達到最適宜于流量計安裝及檢測的條件管道走向的變化會改變流場速度分布并使之產(chǎn)生扭曲很多科研人員出于各種不同的目的都對這一現(xiàn)象進行過研究相關的研究成果近年來己被成功應用于氣體超聲波流量計年等人利用激光多普勒技術對單彎管流場進行了分析

 

          年等人利用理論推導與流體動力學相結(jié)合的分析方法計算了彎管中的流體擾動問題對流場分布給出了數(shù)值解年德國的科研人員和將計算流體動力學與實驗技術相印證成功地分析了超聲波流量計檢測精度與彎管流場變形之間的關系年等人探討了直角彎管中流場對電磁流量計檢測精度的影響情況他們的實驗測量數(shù)據(jù)最遠到達彎管后部倍直徑的距離年吳春華利用實驗測量系統(tǒng)測試了電路延時完成補償算法對多個標定流量點進行了樣機實流檢測驗證了通過測量壓力差對彎管二次流誤差修正的流暢適應性仿真結(jié)果和補償方法的有效性年鄭丹丹等人基于實流實驗與數(shù)值仿真相結(jié)合對單聲道流量計的種聲道布置進行研究表明聲道布置對流場適應性有一定的影響綜合國內(nèi)外學者對超聲波流量計復雜流場的研究成果本文基于實流實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合方法對流場整流裝置進行系統(tǒng)研究分別比較了多種不同的整流裝置對流場影響提出一種新型整流結(jié)構(gòu)最終實現(xiàn)整流效果提高超聲波流量計的流暢適應性

 

新型整流裝置

          由雷諾實驗我們可以知道流體在管道中流動時因為黏滯力的存在而產(chǎn)生兩種流態(tài)層流與湍流考慮到管道內(nèi)流速分布的不均勻一般會在管道內(nèi)加裝整流器使流體通過整流器后流速分布狀況得到顯著改善本設計主要針對超聲波氣體流量計管道內(nèi)的整流器提出了一種包括整流器的開孔大小開孔個數(shù)開孔位置等的設計方法根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗公式式可知在不同流體狀態(tài)下流速分布是不同的

 

          式中為流體距離軸芯線處的沿軸線方向的面平均流速為流體在軸芯線上的流速值為的最大值為管道的半徑為流速分布指數(shù)它與管道內(nèi)的流體雷諾數(shù)有關如公式所示

 

          根據(jù)普朗特流速分布經(jīng)驗公式可以建立在湍流狀態(tài)下的流速分布等效模型如圖所示假設流體處于湍流的臨界狀態(tài)即此時根據(jù)公式可以計算得到流速分布指數(shù)以管道軸芯線為豎坐標管道半徑為橫坐標建立轉(zhuǎn)換模型如圖所示豎坐標表示氣體流速橫坐標表示距離軸芯線的距離圖流速分布轉(zhuǎn)換模型首先確定整流器開孔位置及開孔個數(shù)設計為由對稱環(huán)形分布的個鉆孔組成孔的尺寸是管道內(nèi)徑的函數(shù)節(jié)圓直徑上一圈個孔節(jié)圓直徑上一圈個孔節(jié)圓直徑上一圈個孔節(jié)圓直徑上一圈個孔節(jié)圓直徑上一圈個孔然后確定各節(jié)圓直徑上開孔的直徑根據(jù)普朗特流速分布公式可以求得在各節(jié)圓直徑上的流速并求得位置與流速對應關系如圖所示加裝整流器的目的是使經(jīng)過整流后的流量分布均勻即通過整流器后的體積流量是均勻的假設流過節(jié)圓直徑開孔的流速等于節(jié)圓直徑上的流速各節(jié)圓直開孔的總面積分別為根據(jù)體積流量計算公式流過各節(jié)圓直徑上開孔的體積流量相等

 

          式中為體積流量為流體流速為過流橫截面積根據(jù)普朗特流速分布公式代入可以得到公式

 

實驗結(jié)果

          本實驗測量模型如下測量管道模型直徑固定氣體經(jīng)過彎道形狀固定到達下游測試前直管道整流裝置安裝在直管道的最前端距離長短不同分別為測量區(qū)管段安裝超聲波測量聲道的管道長度長度固定經(jīng)過測量區(qū)后的氣態(tài)出口緩沖區(qū)管道長度固定為具體測試數(shù)據(jù)如表所示以上實驗數(shù)據(jù)說明比較上述個距離處測量值可以看出當測量表體安裝在距離出口管徑之后時其流場分布區(qū)域平穩(wěn)將其與無整流器的情況進行比

 

 

          由于整流器是安裝在管道內(nèi)的因此開孔面積與管道橫截面積有關假設開孔總面積為根據(jù)公式計算得到

 

同理可以計算

 

與總面積的關系根據(jù)各節(jié)圓直徑上開孔個數(shù)以及圓的面積計算公式可以得到各節(jié)圓直徑上開孔的孔直徑分別表示為分別等于確定好各節(jié)圓直徑上開孔數(shù)目以及開孔直徑后需要確定開孔在節(jié)圓直徑上的開孔位置根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的特性開孔位置如圖所示

 

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