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    氣體可壓縮性對渦街流量計計量性能影響分析

    來源:作者:發表時間:2018-03-21 14:27:31

    3 可壓縮性影響的理論分析

    流體在渦街流量計流動過程中,對于不可壓縮流體,其流動過程遵循不可壓縮公式的連續性方程(4):

    20180321142821.jpg

    式中:A 1 為管道橫截面面積,m 2 ;A 2為旋渦發生體

     

    兩側弓形面積 m 2 ;由式(4)中可以得到:

    20180321142853.jpg

    因此可以看出,式(1) ~ 式(3)是基于不可壓縮流體的連續性方程推導而得到。

     

    但對于可壓縮流體公式(5)就不再成立,流動過程遵循可壓縮流體的連續性方程(6)、伯努利方程(7)以及等熵過程方程(8):

    20180321142857.jpg

    式中:κ 為可壓縮流體的等熵指數; p 1 和 p 2 管道截面處和發生體兩側處的壓力;ρ 1 和ρ 2 為管道截面處和發生體兩側處的介質的密度。由式(6) ~ 式(8)得:

    20180321142930.jpg

    式(9) 描述了可壓縮流體測試條件下,U、U 1 、m三者的關系,與描述不可壓縮流體三者之間的關系公式(5) 不同,三者的關系還和等熵指數、管道截面處壓力p 1 、管道截面處流質的密度ρ 1 有關。以空氣為介質檢測渦街流量計時,在一定壓力范圍內,空氣看作理想氣體,在溫度不變的情況下,p 1/ρ1 為定值,根

     

    據式(9) 可以得到,在恒溫的條件下,壓力對儀表系數沒有影響,僅與等熵指數 κ 有關。由于 m 為旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比,按照渦街流量的通用設計,對三角柱形發生體,在 d/D = 0. 28 時漩渦發生的頻率信號好強,取 d/D = 0. 28,根據 m 的計算式(10)得:

    20180321143009.jpg

    在實驗過程中,以空氣作為可壓縮流體進行測試,按照實際實驗條件和測試用渦街流量計的參數,各參數為壓力 p 1 為絕壓 0. 1 MPa,溫度為20℃,查空氣性質表得 κ =1. 4 [15] ,此時空氣的密度ρ 1 為 1. 22 kg/m3 。

     

    將上述參數代入式(9)中,采用 MATLAB 對式(9)進行分析計算,得到可壓縮流體發生體兩側平均流速 U 1 隨管道平均流速 U 變化的數值,按照不可壓縮流體計算式(5)得到發生體兩側平均流速U 1 ',計算得到可壓縮性引起的計量偏差 E 為:

    20180321143027.jpg

    不同管道平均流速 U 下,計算分析得到的計量偏差 E 數據如表 1 所示。

    不同流速條件空氣可壓縮性引起的計量偏差 E

    表 1 描述了空氣的可壓縮性帶來的計量偏差,可以看出隨可壓縮氣體管道平均流速的增大,將U 1 代入式(1) 中,渦街流量計產生頻率f增大,導致式(3) 中儀表系數 K 值增大,隨流速的增大可膨脹性引起的計量偏差會逐漸增大。

     

    結 論

    通過理論計算分析,實驗數據驗證及計算流體力學仿真可得到如下結論:

    1)渦街流量計在氣體流量計量中,可壓縮氣體的可壓縮性會對儀表系數造成偏差,偏差與等熵指數、入口處的壓力與密度比值等參數有關。

    2)可壓縮性引起的儀表系數偏差,可通過計算分析其影響偏差的大小,分析顯示隨流量的增大,該偏差也逐漸增大,可通過計算進行儀表系數的補償。

    3)以空氣為介質檢測渦街流量計時,在一定壓力范圍內,在恒溫的條件下,壓力與密度對儀表系數沒有影響,僅與等熵指數有關。

    4)以水和其他不可壓縮流量計作為檢測介質時由于儀表系數不受可壓縮性的影響,儀表系數偏小,并且其儀表系數的線性度要好于可壓縮流體,在液體計量中精度要高于氣體的計量精度。

     

    影響渦街流量計的儀表系數有很多因素,實驗數據是總體因素的影響,有可能存在其他方面的影響,與理論計算分析不盡吻合,還需進一步深入分析其他因素帶來影響。

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