差壓式均速管在流速分布不均勻流場中，均速管測量值與實(shí)際值相差較大。均速管原理是檢測桿上開幾對全壓孔由全壓管引平均全壓，此平均全壓表征幾對全壓孔的算術(shù)平均值。在不均勻流場中，各全壓孔壓力不同，高壓腔內(nèi)有流動(dòng)，導(dǎo)致壓損使平均全壓無法正確表征各全壓孔算術(shù)平均值，因而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。本文設(shè)計(jì)了不均勻流場信號發(fā)生裝置，用均速管測量得各孔壓力值及平均全壓值，將壓力算術(shù)平均后與平均全壓作相對誤差。通過 CFD 仿真模擬，得到***大誤差為 45%，即流量計(jì)測量結(jié)果不理想。

1.介紹

差壓式均速管是由皮托管（Pitot）測速原理發(fā)展而來的，為插入式儀表?；窘Y(jié)構(gòu)是一根中空的金屬檢測桿。在檢測桿迎流方向開數(shù)對測壓孔，與全壓引壓管相連，引出平均總壓；在檢測桿背流或下游管壁開靜壓孔，由靜壓引壓管引出靜壓。用平均總壓與靜壓之差來計(jì)算流量。

均速管的發(fā)展現(xiàn)狀可分為三部分：檢測桿橫截面的改進(jìn)，均速管流量系數(shù)校正方法的研究，取壓孔位置的優(yōu)化。這三部分研究的前提是均速管需要 7～25D 的前直管段的安裝條件，使流體成為充分發(fā)展的湍流。

但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，管徑日益增大，管配件種類增多（閥門，彎管，歧管等）使流動(dòng)變得十分復(fù)雜，無法達(dá)到 7～25D前直管段長度。

均速管的設(shè)計(jì)思路是各全壓孔的壓力反映流場分布，不同的流速分布使各全壓孔壓力值不同，全壓引壓管引出的平均總壓對應(yīng)平均流速。但實(shí)際流動(dòng)過程中，由于各全壓孔壓力值不等，高壓腔內(nèi)有流動(dòng)，產(chǎn)生壓損，此時(shí)的平均總壓不再能正確表征各全壓孔的算術(shù)平均值。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的不均勻流場的信號發(fā)生裝置，用均速管流量計(jì)測出平均全壓，再獲得各全壓孔壓力值進(jìn)行算術(shù)平均后，將二者進(jìn)行比較，得出均速管在不均勻流場測量的準(zhǔn)確度。

通過 CFD 軟件進(jìn)行流動(dòng)模擬仿真，通過數(shù)值計(jì)算與分析，得到二者相對誤差。本課題的研究不僅具有實(shí)際工程意義，更具有理論價(jià)值。

2 差壓式均速管流量計(jì)原理

均速管流量計(jì)是由皮托管（Pitot）測速原理發(fā)展而來的，結(jié)構(gòu)是一根中空金屬檢測桿，迎流方向開數(shù)對取壓孔由全壓引壓管引出平均全壓；檢測桿背流或下游管壁開靜壓孔，由靜壓引壓管引出靜壓。

由平均全壓與靜壓之差計(jì)算流量，均速管結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。根據(jù)伯努利方程[1]，忽略摩擦阻力等因素，則有：

在實(shí)際測量過程中，由于不均勻流場造成的各全壓孔壓力不等，總壓孔內(nèi)流速是否還為 0 值得商榷。即在不均勻流場中，均速管流量計(jì)的原理正確性受到懷疑。

3 CFD 仿真模型與計(jì)算條件

CFD 的仿真模型仿真以不同進(jìn)口速度的高度相同水槽模擬不均勻流場，流體在均速管流量計(jì)兩對取壓孔及全壓引壓管內(nèi)的流動(dòng)。通過 Tecplot 進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到各孔壓力值及全壓引壓管內(nèi)的平均全壓。

為構(gòu)造穩(wěn)定的不均勻流場，CFD 仿真使用 Laminar 層流模型。四個(gè)全壓孔的進(jìn)口條件設(shè)為速度進(jìn)口，出口條件設(shè)為 outflow 出流，即出口處為完全發(fā)展的情況。在 y 軸方向上設(shè)置重力加速度，方向與 y 軸正方向相反為-9.81m/s2。CFD仿真模型采用 DN100 管道，開孔直徑為 2mm，由對數(shù)—切比雪夫法確定開孔位置。整個(gè)計(jì)算區(qū)域統(tǒng)一采用 Quad map 四邊形劃分法，Interval Size 橫向?yàn)?/span> 0.625mm，縱向?yàn)?/span> 0.5mm。

壓力—速度耦合采用 Simple 算法，其他保持默認(rèn)設(shè)置。

4 二維 CFD 仿真不同進(jìn)口速度下全壓孔壓力特性

差壓式均速管流量計(jì)全壓孔位置按照對數(shù)—切比雪夫法布置。兩對全壓孔到管道中心的距離為±0.4597R，± 0.8881R （R 為管道半徑），每對全壓孔位置關(guān)于管道中心對稱。

通過 CFD 模擬流場流動(dòng)情況，先以相同的進(jìn)口速度，數(shù)值模擬得到四個(gè)孔的壓力值與平均總壓值，對四個(gè)孔的壓力進(jìn)行算術(shù)平均與平均總壓值相比較，計(jì)算相對誤差以驗(yàn)證模型的正確性。接著設(shè)置不同的進(jìn)口速度，模擬不均勻流場。

為模擬不均勻流場，采用三種模型構(gòu)建。首先采用“不等值對稱式速度分布”模擬不均勻流場，分別有“中心高流速，兩邊低流速”、“中心低流速，兩邊高流速”兩種模式。即±0.4597R 處速度一致，±0.8881R 處速度一致，但非對稱點(diǎn)速度不同。仿真迭代 1000 次后，進(jìn)行數(shù)值處理，即對全壓孔壓力值算術(shù)平均后與平均全壓作相對誤差。增大速度差值，繼續(xù)仿真迭代。為模擬不均勻流場，采用“不等值非

對稱速度”分布模擬不均勻流場，即各孔壓力值都不一樣。重復(fù)上述步驟。

5 仿真結(jié)果

通過文獻(xiàn)資料和實(shí)流實(shí)驗(yàn)可知，均速管流量計(jì)測量流速小于 5m/s 時(shí)，均速管的流量系數(shù)很不穩(wěn)定，所以為了提高仿真中均速管測量的重復(fù)性，進(jìn)口速度較低設(shè)置為 5m/s。在直均流條件下，均速管流量計(jì)各全壓孔壓力一致，高壓腔內(nèi)無流動(dòng)，此時(shí)均速管原理正確[3]。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，首先將各全壓孔的進(jìn)口速度均設(shè)為 5m/s，通過 CFD 數(shù)值仿真可以得到各全壓孔壓力值及平均總壓值。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將各全壓孔壓力值進(jìn)行算術(shù)平均后與平均全壓作相對誤差，得到的相對誤差為 0.8%，即仿真模型正確合理。

接下來的仿真分為三個(gè)階段：

階段：采用“不等值對稱分布”模擬不均勻流場。首先采用“中間高流速，兩邊低流速”模擬流場。即±0.4597R處進(jìn)口初始速度一致為 6m/s，±0.8881R 處進(jìn)口初始速度一致為 5m/s。迭代 1000 次后，0.8881R 處進(jìn)口速度不變，以每次遞增 0.5m/s 的方式增大±0.4597R 處進(jìn)口速度，使非對稱取壓孔處速度差值逐漸增大，繼續(xù)進(jìn)行迭代仿真。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得各進(jìn)口速度下各全壓孔的算術(shù)平均值與平均全壓的相對誤差。

第二階段：采用“中間低流速，兩邊高流速”模擬不均勻流場。設(shè)定為中心兩全壓孔壓力低，兩邊全壓孔壓力高。即±0.8881R 處進(jìn)口初始速度一致為 6m/s，±0.4597R 處進(jìn)口初始速度一致為 5m/s。迭代 1000 次后，±0.4597R 處進(jìn)口速度不變，增大±0.8881R 處進(jìn)口速度，使速度差值逐漸增大，繼續(xù)進(jìn)行迭代仿真。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得各進(jìn)口速度下各全壓孔的算術(shù)平均值與平均全壓的相對誤差。

第三階段：采用“不等值非對稱”分布。即各全壓孔的進(jìn)口速度都不同。初始設(shè)定-0.8881R 處進(jìn)口速度為 5m/s， -0.4597R 處進(jìn)口速度為 6m/s，0.4597R 處進(jìn)口速度為 7m/s， 0.8881R 處進(jìn)口速度為 8m/s。經(jīng)過 1000 次迭代仿真后，增大各全壓孔的進(jìn)口速度差，而后繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得各進(jìn)口速度下四個(gè)全壓孔壓力的算術(shù)平均值與平均總壓的相對誤差。

差壓式均速管流量計(jì)在三種不均勻流場下各全壓取壓孔的算術(shù)平均值與平均全壓的相對誤差圖，如圖 2 所示。

本文采用了三種不均勻流速分布來模擬不均勻流場。從管道中心出發(fā)，分別模擬了“中心高流速、兩邊低流速”“中間低流速、兩邊高流速”的“不等值對稱式”分布，還有各全壓孔速度都不相同的“不等值非對稱”不均勻流場。通過數(shù)值模擬仿真得到了各全壓孔壓力值及總壓平均值。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將四個(gè)全壓孔的壓力值進(jìn)行算術(shù)平均后與平均總壓值作比較算出相對誤差。

在 CFD 數(shù)值模擬中可以得出，當(dāng)使用“中心高流速，兩邊低流速”模擬流場時(shí)，相對誤差較小，差壓式均速管流量計(jì)測量較準(zhǔn)。當(dāng)使用“中心低流速，兩邊高流速”及“不等值非對稱”模擬流場時(shí)，相對誤差很大，仿真中的***大的誤差為 45%。驗(yàn)證了不均勻流場造成差壓式均速管流量計(jì)各全壓孔的壓力不相同，造成均速管高壓腔內(nèi)有流動(dòng)，導(dǎo)致壓損，從而使得全壓引壓管引出的平均全壓已無法正確表征各全壓孔壓力的算出平均值，所以測量值與實(shí)際值有差距。

可以得出結(jié)論，使用差壓式均速管流量計(jì)時(shí)，***好保證一定的直管段長度使流體成為充分發(fā)展的湍流，來提高均速管的測量精度。否則，從 CFD 仿真結(jié)果中可看出，差壓式均速管流量計(jì)在流速分布差距大的流場中測量精度很低，很可能導(dǎo)致測量失效。