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近年來,隨著生產(chǎn)大規(guī)模化和工程大型化,大管道的蒸汽流量計量在能源計量中廣泛應用.為測量大管道流量,計量科學家們做了許多有益的探索,各種非標準差壓式流量計依其各自的特點,在大口徑流量測量方面廣泛應用.這些非標準差壓式流量計,由于不能像孔板等標準節(jié)流件一樣,有成熟且通行的標準支持,所以其儀表系數(shù)必須通過實流標定獲得;然而,目前我國還沒有口徑大于400mm,滿足圓管流的蒸汽標準裝置,因此在推廣和使用中遇到了很大的困難.校驗蒸汽流量計的常用蒸汽流量標準裝置有鐘罩式蒸汽流量裝置、PVTt法蒸汽流量標準裝置、Mt法蒸汽流量標準裝置和多臺音速噴嘴并聯(lián)等,但這些標準裝置若要用來校驗大口徑大流量的蒸汽流量計會有困難.這是因為,雖然從原理及制造角度來說,將一些測量小管徑的流量計尺寸放大應無問題,但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級數(shù)增長,而且還會帶來其它問題.如壓損過大,造價和運行費用過高等,因此很難考慮再采用這類標準裝置.另外,也可采用一臺或多臺穩(wěn)定性較好.精度較高的流量計作為標準表并聯(lián)起來,以此作為流量基準來校驗大口徑流量計.然而,ISO5167新標
準要求標準表和被校表的前直管段達30D~40D（D為管道的直徑）,管徑過大時,現(xiàn)場無法滿足.
為解決插入式大口徑流量計校驗難的問題,一種較好的辦法就是進行現(xiàn)場實流校驗.這正是本文研究的目的.速度面積法是一種測量管道中流量的經(jīng)典方法.該方法較為繁瑣,只適用于現(xiàn)場校驗,而不適宜用于流程工業(yè)的流量測量,并且只適用于大管道,而不適用于小管道流量校驗.本文通過速度面積法,測量口徑為300mm的圓管內(nèi)形成充分發(fā)展湍流的試驗段截面上的流速分布,獲得流速分布曲線,用指數(shù)分布式和統(tǒng)一分布式方程擬合該流速分布曲線,發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一分布式較指數(shù)分布式在管中心部分更接近實際值,因此將統(tǒng)一分布方程作為該面的流速分布方程.通過測量該截面上的一點流速帶入流速分布方程獲得管道流量作為標準流量,來校驗插在該管道上進行流量測量的均速管流量計.
1方法分析
對于圓管內(nèi)速度分布式的研究,經(jīng)典且常用的是Nikaradse于1932年提出的指數(shù)分布模型,如圖1.u是管道截面上一點的流速,代表管道內(nèi)相對于中心軸線的位移,R代表管道半徑,則u和r在理論上滿足公式：

大速度,u為管內(nèi)平均流速,指數(shù)n是隨雷諾數(shù)Re變化的常數(shù),如表1.該模型所描述的流速分布在管壁附近（r=R）和管道中心（r=0~0.2R）兩處,無論雷諾數(shù)為多少,均與實際情況有較大偏離.因此,用該模型來擬合實際管道中的流速分布度不高.

圓管內(nèi)的充分發(fā)展湍流是一種典型的邊界層流動現(xiàn)象,從邊界層的半經(jīng)驗理論出發(fā),考察圓管中充分發(fā)展的湍流問題.整個邊界層可分為粘性底層、緩沖層和湍流核心層三部分,以下是三種按邊界層分段提出的速度分布公式

這些經(jīng)典的分段式模型與實驗數(shù)據(jù)吻合得較好,但表達式不統(tǒng)一.分段式還必須考慮自變量范圍分段計算的過程,增加了實際工程計量的難度.為解決這一問題,龔家彪和他的學生于20世紀80年代對Spalding式進行了改進,得到了充分發(fā)展的湍流面上統(tǒng)一描述整個管道截面上的速度分布模型如下:

文獻中通過對比光滑圓管中指數(shù)模型（1）和統(tǒng)一分布模型（10）,證明了統(tǒng)一分布式更加可靠,并且使用統(tǒng)一分布式在均速管流量計的測量桿上確定取壓點測流量精度更高.選擇一個具有穩(wěn)定流速分布的面,在該面上選擇多條直徑上的測點,用皮托管進行流速測量,當測得足夠多的點后,可獲得該面的速度分布曲線.圖1為湍流直管內(nèi)流速分布情況.可以看出隨著管道長度的增加,管道內(nèi)的流速分布由不充分發(fā)展向充分發(fā)展轉變,之后便趨于穩(wěn)定.由于工業(yè)現(xiàn)場各阻力件,管道粗糙度以及前直管段長度不足等因素對流動的影響,管道截面的流速分布都可能產(chǎn)生畸變,不再是對稱的.因此,必須有針對性的對需要獲得流量值的管道的某一截面進行流速分布測量,獲得流速分布方程.之后就可以根據(jù)該流速方程以及管道中某點的坐標推算出管道流速

2實驗數(shù)據(jù)與結果分析
實驗在300mm管道蒸汽流量裝置上進行,實驗裝置框架圖如圖2,整套裝置長50D,實驗段前后各有20D的直管段長度.此套裝置采用吸氣式,動力
源為變頻器（6~50Hz）控制的風機,正常工作時管內(nèi)流速范圍為1.30~11.74（m/s）.標準表采用度為%1%的TBQ系列蒸汽流量計,流量范圍為320~6500（m3/h）,工作溫度為（-30~60）&,大氣壓力為（86~106）kPa,相對濕度RH（5~95）%.實驗時溫度為20&的室溫,此時空氣密度為1.205kg/m3.

采用L型皮托管在管道中心20D處的試驗段的測量面進行流速分布的測量,皮托管的規(guī)格為*300,流量系數(shù)在0.99~1.01之間,精度為1.0.測點間距為5mm,測量范圍是-148mm~148mm,測點位置如圖3.由于變頻器的頻率在20Hz以上時管道受風機擾動,產(chǎn)生一定振動,影響測量度,故分別測取10Hz,15Hz,20Hz三個頻率下,該面的流速分布曲線,如圖4.從圖中可以看出,該面上是充分發(fā)展的湍流速度分布,且同一測量面上三種入口流速下的流速分布曲線變化趨勢基本一致.

由于實驗中的管道抖動和皮托管誤差等因素,使實驗測量數(shù)據(jù)較為不穩(wěn)定,因此,將實驗數(shù)據(jù)進行小二乘法多項式擬合,利用隨機誤差的抵償作用,有效地減少隨機誤差的影響,使實驗結果更具可信賴性.分別取測量面上同一直徑上-145mm~145mm,間隔5mm的60個點,在10Hz,15Hz和20Hz三個頻率對應的流速22m/s，3.4m/s和4.5m/s三個流速下，分別利用指數(shù)分布式（1）和統(tǒng)一分布式（10）計算該面上同一條直徑上的點流速,與實驗測取的流速分布小二乘法多項式擬合曲線對比.圖5,6和7分別為2.2m/s,3.4m/s和4.5m/s三個流速下小二乘法擬合的實驗曲線與公式擬合曲線對比.

將實驗室中的一只均速管流量計作為被校流量計,在10Hz,15Hz和20Hz三種風機頻率下,將安裝在管道中試驗段的均速管流量計測得的流量同統(tǒng)一分布式校準方法獲得的流量,以及標準表渦輪流量計的流量對比如表3.此時,統(tǒng)一分布式校準方法是通過用皮托管測量三種頻率下該截面的中心處的流速,分別用統(tǒng)一分布式求出管道平均流速,進而獲得流量值.

表2中可以看出,統(tǒng)一分布式求出的流量和渦輪流量計的示值非常接近,誤差在1%以內(nèi).對于管道的不同面,流速分布是不同的,特別是還沒有形成充分發(fā)展的湍流的截面,或者是所選取的管道截面之前可能有很多其他阻流件,造成所選截面的流速分布并不對稱,甚至產(chǎn)生畸變.此時可先通過精度較高的皮托管測得該面的流速分布曲線,利用Matlab等軟件擬合該流速分布曲線,獲得對應的流速分布公式,然后利用該公式和上述方法步驟來校準測孔在該截面上的插入式流量計.
3結語
通過測量圓管內(nèi)的某個充分發(fā)展湍流面上的流速分布,獲得流速分布曲線后,用指數(shù)分布式模型和統(tǒng)一分布式模型對比實驗曲線,發(fā)現(xiàn)兩種方程曲線上的點流速與實際流速較接近,且統(tǒng)一分布式較指數(shù)分布式在管中心部分更接近實際值,故將統(tǒng)一分布方程作為充分發(fā)展湍流段的流速分布方程.通過這種方法,可以在之后的流速測量中直接利用該面的流速分布方程和該面的一點流速計算出管道流量,作為標準流量來校準管道中的被校流量計.這種方法必須對不同的管道分別測取某個面的流速分布,獲得對應的流速分布曲線,然后對該曲線進行擬合,并對方程做必要的修正,后達到通過方程和流速分布曲線直接推算流速的目的.該方法測流速的優(yōu)點是:對于千變?nèi)f化的工業(yè)管道更具適用性.有效地減少了管道中由于前直管
段不夠長,以及管道中其他阻流件和管道粗糙度等因素,對管道流速分布的影響.這樣的校準更有說服力.