基于流动控制原理，将文丘里效应应用到均速管流量计中，建立了几种双体均速管模型。

通过数值分析不同模型的流量系数及其引起的永久压损随速度的变化规律，并与威力巴原型进行比较，从中选取最优模型。

0.引言

均速管流量计属于差压式流量计，是基于早期皮托管测速原理发展起来的一种新型流量测量元件。以威力巴流量计为典型代表的均速管流量计，以其结构简单、测量精度高、压力损失小、节能效果显著等优点，已被广泛应用于工业现场进行流量测量。但传统的均速管流量计输出压差小、其测量结果易受被测流体扰动的影响。同时，传统均

速管流量计在被测流体流速较低时其流量系数不稳定，因而在测量低流速工况时其应用受到制约。

为了在保持永久压损低的前提下，提高均速管流量计的有效输出压差，从流动控制的角度出发，将均速管流量计与文丘里管的特点相结合，创新设计了几种双体均速管流量计。通过 CFD 数值模拟，对不同双体模型的流量系数及永久压力损失进行研究分析，从而确定出一种新型的、高精度、宽量程比的双体均速管流量计。

1.均速管流量计的测量原理

均速管流量计的基本结构如图 1 所示，它主要由 5 个部分组成: 检测杆、总压孔、静压孔、总压管、静压管。将均速管流量计检测杆插入管道中，当流体流过检测杆时，在其前部产生一个高压分布区即总压，在其两侧后部产生一个低压分布区，高、低压区的流体通过总压孔和静压孔进入到总压腔和静压腔，压力在腔体内平均之后，分别由总压管及静压管引出，总压与静压之差反映了流体平均速度，以此可以推算出流体的流量。

由均速管流量计工作原理可知，均速管是通过平均总压与平均静压之差来求得流量的，可用伯努利方程计算。设均速管检测杆迎流速度为 V1 ( m / s) ，压力P1 ( Pa) ，检测杆背部的流速为 V2 ( m / s) ，背部压力P2 ( Pa) ，若忽略摩阻、流体高度差等因素，则根据

:伯努利方程可得

其中: ρ 为流体密度( kg / m3 ) 。

显然，检测杆迎流速度 V1 = 0，而且实际计算值与理论值之间存在一定的差异，可用流量系数 K 来表示，则管道中流体的实际体积流量为:

其中: A 为管道横截面积( m2 ) ， P 为总压与静压之差( Pa) 。

流量系数是均速管流量计的关键系数，应通过实际校验来确定其大小。由于流量系数 K 为常数，所以只要测出 P，就能通过计算得到实际的流量值。由式( 2) 可知，在相同外部条件下，检测杆的流量系数与其输出压差的平方根是成反比的，即流量系数的减小意味着流量计的输出压差增加。因此测量特性良好的均速管流量计，在相应的测量范围内，应具有取值较小且稳定的流量系数。

2.双体均速管流量计的优化设计

2． 1  双体均速管流量计模型

该文设计了 3 种双体均速管流量计，如图 2 所示。模型一的检测杆单体形状类似于椭圆，两检测杆单体之间的区域与文丘里管相近，流体流过双体检测杆之间时，依次通过上游收缩段，平直喉道，扩张段。模型二的检测杆单体形状与威力巴流量计的检测杆相似，两检测杆之间的间隙构成文丘里管，收缩段及扩张段的角度、平直喉部的长度、检测杆之间的距离均是按标准文丘里管设计的。模型三是在模型二的基础上加以改进得到的，检测杆单体之间的间隙按标准文丘里管设计。

两检测杆之间形成的空间与文丘里管具有相同的特点，流体流过两检测杆中间时速度加快，动压增加而静压下降，从而通过两检测杆之间的相互作用可以产生更大的输出压差。其测量原理与普通均速管流量计相同，测量多点平均总压和平均静压，通过总、静压差进行流量的计算。

2． 2 双体均速管流量计的数值模拟

该文采用大涡模拟方法，计算域如图 3 所示，为保证管道内流动能充分发展，检测杆上游计算域长L1 = 35D，管道直径 D = 300 mm。

计算采用的网格如图 4 所示，该网格为分块非结构化网格，对测量杆周围的网格进行加密如图 5所示。测量杆下游的流动比上游复杂，所以其下游的网格比上游的网格要密。计算采用的湍流模型为 k － ωSST，入口条件为 velocity － inlet，出口条件为 pressure － outlet，利用 SIMPLE 算法进行计算。模型二、三采用的网格类型、网格密度、湍流模型及计算方法均与模型一相同。

2． 3 数值计算结果的分析

与威力巴原型相比，新型双体均速管流量计的流量系数以及永久压损随速度的变化如图 6 所示。

由图 6 可以看出，3 种新型的双体模型与威力巴原型相比较，稳定流量系数均有较大降低。虽然由双体模型引起的永久压损有所增加，但增幅不大，从测量可靠性的角度来分析，所付出的压力损失在实际工程应用中是完全可以接受的。

表 1 列出了 3 种双体模型与威力巴原型的各参数对比，显然，模型三引起的流量系数变化最大，其流量系数相较于威力巴原型减小的幅度可达 15． 6% ，即模型三引起的输出压差相较于威力巴原型增加 25． 9% ，其可测的流速范围 v = 0． 5 ～ 30 m / s，也比威力巴原型有了较大的提高。另外，流量系数的相对偏差并没有过多增加，所以选取模型三为最优模型，其稳定流量系数为 K = 0． 647，测量精度在 ± 2． 32% 以内。

3.结论

该文将均速管流量计与文丘里管特性相结合，创新设计了双体均速管流量计模型。通过数值模拟对不同模型的流量系数及永久压损进行研究，从中选取最优模型。由计算结果可以看出，该双体均速管流量计是能够增加输出压差及流量测量范围的，而且由其所引起的永久压损相较于威力巴原型也没有过多增加。该研究为以后双体均速管流量计的优化设计提供了可靠的几何依据。