介紹了分支管測(cè)流法的實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理，其中，流量計(jì)選擇熱分布式質(zhì)量流量計(jì)。在不破壞主管道流場(chǎng)的情況下，通過(guò) Fluent6.3 對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步得出分支管與主管道之間的流量關(guān)系。通過(guò)對(duì)分支管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造優(yōu)化，得出易于熱分布式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量分支管流量的分支管結(jié)構(gòu)。

一、引言

流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分，流量測(cè)量在流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、動(dòng)力機(jī)械、空氣動(dòng)力學(xué)、水利學(xué)等各相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，也廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究以及人民生活各個(gè)領(lǐng)域之中 。目前有許多種流量計(jì)和測(cè)流方法可以測(cè)量流量 , 例如如孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等流量計(jì)和例如食鹽濃度法、差壓測(cè)流法等許多測(cè)流方法。做好流量計(jì)的研究和開(kāi)發(fā)工作，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有重要的意義。

上述流量計(jì)和測(cè)流方法或是安裝在管道上會(huì)引起較大的水頭損失，或是造價(jià)昂貴和測(cè)量起來(lái)比較復(fù)雜，而分支管測(cè)流法是在前人研究的基礎(chǔ)上為解決上述問(wèn)題而研制出的一種測(cè)量管道流量的既可靠方便又經(jīng)濟(jì)的方法。測(cè)量同一管徑管道中的流量，分支管測(cè)量裝置的造價(jià)只有超聲波流量計(jì)或電磁流量計(jì)的百分之幾到十分之幾，而測(cè)量精度可以達(dá)到不同的使用要求。這種分支管測(cè)流法不但拓寬了分支管上小流量計(jì)的量程，而且制作成本較低，制作簡(jiǎn)單，因此，分支管測(cè)流法具有一定的實(shí)用性。

二、分支管測(cè)流法

1、分支管測(cè)流法實(shí)驗(yàn)裝置

以圖 1 為例介紹分支管測(cè)流裝置的組成，它主要由分支管道、分支管上的流量計(jì)以及連接分支管道與主管道上的密封裝置等組成。分支管測(cè)流裝置要求安裝在管內(nèi)水流較穩(wěn)定且沒(méi)有漩渦的直管段上。裝置進(jìn)口側(cè)前主管道直管長(zhǎng)度要求≥ (5~10)D、出口側(cè)要求≥ 2D。

2、分支管測(cè)流法的工作原理

分支管測(cè)流法的工作原理是：并聯(lián)管段的水頭損失相等 ( 類似于電學(xué)中并聯(lián)電路的電壓降相等 )。依此即可推導(dǎo)出主管總流量 Q 與分支管流量 q2 之間的關(guān)系式。

對(duì)于圖 l 中的 A，B 過(guò)流斷面，根據(jù)并聯(lián)管道壓力損失相等原理，可以得出以下關(guān)系式：

由流體力學(xué)有關(guān)理論和試驗(yàn)證明，在主管道形式、材料都確定的情況下，當(dāng)分支管的各部分尺寸、形狀、儀表型號(hào)、組成管件及分支管伸入主管道的長(zhǎng)度都確定時(shí)，分支管伸入主管道引起的阻力系數(shù)、主管道阻力系數(shù)和分支管道阻力系數(shù)均為近似不變的常數(shù)。因此，主管道試驗(yàn)段的流量與分支管道內(nèi)的流量之間的比例系數(shù)也是近似不變的，二者之間具有一定的線性關(guān)系，則式（3）可以簡(jiǎn)化為：

q1=cq2                              （6）

其中，c —常數(shù)，比例系數(shù)。則流過(guò)主管道的總流量可以表示為：

Q=(c+1)q2                          （7）

因此，確定比例系數(shù) (c+1)，可以得出分支管與主管道總的流量的關(guān)系。

三、分支管上的流量計(jì)

熱分布式質(zhì)量流量計(jì)由于其原理、結(jié)構(gòu)、安裝、使用簡(jiǎn)單，而且它的耗能小、造價(jià)便宜，在此我們采用熱分布式質(zhì)量流量計(jì)。

1、熱分布式質(zhì)量流量計(jì)的原理

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測(cè)量管外加熱體）之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表。

熱分布式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理如圖 2 所示，測(cè)量管外壁中間繞著一組鎳鎘加熱絲，給管道進(jìn)行加熱測(cè)量管外壁對(duì)程兩端繞著兩組長(zhǎng)度，阻值大小都相等的銅絲作為檢測(cè)元件，組成惠斯登電橋。由恒流電源供給鎳鎘加熱斯恒定熱量，通過(guò)鎳鎘加熱斯線圈、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱的傳遞可以看作是通過(guò)熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)的。

在流量為零時(shí)，測(cè)量管上的溫度分布如圖 3 中虛線所示，相對(duì)于測(cè)量管中心的上下游是對(duì)稱的，

由銅絲線圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實(shí)線所示，由電橋測(cè)出兩組線圈電阻值的變化，求得兩組線圈平均溫度差 T，便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量 qm，即：

其中，K—儀表常數(shù)；

A—測(cè)量管繞組（即加熱系統(tǒng)）與周?chē)h(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

Cp—被測(cè)氣體的定壓比熱容。

四、分支管模型設(shè)計(jì)

一般情況為了增大通過(guò)分支管的流量以提高試驗(yàn)精度，試驗(yàn)中在主管道試驗(yàn)段內(nèi)會(huì)增加一個(gè)產(chǎn)生一定局部阻力的阻力環(huán)， 或者為了達(dá)到不同的量程，在流量計(jì)總體結(jié)構(gòu)確定以后，會(huì)在主管道內(nèi)安裝節(jié)流裝置。但是本文研究的內(nèi)容不希望破壞主管道內(nèi)的流場(chǎng)，所以不采用增加阻力環(huán)或者安裝節(jié)流裝置。

模型一（圖 4）的主管道長(zhǎng) 200mm，內(nèi)徑為Φ48mm，分支管內(nèi)徑為 Φ4mm，接在主管道中間，距兩端分別為 50mm，分支管距主管道 20mm，拐角處為直角。

模型二（圖 5）與模型一的區(qū)別在于分支管的結(jié)構(gòu)，模型二的分支管是由半徑為 64.08mm 和 60.08mm 圓相減而得內(nèi)徑為 Φ4mm 的圓弧。

五、流場(chǎng)模型仿真

Fluent6.3 是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專用軟件，在不破壞主管道流場(chǎng)的情況下，本文利用 Fluent6.3 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的管道模型進(jìn)行仿真，保證所選用管道環(huán)境符合質(zhì)量流量計(jì)所要求的流場(chǎng)環(huán)境，來(lái)研究不同結(jié)構(gòu)的分支管與主管道流量之間的關(guān)系。

根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)管道參數(shù)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

邊界條件設(shè)定入口流體速度分別為 1m/s，3m/s 和 6m/s，流體介質(zhì)為水，速度殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為 0.001，迭代次數(shù)為 100，操作環(huán)境設(shè)為默認(rèn)值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于管道的粘型模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型，標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，在較大的下程范圍內(nèi)應(yīng)用有足夠的精度。湍流參數(shù)選取湍流強(qiáng)度和水力直徑。

圖 6 中的 6 幅圖是通過(guò) Fluent6.3 軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的管道進(jìn)行仿真后的速度矢量圖。不同的顏色代表流量的不同速度。紅色為最大速度，藍(lán)色為最小速度。進(jìn)口速度為最大速度，在流體經(jīng)過(guò)接分支管部分的時(shí)候，分支管內(nèi)會(huì)分走一部分流量。從圖中可以看出，圖 6(a)（對(duì)應(yīng)圖 4）設(shè)計(jì)的分支管在不安裝阻力環(huán)或者節(jié)流層的情況下，分支管內(nèi)只分走非常小的一部份流量，對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量沒(méi)有實(shí)際意義，而圖 6(b)（對(duì)應(yīng)圖 5）設(shè)計(jì)的分支管在相同情況下卻分走相當(dāng)一部份流量，這樣鮮明的對(duì)比說(shuō)明在不加阻力環(huán)或者不安裝節(jié)流裝置的情況下，圖 4

設(shè)計(jì)的分支管不具備實(shí)際測(cè)量意義，而圖 5 設(shè)計(jì)的分支管在一定的流速范圍內(nèi)可以對(duì)流體流量進(jìn)行測(cè)量。

六、數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)上面仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)分支管與主管道流量的關(guān)系，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得表 1 數(shù)據(jù)。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，圖 4 設(shè)計(jì)的分支管支管流量太小，不易測(cè)量；

而圖 5 設(shè)計(jì)的分支管，支管流量明顯增大，便于測(cè)量，因此這種分支管具有實(shí)用價(jià)值。

七、結(jié)論

傳統(tǒng)的分流量質(zhì)量流量計(jì)都是通過(guò)增加阻力環(huán)或者層流組件來(lái)改變主管道的流場(chǎng)，從而進(jìn)行測(cè)量。而本文在不破壞主管道流場(chǎng)的情況下，通過(guò) Fluent6.3 軟件對(duì)管道內(nèi)的流體進(jìn)行仿真，查看流體在流場(chǎng)內(nèi)的狀態(tài)，計(jì)算分支管與主管道之間流量的關(guān)系，從而得出不同結(jié)構(gòu)的分支管與主管道之間流量的關(guān)系，為分流量質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用開(kāi)辟了一種新的途徑。