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[摘要]本文針對渦街流量計在不同介質下的計量性能，依據(jù)流體力學,通過理論分析得出對于可壓縮流體介質須考慮其可壓縮性對渦街流量計的影響,為此選用四臺不同口徑的渦街流量計,在雷諾數(shù)相似準則指導下進行了實流標定實驗,得到水、空氣和蒸汽介質下的標定儀表系數(shù),結果表明:介質可壓縮性和渦街流量計幾何尺寸是影響渦街流量計計量性能的重要因素,不同介質下渦街流量計的標定儀表.系數(shù)不同,不可壓縮流體水介質下的標定系數(shù)不能直接應用到可壓縮流體蒸汽介質上,須進行修正,介質可壓縮性和渦街流量計幾何尺寸可作為修正因子。
引言
　　渦街流量計由于其耐高溫、壓損小的特點，被廣泛應用于蒸汽流量計量領域中。對用于蒸汽計量的渦街流量計進行量值溯源時，通常使用三種標定介質:蒸汽、水和空氣。以蒸汽作為檢定介質進行實流標定，其優(yōu)點是裝置檢測條件與被檢流量計的實際使用工況接近,但由于蒸汽實流檢測裝置設計難度大、運行成本高、安全性差等的限制，實際應用很少。通常認為在--定雷諾數(shù)范圍內，渦街流量計旋渦分離頻率對被測流體壓力、溫度、粘度和組分變化不敏感，在幾何相似和動力相似條件下，可用一一種典型介質(水或空氣)進行標定。因此實際檢定工作中基本使用基于水介質或者空氣介質的檢測裝置進行標定。以上關于渦街流量計不受流體介質種類影響的假設是基于渦街流量計原理公式的理論分析，目前并無實驗數(shù)據(jù)支撐。
　　針對渦街流量計在不同流體介質下的計量特性，通過對渦街流量計在空氣、水和蒸汽介質下的比對實驗，分析了渦街流量計儀表系數(shù)和測試介質的關系，得到了三種介質下儀表系數(shù)的規(guī)律性偏差，提出了針對溫度和介質可壓縮性的系數(shù)修正計算方法。分析了介質可壓縮性對渦街流量計計量特性的影響，并通過實流測試和CFD仿真分析空氣和水介質下的儀表系數(shù)偏差，結果表明空氣介質下的渦街流量計儀表系數(shù)大于水介質中的儀表系數(shù)，與理論分析一致。利用Fluent軟件對渦街流量計在蒸汽、空氣和水三種介質下進行仿真，仿真結果表明三種介質下儀表系數(shù)從大到小依次為:空氣、蒸汽、水，說明空氣受介質的可壓縮性影響最大。不同口徑的渦街流量計分別在音速噴嘴法氣體流量標準裝置和冷凝稱重法蒸汽流量標準裝置上進行蒸汽和空氣介質下的實驗，實驗設置了6個流量點，得到儀表系數(shù)和重復性等數(shù)據(jù)，結果顯示空氣介質下渦街流量計儀表系數(shù)在最大流量點均有明顯的下降，不同口徑渦街流量計在蒸汽介質下的儀表系數(shù)隨流量點的變化曲線基本一致，且腔氣介質下的儀表系數(shù)整體上大于蒸汽介質下的值。利用正壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置研究了不同空氣密度下的渦街流量計的流量特性，結果表明隨著介質密度的增大，渦街流量計儀表系數(shù)相對誤差最大為0.405%，且流量下限降低，量程擴大。
　　受介質可壓縮性和溫度的影響，采用空氣或水介質作為標定介質對蒸汽流量計量渦街流量計進行實流標定會產生一定程度的偏差。為保證蒸汽計量渦街流量計的計量可靠性、節(jié)約計量溯源成本、避免蒸汽貿易計量差額，有必要對渦街流量計在蒸汽介質與空氣、水介質下的計量特性。目前，相關人員針對渦街流量計在不同介質下的計量特性做了大量實驗研究，測試流量點分布大多采用最大量程的不同百分比來劃分(如最大流量點的60%、40%等)，由于采用不同介質的渦街流量計有著不同的量程范圍，這種不同介質間的簡單的流量點對應缺乏理論支撐，其對比結果存疑。
　　本文從流體力學基本原理出發(fā)，對不同介質下的實驗流量點按照雷諾相似準則進行對應，保證不同介質下的流場力學相似，從而使得對應流量點之間的實驗對比有理論支撐。選取四臺不同口徑(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽計量領域應用較廣的某品牌渦街流量計，分別在蒸汽介質、水介質和空氣介，質流量標準裝置上進行研究，分析對比不同介質下渦街流量計的計量性能及影響因素
1渦街流量計基本原理
 
　　渦街流量計依據(jù)的基本原理為“卡門渦街”原理，即在測量管道中垂直地插入一段非流線型阻流體(旋渦發(fā)生體)，當流體流動，管道內雷諾數(shù)達到一定值時，在發(fā)生體下游兩側會交替分離出規(guī)則排列的旋渦，稱為卡門渦街，渦街流量計的工作原理如圖1所示。在一定雷諾數(shù)范圍內，旋渦分離頻率由旋渦發(fā)生體幾何尺寸、測量管道幾何尺寸以及管道中流體流速決定，計算公式為":
 
　　式中:ƒ一旋渦分離頻率，Hz;Sr-斯特勞哈爾數(shù);U1一發(fā)生體兩側流體平均流速，m/s;U一管道來流平均流速，m/s;m一發(fā)生體兩側弓形流通面積與管道橫截面積之比。
　　對于不可壓縮流體，流體在流經發(fā)生體前后密度不變，根據(jù)流體連續(xù)性定理可得:
 
　　由公式(5)可知渦街流量計儀表系數(shù)可代表渦.街流量計的計量特性，本文選擇儀表系數(shù)作為不同介質間渦街流量計對比參數(shù)。從公式(5)可以看出，渦街流量計儀表系數(shù)只與渦街流量計發(fā)生體和測量管體幾何尺寸、斯特勞哈爾數(shù)Sr有關，其中斯特勞哈爾數(shù)Sr在一定雷諾數(shù)ReD范圍內為常數(shù)”，與被測流體的特性和組分無關嗎。上述理論分析常作為渦街流量計在不同介質下通用標定的依據(jù)，例如在水流量標準裝置中校驗的渦街流量計可直接用于氣體工作介質。但是.上述分析是在工作流體不可壓縮這一假設下完成的，對于可壓縮流體，公式(3)不再成立，根據(jù)可壓縮流體伯努利方程:
 
　　從公式(9)可以看出對于可壓縮流體，介質來流速度與發(fā)生體兩側的速度的關系不僅與幾何尺寸有.關，還與介質等熵指數(shù)、壓力、密度有關。因此，渦街流量計不同介質下的計量特性，即儀表系數(shù)不能簡單等同，有必要對不同介質下的渦街流量計儀表系數(shù)進行對比研究。
2實驗方案設計
　　本文通過對渦街流量計在蒸汽、水、空氣三種介質下進行實流標定實驗，對比分析不同介質下渦街流量計計量特性，即儀表系數(shù)的差異及影響因素。本節(jié)對實驗方案進行詳細說明。
2.1實驗裝置
2.1.1蒸汽流量計量標準裝置
　　本文采用冷凝稱重法蒸汽流量計量標準裝置作為蒸汽介質實驗裝置，該裝置位于國家蒸汽流量計量站，是國內唯一采用蒸汽實流標定的流量標準裝置。該裝置精度等級為0.1級，測量范圍為(2.5~15000)kg/h，采用過熱蒸汽為檢定介質，過熱蒸汽經穩(wěn)壓緩沖處理后進人檢定管線，通過被測渦街流量計后進人冷凝器，冷凝水進人稱重容器進行稱重，完成對被測渦街流量計的蒸汽實流標定。
2.1.2空氣流量計量標準裝置
　　對于空氣介質，本文采用負壓法臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置，裝置擴展不確定度為032%(k=2)，測量范圍為(1~7000)m2/h。該裝置由真空泵產生負壓，常溫空氣經過檢定管線流過被測渦街流量計，隨后進入穩(wěn)壓容器并流經文丘里噴嘴，在噴嘴喉部得到標準流量，完成對被測渦街流量計的空氣實流標定。
2.1.3液體流量計量標準裝置
　　對于水介質，本文采用靜態(tài)質量法水流量標準裝置，裝置擴展不確定度為0.05%(k=2)，測量范圍為(0.2~680)m³/h。恒溫水池中的常溫水介質經過檢定管線流過被測渦街流量計，隨后進入稱重容器進行稱重，完成對被測渦街流量計的水介質實流標定。
2.2雷諾數(shù)相似準則
　　由流體力學可知，通過試驗的方法解決流體流動過程中的規(guī)律性問題的理論基礎之一是相似原理8。具體來講就是在對比分析兩個流動現(xiàn)象時，必須使兩者之間保持力學相似關系，包括幾何相似、運動相似和動力相似。對于管道中的實際流動，流體介質主要受粘性力、壓力和慣性力的作用，流體力學上用雷諾數(shù)表征慣性力和粘性力之比，因此只要在對應點滿足雷諾數(shù)相等即可保證兩個流場動力相似。截面為圓的管道中的雷諾數(shù)Rep的計算公式為:
 
式中:qv一管道內體積流量，m³/h;p一介質密度，kg/m³;η-介質動力粘度，Pa.s;D-管道直徑，m。
　　因此，在進行對比不同介質下的渦街流量計儀表系數(shù)的試驗時，不僅需要保證兩者幾何相似，同時需要保證兩者動力相似，即雷諾數(shù)Rep相等。由公式(10)可以看出，由于不同介質間的密度、粘度等參數(shù)不同，在保證雷諾數(shù)相等的前提下，其體積流量也不同，所以簡單按照流量點相等的原則進行不同介質間的對比試驗是不可取的。
2.3實驗方案
2.3.1實驗用表
　　選用上海橫河電機有限公司生產的DY系列渦街流量計共四臺，口徑分別為DN50、DN100、DN150和DN200，旋渦發(fā)生體形狀為梯形，精度等級為1.5級。
2.3.2實驗流量點
　　如22中所述，依據(jù)雷諾數(shù)相似準則確定不同介質下的測試流量點。首先根據(jù)選用的渦街流量計的蒸汽介質測量范圍以及蒸汽流量標準裝置的測試能力確定蒸汽介質的測試流量點，由公式(10)得到對應流量點的蒸汽介質(壓力0.3MPa，溫度150C的過熱蒸汽)雷諾數(shù)，再由雷諾數(shù)相等原則，反推出空氣介質(壓力98kPa，溫度20℃的干空氣)和水介質(壓力0398MPa，溫度20℃的常溫水)的對應測試流量點，以DN50口徑渦街流量計為例，流量點計算如表1所示，其余口徑同理。
 
2.3.3測試方案
　　對四種口徑的實驗用渦街流量計依據(jù)JJG1029-2007《渦街流量計》規(guī)定的檢定要求進行實驗。
　　為保證不同介質流體進人渦街流量計的流場相似，從幾何相似出發(fā)，在實驗用渦街流量計前后配置直管段，管道材料為304不銹鋼，管道內徑匹配四臺渦街流量計的實際內徑，DN50口徑管道壁厚為3mm，DN100、DN150和DN200口徑管道壁厚為6mm，前置管道長度為對應口徑的5倍，后置管道長度為對應口徑的3倍(前5D后3D)。前后直管段與渦街流量計通過法蘭連接、螺栓緊固，并且在整個實驗過程中保持固定連接，下游管道固定位置處設有取壓孔，保證測試不同介質時取壓位置不變。
　　按照2.3.2中確定的6個測試流量點進行實驗，依據(jù)檢定規(guī)程，每個流量點的實際測試流量與設定流量的偏差不超過設定流量的+5%。每個流量點測試3次，每次測試時間為60秒，記錄該流量點下的介質溫.度、壓力，得到檢定儀表系數(shù)及其重復性。為了驗證裝置的穩(wěn)定性，保證實驗結果的可靠性，將實驗用表:重新裝夾，重復以上實驗流程3次。
3實驗結果分析
　　按照2.3中的實驗方案對四臺不同口徑的渦街流.量計在水、空氣、蒸汽三種介質下進行儀表系數(shù)實流標定實驗，實驗結果如圖2~5所示。
 
　　由圖2~5可以看出，三種不同介質下渦街流量計的儀表系數(shù)并不--致，驗證了本文1節(jié)中的分析，使用不可壓縮流體介質(水介質)標定的儀表系數(shù)不可直接用于可壓縮流體介質(空氣和蒸汽)，須進行后續(xù)修正;由于水介質的不可壓縮性，其標定儀表系數(shù)在整個雷諾數(shù)范圍內較為穩(wěn)定，相比之下空氣介質的標定系數(shù)在測試范圍內波動較大，隨著雷諾數(shù)的增大，空氣介質的標定系數(shù)有一個先下降后上升的波動趨勢，需要說明的是，DN150口徑渦街流量計的空氣介質標定系數(shù)在最大雷諾數(shù)測試點突然下降，與其他測試點結果偏差較大，對DN150渦街流量計測試數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)其實際內徑偏小為1388mm，在最大雷諾數(shù)下其流速達到了103m/s，遠超過橫河渦街流量計對空氣介質的最大流速限制--一80m/s，從而導致了該測試點的明顯異常;蒸汽介質的實驗結果與空氣介質的實驗結果趨勢類似，但由于蒸汽和空氣的可壓縮性不同(即可膨脹性系數(shù)不同)，因此兩者的標定系數(shù)對比水介質的標定系數(shù)偏差不同。
　　綜上，不同介質下渦街流量計的標定儀表系數(shù)須進行修正后方可替代使用，需要考慮的修正因素包括介質的可壓縮性(可膨脹性系數(shù))，而不同介質的可壓縮性不同，其影響程度也不同，如空氣介質和蒸汽介質。此外，由于蒸汽為高溫介質，需考慮溫度對渦街流量計機械結構如殼體和發(fā)生體形變的影響。經測試，選用的橫河渦街流量計各部件材質及性質如表2和表3所示。
 
4結論
　　本文針對渦街流量計在不同介質下的標定儀表系數(shù)進行了實驗，實驗結果表明，可壓縮介質與不可壓.縮介質的標定儀表系數(shù)不同且不可直接替換，證明了介質可壓縮性對渦街流量計的計量性能有影響;高溫介質通過改變渦街流量計機械結構的形狀影響其計量特性。表明了介質可壓縮性和渦街流量計幾何尺寸(溫度影響)是影響渦街流量計計量特性的重要因素，若想將一種介質的標定結果應用到另一種介質上，須進行修正，以上兩種因素即可作為修正因子。結果可作為后續(xù)不同介質標定結果間修正的實驗基礎。

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