摘要:利用常压气体作为流动介质，以流出系数平均相对误差、线性度和不确定度为评价指标，通过实流实验。研究上游组合管件对V锥流量计测量性能的影响。在上游相同阻流件条件下建模仿真,对V锥流量计和孔板流量计的结构进行对比。
0引言
V锥流量计尚未实现国际国内甚至行业范围内的标准化，目前仅获得加拿大工业部的天然气密闭管输交接准入认可、美国机械工程师协会的制造认可等。自2003年以来,国内也在积极开展对V锥流量计的推广和使用工作，然而生产厂家对量程比、压力损失、精度等关键技术指标乃至安装条件都直接采取美国MeCrometer公司产品说明书的方式。国内关于V锥流量计安装使用条件的实验研究鲜见报道。
对DN100球阀+ DN100单弯头, DN150球阀+ DN150变DN100渐缩管,DN150球阀+ 90°单弯头+ DN150变D100渐缩管, DN150球阀+90°单弯头+DN150变DN100渐缩管+ 90°单弯头这四种阻流件组合形式,通过改变前直管段长度对V锥流量计的测量精度进行实流实验，从而得出在上述四种阻流件组合的工况,V锥流量计的测量性能变化趋势。 还通过模拟仿真对V锥流量计和孔板流量计的结构进行对比。
1安装条件对V锥流量计测量精度影响的实验研究
1.1 V锥流量计的基准实验
用于V锥流量计直管段长50D,后直管段长3D,管道内流体流动为充分发展的淌流状态06团团团[51。前期大量文献表明，前直管段长度达到50D时,可以认为流场已经充分发展:同时，后直管段达到3D,不会影响V锥量计的流出系数。故上游阻流件实验结果均按照前直管段50D,后直管段3D为基准进行比较，从而得到流出系数和流出系数相对误差的变化情况。
1.2.上游阻流件对V锥流量计测量精度影响的实验研究.
1.2.1. 上游阻流件类型一 DN100球阀+ DN100单弯头的实验研究
阻流件类型为DN100球阀+ DN100单弯头的雷诺数流出系数曲线图如图1所示，从图中可以看出,在雷诺数大于80 000时随着前直管段长度的缩短，流出系数呈递增趋势:当雷诺数小于80 000时，流出系数随前直管段长度变化无明显增减趋势,无法进行有规律的判断。同时和基准实验数据相差比较大,当雷诺数在250 000那点时,基准实验的数据和其他的很接近。
从表1可以看出，当直管段长度小于3D时，随着直管段长度的缩短，平均相对误差呈递增趋势:当直管段长度大于3D时，平均相对误差变化不大。此变化趋势也可见图2所示。
1.2.2上游阻流件类型- -DN150 球阀+ DN150变DN100渐缩管的实验研究
阻流件类型为DN150 球阀+ DN150变DN100渐缩管的雷诺数流出系数曲线图如图3所示，从图中可以看出,随着前直管段长度的改变,流出系数基本不变，但略小于基准实验流出系数。
从表2和图4可以看出,在该工况下，虽然存在流.出系数相对误差,但前直管段长度对流出系数的影响基本可以忽略，且相对误差也不是很大。
1.2.3. 上游阻流件类型- -DN150球阀+90*单弯头+DNI50变D100渐缩管的实验研究
阻流件类型为DN150球阀+90°单弯头+ DN150变DN100渐缩管的雷诺数流出系数曲线图如图5所示，从图中可以看出,随着前直管段长度的缩短，流出系数呈递减趋势。
从表3和图6可以看出，随着前直管段长度的增长，流出系数相对误差呈减小趋势。
1.2.4. 上游阻流件类型一-DN150球阀+90°单弯头+DN150变DN100渐缩管+90°单弯头的实验研究
阻流件类型为DN150球阀+ 90°单弯头+ DN150变DN100渐缩管+90°单弯头的雷诺数流出系数曲线图如图7所示，流出系数均略大于基准实验流出系数，且改变前直管段长度对流出系数的影响很小。
从表4和图8可以看出，平均相对误差与前直管段长度无明显关系，且偏差均不大。
2V锥流量计和孔板流量计结构的模拟仿真对比
V锥流量计作为一-种新型的差压式流量计,其工作原理和孔板流量计相同。介质通过V锥时,由于阻流件V锥的存在，使得流体的流过面积发生变化，从而流速发生变化。根据伯努利方程，流速的变化引起.压力的变化，该压力的变化与介质的流速之间存在一
变DN100渐缩管+90°单弯头的流出系数相对误差曲线定的关系。因此，可通过测量锥体前后的差压达到测量流体流量的目的。虽然与孔板原理一样，但是最本质的区别在于孔板为中心收缩型节流装置,而V锥为边壁收缩型节流装置。
测量范围窄是制约孔板流量计使用的主要原因。--方面由于孔板的流出系数随雷诺数的变化而变化较大,另一方面孔板的突然节流导致孔板后产生较大的漩涡，该漩涡的存在直接导致测量的差压信号噪声较大;而V锥流量计克服了以上的缺点。如图9所示,V锥流量计是由与管道同轴的内部节流件V锥和取压装置组成，流体经过时并不像孔板那样突然改变流体的流动状态，而是介质随着锥体的方向向边壁收缩，该锥体起到调整介质流动状态的作用,重塑了流束曲线，使流体的流动更加稳定。实践证明，相比于孔板流量计,V锥流量计的流出系数随雷诺数的变化基本不变，且需要较短的前直管段。
实流实验的结果表明，即使上游存在各种不同类型的阻流件时,对于V锥流量计来说只需3D的前直管段即可保证计量精度在+0. 5%的范围之内,而对于孔板来说则需要10D甚至30D的前直管段才能达到同V锥的同等精度。为了更好的从本质上来分析两种差压式流量计的差异，采用CFD软件Fluent分别对两种流量计在上游存在相同阻流件即球阀+90°弯头)时的情况进行建模仿真。仿真的锥体和孔板部分的压力云图以及速度矢量图如图10至图13所示。
对比图10与图12不难发现，V锥的下游取压在锥体尾部，避开了漩涡较大的区域,处在一个速度较为平稳的区域。而孔板的下游取压刚好处在漩涡区域，漩涡的存在导致了孔板下游的压力信号的采集存在较大的干扰。因此，采用同样的差压变送器对两种流量计进行测量时,V锥流量计的差压信号的信噪比要明显高于孔板。
如此，在流体流过V锥时，流体介质的方向会随着锥体的边壁慢慢向管壁收缩，如图11所示，流过锥体之后形成漩涡，无论锥体前端的流体的流动是否得到充分发展，在锥体尾部还是会存在一个速度相对平稳的区域。而对于孔板而言，它的这种结构使得流束在管道中心突然收缩，在下游取压处产生较大的漩涡，前端流体是否充分发展将会对漩涡的特性产生不确定性的影响，这就直接影响着差压信号的测量。因此,在;孔板和V锥流量计的上游均存在相同阻流件时，流体的未充分发展对V锥流量计的测量产生的影响较小，而对于孔板产生的影响较大，即在保证同样精度下，V锥所需要的前直管段相比于孔板要短。
3总结
对DN100球阀+DN100单弯头,DN150球阀+DN150变DN100渐缩管,DN150球阀+90°单弯头+DN150变D100 渐缩管,DN150球阀+ 90°单弯头+DN150变DN100渐缩管+90°单弯头这四种阻流件组合形式，通过改变前直管段长度对V锥流量计的测量精度进行实流实验,发现当后直管段长度不变时,随着前直管段长度变短，流出系数相对误差随之变大。为V锥流量计在以上四种阻流件组合条件下，前直管段长度变化跟流出系数的变化趋势图和雷诺数跟流出系数的关系变化提供了参考。通过对V锥流量计和孔板流量计结构的模拟仿真对比，得到当孔板和V锥流量计的上游均存在相同阻流件时,流体的未充分发展对V锥流量计的测量产生的影响较小而对于孔板产生的影响较大，即在保证同样精度下,V锥所需要的前直管段相比于孔板要短。
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