換入換出不同向型換向裝置換向流量誤差分析

潘云飛，羅德章，劉桂雄

（1.廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 510170；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

0 引 言

應用于液體流量標準裝置的換向裝置主要有換入換出同向型與換入換出不同向型兩種。換入換出同向是指換向器噴嘴在工作狀態與非工作狀態中相互切換時移動方向一致（如應用于日本國家計量院液體流量裝置的換入換出同向型換向裝置）[1]，換入換出不同向是指換向器噴嘴在工作狀態與非工作狀態中相互切換時移動方向相反（如應用于德國聯邦物理技術研究院液體流量標準裝置換入換出不同向型換向裝置）[2]。目前國內外研究者主要集中研究換向裝置換向運動重復性誤差[3-5]，針對噴嘴擺動、分流器固定式換入換出不同向型換向裝置換向過程中，噴嘴內部水流流場變化造成的換向流量誤差所做研究較少，但該類換向流量誤差客觀存在,尤其在液體流量標準裝置中不可忽視。為降低液體流量標準裝置的不確定度，研究分析噴嘴擺動、分流器固定式換入換出不同向型換向裝置換向過程換向流量誤差具有實際意義。

1 換向流量誤差原理分析

圖1為應用換入換出不同向型換向器的液體流量標準裝置結構示意圖，圖中虛線框部分為換向裝置。換向裝置工作原理為：1）噴嘴處于位置1，打開閥門，水流進入噴嘴，并從分流器左出口3流到回流罐，一段時間后噴嘴內水流穩定；2）啟動氣缸，流量表計時器啟動計時，噴嘴從位置1擺動到位置2，水流由噴嘴經分流器出口4流到稱重罐，換向裝置完成換入過程；3）經過檢定時間后，再次啟動氣缸，流量表計時器停止計時，噴嘴由位置2擺動到位置1，換向裝置完成換出過程，至此，換向裝置一個完整換向周期結束。

圖1 液體流量標準裝置結構示意圖

圖2為換向裝置一個換向周期稱重罐瞬時流量物理模型。tTIstart、tTIstop分別表示換向裝置換入開始與換入結束時刻，tMstart、tMstop分別表示流量計計時器啟動計時與停止計時時刻，tTOstart、tTOstop分別表示換向裝置開始換出與結束換出時刻，qin表示任意時刻t稱重罐瞬時流量，qconst表示換入過程結束時刻至換入過程開始時刻時間段內稱重罐恒定瞬時流量。

圖2 換向裝置一個換向周期流入稱重罐的瞬時流量物理模型

由于存在計時啟動延后誤差Δt1=tMstart-tTIstart，Δt2=tMstop-tTOstart，流量表計時器啟動計時時刻會延后于換向器啟動時刻[6]，故流量計實際計時時間為Treal=tMstop-tMstart，換入時間為TTI=tTIstop-tTIstart，換出時間為TTO=tTOstop-tTOstart。

1）流量計實際流量QFreal為

2）稱重罐實際流入流量QTreal為

3）換向流量絕對誤差QE為

4）換入過程流入稱重罐流量QTI為

5）換出過程流入稱重罐流量QTO為

在噴嘴內部流場不變條件下，換向過程tTIstart～tTIstop段瞬時流量曲線與tTOstart～tTOstop段瞬時流量曲線相互對稱，故只要設置流量表計時器計時啟動延遲Δt1，使得Q1=Q3，在保證換向裝置換向過程運動重復性一致、流量表計時器計時啟動延遲一致、換入與換出時間相同條件下，則有 Δt1=Δt2，tTIstop-tTIstart=tTOstop-tTOstart，Q4=Q6，Q1+Q2=Q4+Q5，換向過程不存在換向流量誤差。但由于噴嘴在擺動過程中內部流場會發生變化，故tTIstart～tTIstop段瞬時流量曲線與 tTOstart～tTOstop段瞬時流量曲線并不對稱，在換向裝置換入換出過程運動重復性一致、流量表計時器計時啟動延遲一致、換入與換出時間相同條件下，可得Q1=Q3，Q1+Q2=Q4+Q5，但Q4≠Q6，稱重罐實際流入流量QTreal=QTI+QTO+qconst（tTOstart-tTIstop），換向流量絕對誤差QE=Q4-Q6=Q4+Q5-Q5-Q6=Q1+Q2-（ Q5+Q6）=QTI-QTO，故換向流量相對誤差 E 為

2 仿真方案

2.1 物理模型及網格劃分

圖3為仿真物理模型和網格劃分示意圖。如圖所示，仿真實驗將仿真對象分為1噴嘴、2過渡環境、3外部環境、4分流器左管道和5分流器右管道共5個部分，圖 3（ a）組成部分 1～5 與圖 3（ b）網格 1～5 相對應。

圖中噴嘴入口處直徑為1m，出口處直徑為0.6m，噴嘴中線與豎直方向所成夾角為8°。考慮到換向裝置物理模型關于X-Y平面互相對稱，以X-Y縱截面為仿真對象劃分網格，在滿足實驗要求條件下既可以高效率利用計算機資源，又可以節省仿真時間[7]。如圖3（b）所示，采用塊劃分網格生成技術[8]對各組成部分進行四邊形網格劃分，然后將網格接合起來，形成仿真實驗網格模型，網格質量＞0.9。

圖3 仿真物理模型和網格劃分

分流器右管道處設置有一水平瞬時流量監測平面S，噴嘴出口與過渡環境相接合處設置數據面-1，過渡環境與外部環境接合處設置數據接合面-2，外部環境、工作容器與旁路容器之間設置數據接合面-3，下方分流器出口處設置出口，其余各邊界面均設置為wall。

2.2 仿真條件與過程

仿真計算時間步長設置為0.000 1 s。仿真模型初始化為空氣單相狀態，溫度為25℃，噴嘴處于待換入狀態，噴嘴入口處水流流速為5 m/s，水密度為998kg/m3。以豎直方向入水1s后，啟動用戶自定義（UDF）程序，噴嘴網格、過渡環境網格為滑移部分，以恒定角速度2rad/s逆時針繞原點旋轉，實現換向裝置換入過程，整個換入過程持續139.5ms。1s后，啟動UDF程序，噴嘴網格和過渡環境網格以恒定角速度2rad/s順時針繞原點旋轉，實現換向裝置換出過程，整個換出過程持續139.5 ms。記錄換入換出過程監測面S瞬時水流量數據。

仿真采用流體體積函數（VOF）兩相流模型[9]及顯式體積分數模式[10]，可以最大程度地模擬實際水流流動情況。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型[11]，該模型可達到比標準k-ε湍流模型更高的準確度。

3 仿真結果分析

t=1.0000，1.0465，1.9300，1.1395，2.0000，2.0465，2.9300，5.1395s時刻換向過程氣-液相圖以及噴嘴內部水流流場分布圖如圖4所示。可以看出，噴嘴擺動過程中內部流場處于持續變化狀態。

在換向周期內，噴嘴內部水流速度場呈不對稱分布，這就導致換入換出過程中噴嘴出口流速分布不對稱并引起換向流量誤差。

圖5為換向仿真過程稱重罐瞬時流量曲線圖。 取 tTOstart-tTIstop=50 s，由式（ 3）～式（ 6）可得：QTI=378.596 4 kg，QTO=384.872 7 kg，QE=-6.276 3 kg，QTreal=250263.4691kg，E≈0.0025%。其物理意義是：換入換出過程稱重罐瞬時流量曲線不對稱，換入換出流量相對誤差達0.0025%。

4 結束語

本文主要仿真分析并估計換入換出不同向型換向裝置換向流量誤差。結果表明即使流量計啟動計時時刻設置合理，并保證裝置換入換出過程運動重復性一致、計時器計時啟動延遲一致、換入換出時間相同，換向過程仍會產生換向流量相對誤差，達0.0025%。后續研究發現減小該類換向流量誤差是降低液體流量標準裝置不確定度的關鍵手段。

圖4 換向過程氣-液相圖以及噴嘴內部水流流場分布圖

圖5 換向仿真過程稱重罐瞬時流量曲線圖

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