均速管流量計國內外研究進展分析（其他）
均速管流量計國內外研究進展分析（其他）
劉亞成 張吉禮 夏南琪
大連理工大學建筑能源研究所
摘 要：均速管流量計是一款基于畢托管測速原理的差壓式流量計。本文介紹了均速管在截面形狀的發展情況、取壓孔的研究情況以及CFD數值仿真的研究進展。根據均速管近幾年的研究情況，本文認為均速管流量計研究的側重點應該是如何使均速管流量計的流量系數更加穩定和均速管流量計的標準化，只有這樣才能使均速管得到更多的應用。
關鍵詞：均速管流量計綜述
0 引言
均速管流量計( Averaging Pitot Tube)，國內也有叫阿牛巴，是基于畢托管測速原理發展演化而來的，畢托管測量的是單點的流速，而均速管測量的是管道截面上多點（圖1）的流速來獲取管道截面的平均流速。均速管流量計在使用時，用二次儀表測量其高、低壓端的壓力差，代入到式1中，就可以計算出流量。
均速管具有簡單、便宜、能耗低的特點，在流量計量儀表中占據重要位置，在國內外石化、電力、冶金、空調等諸多領域得到應用。但其也存在輸出壓差低、容易堵塞、還沒有標準化等一些不足，為此國內外學者對其進行大量研究。本文將回顧均速管流量計的發展歷史，介紹其在國內外的研究與發展情況。
1 均速管流量計橫截面的研究進展
均速管的截面形狀決定著流體流過均速管時的分離點，影響其周圍的壓力分布，對均速管流量計的流量系數有很大的影響。為了使均速管獲取更加穩定的流量系數，更大的輸出壓差，各種截面形狀的均速管層出不窮，下面本文將要按時間順序介紹均速管流量計橫截面截面（圖2）的研究發展情況。
1)圓形截面：如圖2(a)所示。圓形截面的均速管出現于1968年前后，是最早的均速管截面形狀，由美國迪特里希標準公司(DS)生產。圓形截面的均速管盡管結構簡單，加工方便，但是流體流過圓形均速管時會產生一個隨流速而變化的分離點，這會使均速管產生10%的測量誤差。
2)菱形截面：如圖2(b)所示。菱形截面的均速管出現于20世紀70年代后期，菱形截面的分離點固定在兩邊的拐點處，解決了分離點不固定的問題。這個時期菱形均速管只有一個低壓取壓孔，使用過程中容易堵塞，被稱為鉆石I型。20世紀80年代中期，DS公司將菱形均速管的低壓取壓孔的數量和位置改成與高壓測壓孔一致，使其不會因為某一個孔的堵塞而影響使用，這款均速管被稱為鉆石II型。菱形截面盡管可以使分離點固定，消除因為分離點變化而產生的測量誤差，但是由于低壓取壓孔設置在尾流區，由于尾流區漩渦的變化規律難以掌握，使尾流區壓力的變化也毫無規律，使均速管流量系數依然不夠穩定。
3)機翼形截面：如圖2(c)所示。機翼形截面出現于20世紀80年代中期，當時圓形截面均速管瀕臨淘汰，但有人希望對圓形截面改進，于是就產生了機翼形。機翼形盡管降低了壓損，對管內流場影響較小，但是輸出壓差太低，而且流量系數也是不穩定的。
4)子彈頭形截面：如圖2(d)所示。1993年，VERIS公司推出子彈頭形均速管，其具有固定的分離點，流量系數比較穩定，并且其吸收機翼形的優點，尾流區漩渦較小。子彈頭形截面均速管最顯著的特點在于它的低壓取壓孔設置在分離點前，使低壓孔受尾流區漩渦影響較小，因而流量系數更加穩定。但是輸出壓差偏低，特別是在低雷諾數條件下使用效果較差。子彈頭形均速管的高壓取壓孔與低壓取壓孔都在流場的高壓區域，在使用過程中這個高壓區會阻止雜物進入取壓孔，因而其防堵性能也是極其優越的。
5)德爾塔形截面：如圖2(c)所示。1995年前后，德國思科和埃爾郎根公司合作推出了德爾塔巴均速管流量計，和菱形均速管一樣，都有固定的分離點，但是其低壓取壓孔設置在尾流區，低壓信號不穩定，因而其流量系數也是不夠穩定的。為了防堵，其取壓孔的孔徑通常設置得很大。其最大的弊端在于外形過于復雜，加工難度很大，導致其成本很高。
6)T形截面：如圖2(f)所示。2001年，美國DS公司推出T形均速管流量計，它的取壓孔是槽型的，取壓孔占直徑的85%，能更準確地獲取流速分布，其具有非常穩定的流量系數，特別是在低雷諾數時，流量系數也比較穩定，測量精度可以做到0.75%以內。據稱T形均速管獲取的差壓信號比其他均速管大80%以上，具有突出的信噪比。T形均速管還內置一個溫度計套管，當需要溫度補償時，可以安裝溫度檢測儀表。
上面介紹的幾種截面形狀是均速管截面發展進程中，極具代表性截面形狀，它們都具有自己的特點，大多都得到實際應用。除上述幾種外，人們還研究了一些其它形狀的均速管截面。1985年，英國TFL公司推出托巴均速管，其主體形狀還是圓形，為了使分離點固定，靜壓孔附近一小段被銑成六邊形來獲取穩定的流量系數。波蘭人Kabacin ski和Pospolita提出一種雙翼形截面均速管，據稱這款均速管能獲取較大的壓差和較為穩定的流量系數，但是這款均速管阻塞比較大，會有較大的阻力損失，而且形狀過于復雜，加工難度很大。天津大學齊利曉結合菱形和德爾塔巴形均速管的特點，設計出整流翼型均速管，其測量性能優于圓形、菱形截面均速管。浙江大學朱瑩通過CFD仿真研究，提出一款雙體式均速管，跟子彈頭形均速管相比，輸出壓差大幅提升、量程比提升顯著，但是這也是在增大阻塞比的前提下做到的。
2 均速管取壓孔的研究進展
2.1均速管取壓孔的位置
均速管取壓孔的作用在于對管道內流體的速度分布進行取樣，當各個取壓孔的速度的算術平均值等于管道內的平均流速時，這樣的取樣才有意義。為了確定取壓孔位置和數量；使取樣能準確反映管道內平均流速，首先得了解流場的速度分布，能夠數值描述流場分布。對于速度分布不穩定、不對稱的流體，很難用數學模型來描述它們，但是對于充分發展的湍流，其速度分布是對稱而且穩定的，人們已經提出多種數學模型來描述它。1932年，尼古拉茲提出指數式的管流模型，如式(2)，但是尼古拉茲模型只是近似的，在管流中心和邊界處與實際并不相符。隨后，人們陸續提出幾種比較精確的模型如三次方模型、對數線性模型、高斯模型等。然而單獨使用以上任何一種模型都不太準確，有人提出用多種模型分段描述。
在了解管流的速度分布數學模型之后，就可以根據數學模型設置取壓孔的位置。人們根據尼古拉茲充分發展的湍流數學模型，提出了多種取壓孔設置方法，常見的有切比雪夫近似積分法、對數線性法、高斯近似積分法、等面積分布法、等流量分布法等。由于尼古拉茲模型描述的充分發展的紊流在管流的邊界處和中心處不太準確，人們提出了對數——切比雪夫法。對數一切比雪夫法考慮了管道近壁區的流場分布規律，其根據管道近壁區的對數線性規律來設置取壓孔，改進了切比雪夫法，經過大量實驗，人們發現對數——切比雪夫法更加準確，這種方法也被國際標準化組織所編寫的IS0 3966-2008所采用。
2.2均速管取壓孔的數量
關于高壓取壓孔的數量，有人研究證明在粗糙管內取一對即可，平均流速點的位置總是處于F0.758 R處，但是后來有人證明在光滑管內并非如此，毛新業認為取兩對到三對即可。對于高壓取壓孔，事實上可以根據所測量的管徑確定取壓孔的數量。對于低壓取壓孔的數量，一開始跟高壓取壓孔一一對應，后來認識到管道橫截面上各點靜壓相等，只設置一個就行。但是實際使用中由于低壓取壓孔容易被堵塞，又恢復到多個低壓取壓孔。
2.3均速管取壓孔的形狀和大小
對于取壓孔的形狀和大小，現在常見形狀有圓形和槽形。圓形取壓孔很普遍，大多數均速管都是采用圓形的取壓孔，槽形取壓孔主要是T形均速管在使用。譚強等發現當倒角角度一定時，輸出壓力隨深度的增大而增加，當倒角深度一定時，輸出壓力隨角度先增加后減小，倒角為300時，輸出壓力最大。取壓孔的大小，理論上越小越好，因為越小越能反映該點的真實流速，但越小就越容易堵塞，這個問題得綜合考慮。
3 均速管流量計CFD數值仿真研究進展
對均速管流量計CFD數值仿真主要出現在2000年以后，通過CFD數值仿真，可以清楚地看到流體流經均速管時的流場和壓力分布，與物理實驗相比，CFD數值仿真節省大量的時間成本與物料成本，是研究開發均速管流量計的一種高效經濟的方法。
最早用CFD數值仿真的方法研究均速管流量計的人，是來至印度理工學院的Seshadri等人，他們通過CFD數值仿真研究了3種不同截面形狀均速管的壓力場與流場，以及不同截面形狀對流量系數和永久壓損的影響，并研究了阻塞比對流量系數的影響。來至波蘭的Dobrowolski和Kabacin ski用CFD軟件對子彈頭形均速管進行三維的數值仿真，結合仿真研究了流量系數的數學模型，其仿真過程極盡詳細，為后人對均速管進行數值仿真研究提供重要參考。Daniel Wecel等為了找到最佳的數值仿真方法，對圓柱進行了數值仿真，通過與試驗數據對比，找到了較好的網格的劃分方法、湍流模型，然后對八種不同截面形狀的均速管流量計進行仿真研究。M．Kabacin ski和J．Pospolita找到了15種截面形狀的均速管仿真結果中的最優形狀，并通過實驗驗證其測試性能。Kabacin ski等對子彈頭形均速管進行了仿真，發現流體流過均速管時的渦脫落引起均速管的震動會對均速管流量計的測試性能產生影響。Vinod通過數值仿真研究了均速管流量計流量系數的校準，通過與實驗方法比較，發現兩者得到均速管流量系數相差在4%以內。
國內對均速管流量計數值仿真研究最早的是中國計量學院，張東飛等對子彈頭形均速管進行三維的數值仿真，研究了均速管流量計內部流動速度和壓力分布情況，取壓孔堵塞對均速管流量系數的影響，并發現流量系數隨著雷諾數的增大有增加的趨勢。謝代梁等提出了CFD數值仿真可以均速管的校驗提供新的途徑。史曉妍等通過仿真分析彎管后三種安裝形式對均速管輸出壓差的影響，流量計采用垂直于彎管平面的安裝方式最佳。張迎春等通過數值模擬分析了均速管前不同長度的前直管段對流量系數的影響，并提出了修正方法和修正公式。齊利曉研究了將均速管流量計三維仿真模型簡化成二維仿真模型的方法。浙江大學朱瑩通過仿真，設計了一款新型的雙體均速管流量計，其輸出壓差較高，流量系數較低。
4 總結
均速管流量計從誕生到現在已經有近五十年的發展歷史，期間為了改進其性能，截面形狀不斷變化，人們對于它的研究手段也從傳統的物理實驗手段逐漸變化成數值仿真與物理實驗相結合的方法。本文認為均速管研究改進的側重點，應該從原來的高輸出壓差、低流量系數轉變成穩定的流量系數和均速管流量計的標準化上。一方面原因在于不管如何改進，在相同的阻塞比的前提下，均速管的輸出壓差提升有限，這是由均速管的原理和結構決定的；另一方面，隨著制造工業技術的不斷發展，高精度的微壓計價格也并不是那么難以接受。對均速管流量計而言，流量系數高度穩定特別是在低雷諾數條件下流量系數能保持穩定，遠遠比增加有限的輸出壓差重要。均速管流量計應該努力實現其標準化，在不同的安裝條件下，不需要標定就能達到較高的精度，只有這樣才能使其在更多的行業領域中得到應用。
