1气体流量计的工作原理[9]
气体流量计主要由以下几部分组成:起旋器、文丘里管、消旋器和检测元件.其结构原理如图1.气体流量计是根据气体进动现象为机理的流量计.流体流入气体流量计后,首先通过一组由固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强制旋转,使流体形成气体流.气体中心为/涡核0是速度很高的区域,其外围是环流.流体流经收缩段时气体加速,沿流动方向涡核直径逐渐缩小,而强度逐渐加强.此时涡核与流量计的轴线相一致.当进入扩大段后,气体急剧减速,压力上升,于是就产生了回流.在回流作用下,涡核就围绕着流量计的轴线做螺旋进动,进动频率与流体的流速成正比.因此,测得气体的频率即能反映流速和体积流量的大小.气体的频率范围一般在10~1500Hz,与流体流量Q有如下比例关系:Q=f/K
式（1）中:K）仪表系数,它表示流过单位体积的流体所产生的脉冲数,K值在仪表出厂前由生产者给出.

2.1流体力学控制方程和湍流模型气体流量计的流体动力特性可以用流体力学基本方程描述如下:
连续性方程与动量方程:

因为标准的k-E湍流模型用于强旋流或带有弯曲壁面的流动时,会出现一定失真,所以笔者选用的湍流模型是RNGk-E湍流模型.在RNGk-E湍流模型中,通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响,而使得这些小尺度运动有系统地从控制程中去除.
2.2物理模型、初始条件及边界条件
计算用物理模型是如图2的直径为50mm的气体流量计.网格划分采用的是非结构化混合网格,网格数大约为42万.计算的流体介质是空气,边界条件为:入口采用速度入口边界条件,速度值固定为圆管中充分发展湍流的速度剖面,流量范围为40~240m3/h.出口边界条件设定为压力出口,压力值固定为一个大气压.管壁及起旋器表面设为无滑移边界条件.

3计算结果分析
3.1气体进动效应流场演变情况
图3为气体进动效应一个周期内的压力演变过程,其中右侧为通过轴线的纵剖面、左侧为图2的垂直剖面1.从图3中可以看出,在气体流量计的加速区内,压力分布几乎不随时间变化,起旋器尾部靠近管壁的压力较大,靠中心轴线附近压力较小.这是因为流体被起旋器强制旋转后形成气体流,越靠近气体中心流速越高,压力越小.当流体进入不稳定区域时,流场压力随时间作周期性的变化.从图3右边的垂直剖面可以看出高速流束在该截面做接近于逆时针圆周的运动。

3.2检测点的位置对测量的影响
当流量为160m3/h时,取7个检测点来观察它的压力变化情况.7个检测点分别是:点1位于垂直剖面1（即扩张段的中部）上离壁面6mm处,点2位于垂直剖面2（扩张段上游5mm）上离壁面6mm处,点3位于垂直剖面5（扩张段下游5mm）上离壁面6mm处,点4位于垂直剖面3（扩张段上游10mm）上离壁面6mm处,点5位于垂直剖面4（扩张段上游15mm）上离壁面6mm处,点6位于垂直剖面2上离壁面10mm处,点7位于垂直剖面2上与点1有180b相差的轴对称点.
图4中的三点分别位于扩张段中部和扩张段上游5mm及下游5mm处.从图4中可以看出三点的振荡频率一样,在扩张段中部和上游5mm的压力振荡幅度明显比下游5mm的压力变化大.而且在上游处检测点压力波形的相位要比下游处的要小.扩张段中部和上游5mm处的检测点压力变化幅度相差不大,但扩张段中部压力的绝对平均值要稍大一些.

图5中的三点分别是位于扩张段上游5mm、10mm和15mm处.从图5中可以看出三点的振荡频率一样,越靠近扩张段的点压力振荡幅度越大,而且在这上游的三个点无相位差.

图6中的两点是同一垂直剖面2上距离管壁不同距离的两个检测点,观察图6可以得出两点的振荡频率一样,压力变化幅度相差不大,但距离管壁远处压力的绝对平均值要稍大一些.

图7中的两点是同一垂直剖面1上180°相差的轴对称的两个检测点,观察图7可以得出两点的振荡频率一样,压力变化幅度一样,但两点压力振荡波形的相位差正好也为180b.如果对这两点的信号进行差动处理可以得到脉动周期不变但强度增加1倍的脉动信号[7].
 

综上所述,在气体流量计的流通管道中,扩张段及其上游5mm处的气体脉动信号最强.如果采用相位差为180b的两个轴对称点进行差动处理可以使脉动信号增强一倍.3.3改进模型与传统模型的流量与进动频率和压损的关系气体流量计的缺点之一就是它在使用过程中的压力损失过大,为了达到降低压损的目的,笔者将传统的气体发生前面加上导流片,如图8.为了研究传统模型和改进模型的气体脉动频率与流量之间的关系及压力损失与流量之间的关系,入口流量范围取40~240m3/h,流量每间隔40m3/h取一次（40m3/h、80m3/h、120m3/h、160m3/h、200m3/h和240m3/h）,观察气体脉动频率的周期和进出口压力的情况.然后,统计出传统模型和改进模型的气体脉动频率与流量之间的关系及压力损失与流量之间的关系,如表1.值得注意的是,为了准确捕捉脉动周期,在计算过程中非定常迭代时间步大小要合理选择（一定要比脉动周期要小得多,通常小于1/10脉动周期）.
图9为传统模型气体脉动频率和压力损失与流量的关系图,从图9可以看出气体脉动频率与流量之间成线性关系.压力损失$P与流量的平方成正比.通过最小二乘法对表1的数据进行线性拟合,可以得到以下关系:

图10为改进模型气体脉动频率和压力损失与流量的关系图,从图10可以看出气体脉动频率与流量之间关系基本不变,但在相同的流量下,改进模型的压力损失明显减少;通过最小二乘法对表1的数据进行线性拟合,可以得到以下关系:

4结语
经过采用RNGk-E湍流模型对气体流量计进行数值模拟计算,并进行结果分析与处理,得到如下结论:
1）通过观察不同检测面上各检测点的压力变化情况,可以分析出较佳的检测面上适宜的检测点.就当前情况而言,在扩张段的中部以及扩张段上游5mm处的信号最强.但是,在测量仪器的安装方面,扩张段上游的安装更加方便.如果采用相位差为180°的两个轴对称点进行差动处理则可以使脉动信号增强一倍.
2）在气体流量计前加入导流片可以降低流量的压力损失,克服其压损大的缺点.