1流體在矩形管道中的流動(dòng)特點(diǎn)早在1926年，Nikuradse就對(duì)流體在矩形管道中的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，其等速線如所示。它顯示出不同于圓管中的同心圓等速線，并且發(fā)現(xiàn)有二次流。
二次流從本質(zhì)上來(lái)看，是在紊流條件下，在管道橫截面上，有垂直于軸向的法向流動(dòng)，它與軸向流動(dòng)疊加后形成二次流，也可稱為渦流。由于層流不存在法向流動(dòng)，所以在層流條件下不可能發(fā)生二次流。（成都科學(xué)技術(shù)服務(wù)中心，成都（Sioooo）后，1964年，Brundrett及Baines又對(duì)矩形光滑管及粗糙管中的流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。他們認(rèn)為矩形管道中的二次流是由橫截面上的雷諾力所引起的，而起主要作用的是法向應(yīng)力強(qiáng)度，這是一種非等熵流動(dòng)，紊流運(yùn)動(dòng)是形成二次流的基礎(chǔ)。1973年Landei和Ying采用分析方法描述了這種復(fù)雜的流動(dòng)。他們論證了二次流有使壁面應(yīng)力均勻化的趨勢(shì)，并指出二次流將改變摩擦因子的大小，其幅度約為±10%.長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)這種流動(dòng)的研究著重在對(duì)阻力的影響，很少涉及流量的測(cè)量，近年來(lái)才有所考慮，有關(guān)論述參見(jiàn)。
也曾有人企圖只測(cè)矩形管道軸向的壓力梯度dp/d，來(lái)解決流量測(cè)量問(wèn)題，其公式為1/2高度；為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；dPl/ck為無(wú)量綱軸向壓力梯度。
這種方法至今還未聽(tīng)說(shuō)應(yīng)用到實(shí)際工程中，問(wèn)題在于這個(gè)計(jì)算公式是否確切地描述了實(shí)際的流動(dòng)情況，是否可準(zhǔn)確確定邊界條件。這些還有待于實(shí)踐證明。
2常用方法下面介紹測(cè)量矩形大管道流量的三種常用方法，雖各有所長(zhǎng)，但均不盡人意。
2.1速度面積法這是一種經(jīng)典的測(cè)量方法，早已有標(biāo)準(zhǔn)可以遵循（IS03966，IS07194）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不受管道大小的限制，而且也還準(zhǔn)確、可靠；不足之處是確定一個(gè)流量值要測(cè)20多點(diǎn)的流速，測(cè)量十分繁瑣，因此幾乎不太可能應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)上，但卻可做為一種*基本、*實(shí)際的校驗(yàn)方法。
此處要說(shuō)明的是，在標(biāo)準(zhǔn)中，這種方法推薦的流速計(jì)是NPL型皮托管，它雖準(zhǔn)確但對(duì)流向比較敏感，當(dāng)流向偏離軸向超過(guò)10時(shí)，就將引起1%以上的誤差。在圓管中應(yīng)用多屬位流不成問(wèn)題，但用于矩形管道則應(yīng)另當(dāng)別論。因在矩形管道中不可避免地會(huì)存在二次流，流向偏離超過(guò)±10則司空見(jiàn)慣，仍用NPL型皮托管，難保必要的準(zhǔn)確度。為此，筆者推薦一種帶導(dǎo)流進(jìn)口的特殊皮托管，它在流向偏離軸線±40.以內(nèi)時(shí)，仍可保持1%的準(zhǔn)確度。
2.2插入法2.2.1點(diǎn)速法點(diǎn)速法是通過(guò)測(cè)量管道中某一點(diǎn)的流速來(lái)推算流量的方法。這種方法簡(jiǎn)單易行，但準(zhǔn)確度很低，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多用于監(jiān)測(cè)，很少用于計(jì)量。原則上，采用這種方法一般流速計(jì)均可測(cè)流量。
目前所用的有插入式渦輪流量計(jì)、插人式渦街流量計(jì)、皮托一文丘利管等等。筆者在此特別推薦皮托一文丘利管，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，可輸出比皮托管大幾倍的差壓信號(hào)，且耐高溫及可工作在較前二者更為惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，在火電廠及冶金、鋼鐵行業(yè)曾風(fēng)行一時(shí)。要注意的是，其速度-差壓特性重復(fù)性差，每支均需在風(fēng)洞中校驗(yàn)后才好使用。
2.2.2線速法線速法是指一次測(cè)量沿一直線上多點(diǎn)流速的綜合值來(lái)確定流量，較點(diǎn)速法準(zhǔn)確，且安裝條件也優(yōu)于點(diǎn)速法，國(guó)內(nèi)外常采用均速管。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，便于安裝，較適用于矩形管道各種情況的風(fēng)量測(cè)量，其安裝位置如所示。
均速管在矩形管道中使用時(shí)，其流量計(jì)算公式與圓管類似，不同之處是在計(jì)算橫截面積及便于選用流量系數(shù)K時(shí)引用了當(dāng)量直徑與矩形橫截面寬6與高/1的關(guān)系為這樣處理僅為權(quán)宜之計(jì)，特別是當(dāng)矩形截面的寬6與高h(yuǎn)相差較大時(shí)，會(huì)有較大的誤差。
2.3彎管流計(jì)（見(jiàn)這種方法已應(yīng)用了幾十年，是一種較成熟的測(cè)量方法，只是輸出差壓太小，測(cè)量精度也不高。在采用矩形管道時(shí)，由于工藝布局的需要，可常見(jiàn)有矩形彎頭，如果因勢(shì)利導(dǎo)加以利用，倒也是一種可考慮的方法。
否則，在直管道中刻意加入一個(gè)90彎管流量計(jì)則就大可不必了。
3機(jī)翼流量計(jì)3.1原理測(cè)量矩形管道中的流量，早期曾采用過(guò)矩形文丘利管。為防止氣流在擴(kuò)張段分離，增大壓損，后擴(kuò)張角一般不得超過(guò)1p~12，因此文丘利管很長(zhǎng)，給安裝與運(yùn)輸帶來(lái)不便。如果在矩形通道中安裝一至數(shù)個(gè)機(jī)翼（見(jiàn)），則既可能將每個(gè)分離角控制在10~12°，又縮短了整個(gè)長(zhǎng)度，使結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝、運(yùn)輸。
從原理上來(lái)看，機(jī)翼流量計(jì)采用的還是節(jié)流，使氣流加速、降壓，通過(guò)測(cè)差壓來(lái)確定流量的大小，因此，它仍是一種節(jié)流裝置。但機(jī)翼流量進(jìn)口部分有導(dǎo)流作用，在氣體加速的過(guò)程中，可緩解氣流的橫向流動(dòng)，減小渦流的尺寸，所以它對(duì)進(jìn)口直管道的長(zhǎng)度要求不象機(jī)翼流量計(jì)原理圖一般節(jié)流裝置那么苛刻，約僅需3倍當(dāng)量直徑的長(zhǎng)度，這一點(diǎn)對(duì)矩形大管道特別具有實(shí)用價(jià)值。
3.2計(jì)算公式一般流經(jīng)機(jī)翼流量計(jì)的氣流速度不會(huì)超過(guò)30m/s，故可按不可壓流處理，流體的密度p可視為常數(shù)，公工推導(dǎo)以柏努利方程及連續(xù)方程為基礎(chǔ)（推導(dǎo)從略），計(jì)算公式為輸出差壓，pa；yv為常數(shù)，取決式（2）各參數(shù)的單位，此處為5.09x103；K為流量系數(shù)，一般在0.95~0.99之間；a為阻塞比，定義為m =42/禹；七為流量計(jì)喉部*小通道面積，m2；山為流量計(jì)進(jìn)口截面積，m2.在設(shè)計(jì)機(jī)翼流量計(jì)時(shí)，往往是已知流量9及進(jìn)口截面積木，由此來(lái)選定差壓Ap及阻塞比a二個(gè)參數(shù)。計(jì)算時(shí)要先給定其中一個(gè)參數(shù)來(lái)求另一個(gè)參數(shù)。筆者建議選定阻塞比a時(shí)以0.3~0.5之間為宜；a值選得太小，過(guò)于閉塞則壓力損失太大，影響管道中的正常流動(dòng)；選得太大，節(jié)流效果不明顯，輸出差壓又太小，難以選用差壓變送器。差壓Ap值建議不要小于400Pa，上限則無(wú)限制。
3.3結(jié)構(gòu)機(jī)翼流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如所示。
機(jī)翼型面型面的曲線由三段組成：前緣為一個(gè)曲率半徑為25的圓?。ɑ蛑苯硬捎靡桓?的圓管）；中段曲線為二次方程y2=c（c為常數(shù)）所描述；后緣為便于加工采用直線，三段平滑相接，不允許有拐點(diǎn)。
總、靜壓孔位置在每個(gè)機(jī)翼前緣正對(duì)流向有一組總壓孔，各孔相距0.2~0.3m，將所測(cè)得的總壓匯集在位于前緣的總壓匯管中，再將每個(gè)匯管中的總壓均值接至位于機(jī)翼流量計(jì)外殼上的總壓集氣管，通過(guò)儀表閥門，接至差壓變送器篼壓端。
在機(jī)翼*高點(diǎn)，也就是通道*窄處的機(jī)翼表面有一組靜壓孔（如考慮到流體的運(yùn)動(dòng)慣性，對(duì)流體而言，*窄通道應(yīng)處于結(jié)構(gòu)*窄處下游約1公分處）。各靜壓孔的間距為0.1~02m，將所測(cè)得的靜壓匯集在由截面50mmx60mm的方槽靜壓匯管中（見(jiàn)）。每個(gè)靜壓匯管采集的靜壓再接到位于流量計(jì)外殼上的靜壓集氣管，通過(guò)儀表閥門接到差壓變送器低壓端。
總、靜壓孔徑總壓孔徑為2~3mm；靜壓孔徑為1~2mm.一般來(lái)說(shuō)，靜壓孔應(yīng)為機(jī)翼板厚的1/2.靜壓孔不允許有倒角，邊緣光滑不得有毛刺、焊渣。而總壓孔前緣可允許有90>~120P內(nèi)倒角，甚至為加強(qiáng)導(dǎo)流作用，安裝導(dǎo)流套管。
人孔為便于檢修、校驗(yàn)，在機(jī)翼流量計(jì)進(jìn)口前方約1處，應(yīng)安置一個(gè)0.6mx0.6m的人孔。
這里要說(shuō)明二個(gè)問(wèn)題。其一是為什么要用方槽靜壓匯管。原則上講，只要在機(jī)翼中靜壓排孔安裝一個(gè)隔板，將總、靜壓分隔開(kāi)也是可行的。但這就要求加工機(jī)翼時(shí)所有焊縫應(yīng)優(yōu)良密封，不得漏氣，否則測(cè)不到真實(shí)的靜壓。其次由于機(jī)翼的后內(nèi)腔容積很大，而靜壓孔又僅為1~2mm，要達(dá)到穩(wěn)定的靜壓值需要較長(zhǎng)的時(shí)間，流；1計(jì)時(shí)間常數(shù)太大。因此，從改善加工條件，改善測(cè)控系統(tǒng)性能出發(fā)，采用容積較小，易于加工的靜壓匯管是必須的。其二是如果機(jī)翼流量計(jì)處于進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)口，在進(jìn)口處應(yīng)考慮安裝有導(dǎo)流作用的喇叭口，喇叭口呈弧形，角度以45°~60為宜，在這種情況下，由于流量計(jì)距進(jìn)口較近，可忽略壓損，大氣壓力可視為總壓，差壓變送器高壓腔直接與大氣相通，省略了總壓匯管及集氣管，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
排污工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的氣體難免會(huì)含有一些粉塵，機(jī)翼流量計(jì)由于測(cè)壓孔較多，一般不易阻塞。在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，集氣管或測(cè)壓匯管因空腔較小，可能集聚較多的粉塵。如在匯管或集氣管的另一端安裝一個(gè)排污球閥（或堵頭）通向大氣，定期打開(kāi)閥門（或堵頭），（下轉(zhuǎn)第16）3傳感器標(biāo)定結(jié)果傳感器在設(shè)計(jì)安裝調(diào)試完成之后，在計(jì)量部門進(jìn)行了標(biāo)定，為了與口徑為（425mm的電磁渦輪流量傳感器進(jìn)行比較，本文給出了與之口徑一致，軸承和渦輪轉(zhuǎn)子材料相同的光纖速度式渦輪流量傳感器的標(biāo)定結(jié)果。標(biāo)定程序嚴(yán)格按照流量標(biāo)定規(guī)程進(jìn)行，標(biāo)定介質(zhì)為水，共進(jìn)行了三個(gè)來(lái)回行程。標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)，其中a為辦-TV關(guān)系曲線，b為辦-A：關(guān)系曲線。
由標(biāo)定結(jié)果可知：光纖速度式渦輪流量傳感器的可測(cè)量范圍為0.29-12.60m3/h，量程比為43：1，在標(biāo)定時(shí)，由于標(biāo)定裝置壓力不夠，流量只能做到12.60m3/h，不可能再上升，否則，流量測(cè)量上限還有可能提高。而相同口徑的電磁渦輪流量傳感器可測(cè)量范圍為1.19~12.24m3/h，量程比只有10：1，由此可見(jiàn)，光纖速度式流量傳感器的測(cè)量死區(qū)大為減小。
經(jīng)對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算可知：傳感器在全量程范圍內(nèi)的線性誤差為0.83%，該數(shù)值有些偏大，但其重復(fù)性誤差僅為0.25%，因此，可以很方便地利用非線性修正的方法來(lái)減小線性誤差。例如，采用三段線性插值方法，傳感器的線性誤差就可減到0.30%. 4結(jié)論光纖速度式渦輪流量傳感器具有測(cè)量重復(fù)性好，量程比大，抗電磁*力強(qiáng)和安全可靠等*的優(yōu)點(diǎn)，尤其是分離式光纖速度式渦輪流量傳感器，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)不帶電，在低粘度燃油及可燃性氣體流量測(cè)量中是一種安全可靠的流量檢測(cè)儀器。
