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近年來,隨著生產(chǎn)大規(guī)模化和工程大型化,大管道的蒸汽流量計(jì)量在能源計(jì)量中廣泛應(yīng)用.為測(cè)量大管道流量,計(jì)量科學(xué)家們做了許多有益的探索,各種非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)依其各自的特點(diǎn),在大口徑流量測(cè)量方面廣泛應(yīng)用.這些非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì),由于不能像孔板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件一樣,有成熟且通行的標(biāo)準(zhǔn)支持,所以其儀表系數(shù)必須通過實(shí)流標(biāo)定獲得;然而,目前我國(guó)還沒有口徑大于400mm,滿足圓管流的蒸汽標(biāo)準(zhǔn)裝置,因此在推廣和使用中遇到了很大的困難.校驗(yàn)蒸汽流量計(jì)的常用蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置有鐘罩式蒸汽流量裝置、PVTt法蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、Mt法蒸汽流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和多臺(tái)音速噴嘴并聯(lián)等,但這些標(biāo)準(zhǔn)裝置若要用來校驗(yàn)大口徑大流量的蒸汽流量計(jì)會(huì)有困難.這是因?yàn)?雖然從原理及制造角度來說,將一些測(cè)量小管徑的流量計(jì)尺寸放大應(yīng)無問題,但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),而且還會(huì)帶來其它問題.如壓損過大,造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用過高等,因此很難考慮再采用這類標(biāo)準(zhǔn)裝置.另外,也可采用一臺(tái)或多臺(tái)穩(wěn)定性較好.精度較高的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)起來,以此作為流量基準(zhǔn)來校驗(yàn)大口徑流量計(jì).然而,ISO5167新標(biāo)
準(zhǔn)要求標(biāo)準(zhǔn)表和被校表的前直管段達(dá)30D~40D（D為管道的直徑）,管徑過大時(shí),現(xiàn)場(chǎng)無法滿足.
為解決插入式大口徑流量計(jì)校驗(yàn)難的問題,一種較好的辦法就是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流校驗(yàn).這正是本文研究的目的.速度面積法是一種測(cè)量管道中流量的經(jīng)典方法.該方法較為繁瑣,只適用于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn),而不適宜用于流程工業(yè)的流量測(cè)量,并且只適用于大管道,而不適用于小管道流量校驗(yàn).本文通過速度面積法,測(cè)量口徑為300mm的圓管內(nèi)形成充分發(fā)展湍流的試驗(yàn)段截面上的流速分布,獲得流速分布曲線,用指數(shù)分布式和統(tǒng)一分布式方程擬合該流速分布曲線,發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一分布式較指數(shù)分布式在管中心部分更接近實(shí)際值,因此將統(tǒng)一分布方程作為該面的流速分布方程.通過測(cè)量該截面上的一點(diǎn)流速帶入流速分布方程獲得管道流量作為標(biāo)準(zhǔn)流量,來校驗(yàn)插在該管道上進(jìn)行流量測(cè)量的均速管流量計(jì).
1方法分析
對(duì)于圓管內(nèi)速度分布式的研究,經(jīng)典且常用的是Nikaradse于1932年提出的指數(shù)分布模型,如圖1.u是管道截面上一點(diǎn)的流速,代表管道內(nèi)相對(duì)于中心軸線的位移,R代表管道半徑,則u和r在理論上滿足公式：

大速度,u為管內(nèi)平均流速,指數(shù)n是隨雷諾數(shù)Re變化的常數(shù),如表1.該模型所描述的流速分布在管壁附近（r=R）和管道中心（r=0~0.2R）兩處,無論雷諾數(shù)為多少,均與實(shí)際情況有較大偏離.因此,用該模型來擬合實(shí)際管道中的流速分布度不高.

圓管內(nèi)的充分發(fā)展湍流是一種典型的邊界層流動(dòng)現(xiàn)象,從邊界層的半經(jīng)驗(yàn)理論出發(fā),考察圓管中充分發(fā)展的湍流問題.整個(gè)邊界層可分為粘性底層、緩沖層和湍流核心層三部分,以下是三種按邊界層分段提出的速度分布公式

這些經(jīng)典的分段式模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好,但表達(dá)式不統(tǒng)一.分段式還必須考慮自變量范圍分段計(jì)算的過程,增加了實(shí)際工程計(jì)量的難度.為解決這一問題,龔家彪和他的學(xué)生于20世紀(jì)80年代對(duì)Spalding式進(jìn)行了改進(jìn),得到了充分發(fā)展的湍流面上統(tǒng)一描述整個(gè)管道截面上的速度分布模型如下:

文獻(xiàn)中通過對(duì)比光滑圓管中指數(shù)模型（1）和統(tǒng)一分布模型（10）,證明了統(tǒng)一分布式更加可靠,并且使用統(tǒng)一分布式在均速管流量計(jì)的測(cè)量桿上確定取壓點(diǎn)測(cè)流量精度更高.選擇一個(gè)具有穩(wěn)定流速分布的面,在該面上選擇多條直徑上的測(cè)點(diǎn),用皮托管進(jìn)行流速測(cè)量,當(dāng)測(cè)得足夠多的點(diǎn)后,可獲得該面的速度分布曲線.圖1為湍流直管內(nèi)流速分布情況.可以看出隨著管道長(zhǎng)度的增加,管道內(nèi)的流速分布由不充分發(fā)展向充分發(fā)展轉(zhuǎn)變,之后便趨于穩(wěn)定.由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各阻力件,管道粗糙度以及前直管段長(zhǎng)度不足等因素對(duì)流動(dòng)的影響,管道截面的流速分布都可能產(chǎn)生畸變,不再是對(duì)稱的.因此,必須有針對(duì)性的對(duì)需要獲得流量值的管道的某一截面進(jìn)行流速分布測(cè)量,獲得流速分布方程.之后就可以根據(jù)該流速方程以及管道中某點(diǎn)的坐標(biāo)推算出管道流速

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)在300mm管道蒸汽流量裝置上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置框架圖如圖2,整套裝置長(zhǎng)50D,實(shí)驗(yàn)段前后各有20D的直管段長(zhǎng)度.此套裝置采用吸氣式,動(dòng)力
源為變頻器（6~50Hz）控制的風(fēng)機(jī),正常工作時(shí)管內(nèi)流速范圍為1.30~11.74（m/s）.標(biāo)準(zhǔn)表采用度為%1%的TBQ系列蒸汽流量計(jì),流量范圍為320~6500（m3/h）,工作溫度為（-30~60）&,大氣壓力為（86~106）kPa,相對(duì)濕度RH（5~95）%.實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為20&的室溫,此時(shí)空氣密度為1.205kg/m3.

采用L型皮托管在管道中心20D處的試驗(yàn)段的測(cè)量面進(jìn)行流速分布的測(cè)量,皮托管的規(guī)格為*300,流量系數(shù)在0.99~1.01之間,精度為1.0.測(cè)點(diǎn)間距為5mm,測(cè)量范圍是-148mm~148mm,測(cè)點(diǎn)位置如圖3.由于變頻器的頻率在20Hz以上時(shí)管道受風(fēng)機(jī)擾動(dòng),產(chǎn)生一定振動(dòng),影響測(cè)量度,故分別測(cè)取10Hz,15Hz,20Hz三個(gè)頻率下,該面的流速分布曲線,如圖4.從圖中可以看出,該面上是充分發(fā)展的湍流速度分布,且同一測(cè)量面上三種入口流速下的流速分布曲線變化趨勢(shì)基本一致.

由于實(shí)驗(yàn)中的管道抖動(dòng)和皮托管誤差等因素,使實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)較為不穩(wěn)定,因此,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行小二乘法多項(xiàng)式擬合,利用隨機(jī)誤差的抵償作用,有效地減少隨機(jī)誤差的影響,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具可信賴性.分別取測(cè)量面上同一直徑上-145mm~145mm,間隔5mm的60個(gè)點(diǎn),在10Hz,15Hz和20Hz三個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的流速22m/s，3.4m/s和4.5m/s三個(gè)流速下，分別利用指數(shù)分布式（1）和統(tǒng)一分布式（10）計(jì)算該面上同一條直徑上的點(diǎn)流速,與實(shí)驗(yàn)測(cè)取的流速分布小二乘法多項(xiàng)式擬合曲線對(duì)比.圖5,6和7分別為2.2m/s,3.4m/s和4.5m/s三個(gè)流速下小二乘法擬合的實(shí)驗(yàn)曲線與公式擬合曲線對(duì)比.

將實(shí)驗(yàn)室中的一只均速管流量計(jì)作為被校流量計(jì),在10Hz,15Hz和20Hz三種風(fēng)機(jī)頻率下,將安裝在管道中試驗(yàn)段的均速管流量計(jì)測(cè)得的流量同統(tǒng)一分布式校準(zhǔn)方法獲得的流量,以及標(biāo)準(zhǔn)表渦輪流量計(jì)的流量對(duì)比如表3.此時(shí),統(tǒng)一分布式校準(zhǔn)方法是通過用皮托管測(cè)量三種頻率下該截面的中心處的流速,分別用統(tǒng)一分布式求出管道平均流速,進(jìn)而獲得流量值.

表2中可以看出,統(tǒng)一分布式求出的流量和渦輪流量計(jì)的示值非常接近,誤差在1%以內(nèi).對(duì)于管道的不同面,流速分布是不同的,特別是還沒有形成充分發(fā)展的湍流的截面,或者是所選取的管道截面之前可能有很多其他阻流件,造成所選截面的流速分布并不對(duì)稱,甚至產(chǎn)生畸變.此時(shí)可先通過精度較高的皮托管測(cè)得該面的流速分布曲線,利用Matlab等軟件擬合該流速分布曲線,獲得對(duì)應(yīng)的流速分布公式,然后利用該公式和上述方法步驟來校準(zhǔn)測(cè)孔在該截面上的插入式流量計(jì).
3結(jié)語
通過測(cè)量圓管內(nèi)的某個(gè)充分發(fā)展湍流面上的流速分布,獲得流速分布曲線后,用指數(shù)分布式模型和統(tǒng)一分布式模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)曲線,發(fā)現(xiàn)兩種方程曲線上的點(diǎn)流速與實(shí)際流速較接近,且統(tǒng)一分布式較指數(shù)分布式在管中心部分更接近實(shí)際值,故將統(tǒng)一分布方程作為充分發(fā)展湍流段的流速分布方程.通過這種方法,可以在之后的流速測(cè)量中直接利用該面的流速分布方程和該面的一點(diǎn)流速計(jì)算出管道流量,作為標(biāo)準(zhǔn)流量來校準(zhǔn)管道中的被校流量計(jì).這種方法必須對(duì)不同的管道分別測(cè)取某個(gè)面的流速分布,獲得對(duì)應(yīng)的流速分布曲線,然后對(duì)該曲線進(jìn)行擬合,并對(duì)方程做必要的修正,后達(dá)到通過方程和流速分布曲線直接推算流速的目的.該方法測(cè)流速的優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)于千變?nèi)f化的工業(yè)管道更具適用性.有效地減少了管道中由于前直管
段不夠長(zhǎng),以及管道中其他阻流件和管道粗糙度等因素,對(duì)管道流速分布的影響.這樣的校準(zhǔn)更有說服力.