林國(guó)慶 韓龍飛 王睿希 逯超 劉俊超

摘 要：分析了MQL-8201型碳平衡油耗儀所用V錐流量計(jì)的測(cè)量原理。利用仿真方法，依據(jù)V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，建立了該流量計(jì)的幾何模型。仿真結(jié)果表明，氣體流動(dòng)在到達(dá)V錐流量計(jì)前已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，壓力和速度分布趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：碳平衡法;碳平衡油耗儀;流量計(jì)

Abstract： The measuring principle of V-cone flow meter used in MQL-8201 carbon balance fuel consumption meter is analyzed. The geometric model of the V-cone flow meter was established by simulation method based on the structure size. The simulation results show that the gas flow has reached a steady state before reaching the V-cone flow meter and the pressure and velocity distribution have stabilized.

前言

以MQL-8201的碳平衡油耗儀為研究對(duì)象，該油耗儀主要由流量測(cè)量單元，氣體濃度單元和標(biāo)定單元所組成，可用于車輛汽柴油和天然氣消耗量的檢測(cè)[1-2]。

1 V錐流量計(jì)的測(cè)量原理

MQL-8201型碳平衡油耗儀選用V錐流量計(jì)測(cè)量氣體流量，V錐流量計(jì)是壓差式流量計(jì)的一種，其測(cè)量原理是基于流動(dòng)連續(xù)性原理和伯努利方程，當(dāng)車輛排氣及空氣的混合氣流經(jīng)流量計(jì)內(nèi)部時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)孔板的前后變產(chǎn)生壓差，介質(zhì)流動(dòng)的流量越大，壓差就越大，然后通過(guò)測(cè)量這種壓差來(lái)測(cè)量流體流量的大小[3]。內(nèi)部流場(chǎng)為管狀。氣體濃度單元模塊，傳感器單元采用的檢測(cè)方法是高精度的非分光紅外線法，其測(cè)量的原理是根據(jù)所測(cè)氣體成分的濃度的大小與其吸收特定波長(zhǎng)的紅外線輻射能的能力成比例關(guān)系。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

V錐流量計(jì)由V形錐體和相應(yīng)的取壓孔組成。V錐體同軸安裝在測(cè)量管中，其頂尖面對(duì)著來(lái)流，并且與尾隨面形成一個(gè)小的銳角，從而保證流體在進(jìn)入下游的低壓區(qū)之前有一個(gè)平滑的過(guò)渡區(qū)，流體平滑地收縮至測(cè)量管中心軸線附近。與一個(gè)突然改變流體流動(dòng)方向的節(jié)流件有所不同，這種節(jié)流方式實(shí)現(xiàn)了流體可以逐漸的朝著測(cè)量管內(nèi)壁的收縮節(jié)流。測(cè)壓管是預(yù)先進(jìn)行精密加工的，流體在流經(jīng)V錐體時(shí)，流速將增大，依照能量守恒定律，靜壓在流速增大的區(qū)域必然會(huì)降低一個(gè)相應(yīng)的值，從而在節(jié)流件的前后產(chǎn)生差壓△P，產(chǎn)生的壓差和流量存在函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而測(cè)量出流量。

根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程，可以推導(dǎo)出流量表達(dá)式為：

式中：

Q——質(zhì)量流量，kg/h;

C——流出系數(shù);

β——等效直徑比，其值為 ，其中，D為管道內(nèi)徑，d為錐體最大截面直徑;

△P——差壓，Pa;

ρ——被測(cè)介質(zhì)密度，kg/m3;

ε——流束可膨脹系數(shù)，對(duì)不可壓縮流體，ε取值為1，若流體可以壓縮，根據(jù)其介質(zhì)的等熵指數(shù)，可以確定出ε值來(lái)。

2 V錐流量計(jì)的仿真分析

2.1 仿真計(jì)算的網(wǎng)格劃分和設(shè)置

依據(jù)碳平衡儀采用的V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，建立的幾何模型如圖2所示。在Gambit中對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為963471。在FLUENT中選用RNG k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，該模型經(jīng)物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有較好的預(yù)測(cè)性。在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。仿真以空氣為介質(zhì)，入口條件設(shè)為速度入口（Velocity Inlet），常溫25℃;出口條件設(shè)為壓力出口（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325 Pa）;錐體和管壁設(shè)為wall。求解算法為SIMPLEC，離散格式為二階格式。

2.2 結(jié)果分析

本次仿真分別在入口流量為4m3/min、15m3/min、25m3/min三種流量下（流速分別為5.898 m/s、22.12 m/s、36.86 m/s）進(jìn)行仿真，這三種流量分別為風(fēng)機(jī)的最大、最小和測(cè)量時(shí)的常用流量，仿真得到的壓力分布如圖3所示。

從壓力分布圖可以看出，這三種工況下流體在到達(dá)V錐流量計(jì)測(cè)壓孔的前端時(shí)，壓力分布穩(wěn)定，無(wú)波動(dòng)，表明該流動(dòng)已經(jīng)達(dá)到充分發(fā)展階段，流動(dòng)已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定，證明該流量計(jì)安裝的位置合理，不會(huì)因?yàn)榱鲃?dòng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致壓力測(cè)量的不準(zhǔn)確。在緊鄰錐體尾部后端的一定區(qū)域里出現(xiàn)了低靜壓區(qū)，而這個(gè)低靜壓的區(qū)域與漩渦分離的區(qū)域位置基本是一致的，在該區(qū)域內(nèi)，靜壓跟流速都比較低。

仿真得到三種工況下的速度矢量圖如圖4所示?？梢钥闯?，速度矢量圖顯示與壓力分布圖一致，從速度矢量圖可以清晰的看出流場(chǎng)的分布情況，特別是后兩種工況，可以清晰的看到這兩種工況下，速度分布在到達(dá)V錐流量計(jì)的測(cè)壓孔前已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定，速度分布趨于一致，表明該V錐流量計(jì)安裝位置合適，測(cè)量結(jié)果可靠。

綜上所述，本碳平衡儀采用V錐流量計(jì)作為流量測(cè)試設(shè)備，通過(guò)FLUENT對(duì)該V錐流量計(jì)的仿真結(jié)果表明，氣體流動(dòng)在到達(dá)V錐流量計(jì)前已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，壓力和速度分布趨于穩(wěn)定。因此說(shuō)明該流量計(jì)設(shè)計(jì)合理，測(cè)量結(jié)果可靠，完全適用于碳平衡法燃料消耗量測(cè)量的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟新育.營(yíng)運(yùn)車輛碳平衡法燃料消耗檢測(cè)技術(shù)及推廣應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2017，36（12）：137-140.

[2] 林國(guó)慶，朱建濤，馬深圳，等.碳平衡法對(duì)于單燃料天然氣汽車燃?xì)庀牧繖z測(cè)的適用性分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（12）：136-137.

[3] 劉軍，謝文磊，高建立，等.測(cè)量排氣流量的內(nèi)錐流量計(jì)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（7）：29-34.