一種用仿真設計的可變噴嘴換向器研究

王 海，汪 斌，沈曉曼，楊 照，黃奕欣

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

一種用仿真設計的可變噴嘴換向器研究

王 海，汪 斌，沈曉曼，楊 照，黃奕欣

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

設計建造質量法液體流量標準裝置的過程中,需要根據衡器的量程確定不同換向器組的幾何尺寸和規格。傳統的制造方案一般采用歷史數據，很少有文獻從原理上對換向器及其配套噴嘴進行理論設計。該文首先通過計算確定流量噴嘴的量程和入口管道口徑，仿真計算得到適宜的噴嘴尺寸；配置合理的分水器和驅動裝置；針對性地改善噴嘴出口流速的均勻性，減少流量標準裝置的誤差來源。最后通過仿真計算結果和實驗測試數據進行比對，取得較好的一致性，證明通過仿真指導設計制作流量換向器是科學合理的。

液體流量標準裝置；出口開度可變；流量噴嘴；流場仿真

0 引 言

國內外計量單位保存的質量法液體流量標準裝置一般以建成后的工程實際性測量來描述基本計量性能，對于前期的計量性能和結構原理設計基本不進行闡述。

近年來國內新建立的質量法液體流量標準裝置，一般的評價依據為JJG 164——2000《液體流量標準裝置》[1]。在現階段衡器的不確定度分量基本能優于0.01%的情況下，阻礙裝置測量不確定度提升的最大不確定度分量來源就是換向器組件[2]。換向器從換向方向上分為往復式換向和旋轉式換向。換向器從出口結構上分為閉式換向器和開式換向器，閉式換向器工作時對流量穩定性影響量較大，所以在高準確度的流量裝置一般選用開式換向器；開式換向器組件一般是由噴嘴（流束控制機構）和分水器（執行機構）組成的[3-4]。所以從原理上進行噴嘴合理化設計可能大幅度減小標準裝置的不確定度。而目前大規模采用的固定式矩形出口噴嘴流量范圍受流速范圍的影響，在保證不確定度的情況下很難達到1∶10的量程。

中國測試技術研究院通過仿真設計生產出一種可變出口截面積的噴嘴來提高流速均勻性和控制流速畸變，在流量均勻性得到保證的前提下可以減少往復式分水器執行機構的行程和力矩，大幅度提高了換向器正反行程的一致性，減少了不確定度分量。

1 設計原則

通過查閱資料和工程實際，總結出換向器的設計原則。

1.1 換向器隔板切割水頭時間

對于人字型往復式分水器，由于采用單軸支撐，往復運行其實是走的圓弧軌跡，為了使圓弧軌跡更接近線性軌跡，需要采用盡可能長的旋轉半徑和盡可能短的往復行程，這樣也可以減少執行機構的推力；驅動推重比適中，過大會導致結構剛性要求增加，過小會導致切換時間過長。

一般認為切換水頭時間越短越好，而成功的設計應保證換入/換出時間差優于5ms，重復性優于2ms。

1.2 噴嘴出口長寬比

噴嘴出口宜為長寬比適量的矩形，在ISO 4185——1985（E）中推薦長寬比為15～50，更大的長寬比有利于把水頭做薄，有利于減少切換時間，有利于減小流速不均勻帶來的不確定度，但對于生產加工增加難度。實際中發現長寬比較高時，往往由于線速度不均勻和表面張力的影響，容易形成出口偏心流和弧形流[5-6]。

合理的長寬比應大于1∶10，兼顧最小流量和最大流量線速度，對于可變長寬比噴嘴則應以線速度指標進行設計。

1.3 線速度相等性

理想的噴嘴出口水流在到達分水器處是應保持為形狀固定的矩形水柱且截面各點線速度相等。有文獻指出由于噴嘴流場中流速不均勻帶來的不確定度貢獻可能達到為0.01%～0.02%[7-8]。設計上應保證流量均勻性帶來的影響小于0.01%，而目前國內外文獻論述比較少。

1.4 線速度范圍

工業應用中，液體流量計的線速度上限一般為5～7 m/s，大口徑液體流量計（DN600以上）往往實際工作線速度上限僅為1～3m/s，噴嘴出口線速度應略大于額定口徑管道線速度以形成背壓[9-10]。通過試驗觀察，在100 m3/h流量點下，約0.5 m/s線速度時矩形水柱開始發散。為保險起見，噴嘴出口線速度不應低于1m/s，一般來說噴嘴出口流量線速度范圍應為1～7m/s。

1.5 噴嘴設計

根據管道口徑和流量來設計噴嘴尺寸

式中：W——矩形出口寬度，mm；

L——矩形出口長度，mm；

Q——電子天平在最短測量時間內可達到的最大流量，kg/h；

v——矩形出口線速度，m/s。

通過式（1）和式（2）可推導出的最大流量和噴嘴出口尺寸如表1所示。

表1 理想線速度和管道口徑對應表

1.6 噴嘴前端管道設計

噴嘴前端管道和噴嘴合成一個閉合流場，通過仿真設計計算出合理的結構和尺寸來保證出口流量均勻性。本文即以仿真得到的結構尺寸來實物驗證。

在實際中發現，較大的線速度容易導致噴嘴水頭出現飛沫，換向擋板切換水頭時容易出現飛濺現象；為了抵消水頭的沖力，驅動裝置推重比設計時往往會有大量的冗余。而大驅動力對于機械強度要求較高，甚至對于基建都會有更高的要求。如果能夠把噴嘴出口線速度控制在一個較小的范圍（1～5m/s），可以預期得到較小的不確定度。國內有的裝置采用一大一小雙配置的換向器來解決這個問題，但經濟性和場地要求性更高。

2 實物試驗驗證

2.1 通過仿真制造實物

以入口管徑DN50mm、最大流量48 000 kg/h進行換向器噴嘴仿真研究并制造實物驗證。

入口為DN50mm上仰圓管（上仰10°），通過2L距離轉換到140mm×15mm的矩管。再通過R=L的100°轉向，通過0.3 L的140mm×15mm矩管距離整形，最后通過0.7L的夾板式可變出口段，出口調節尺寸范圍為2～14mm實物模型如圖1所示。

圖1 實物模型圖

通過某仿真軟件分別對A、B狀態模型進行仿真，仿真參數如下：

A狀態質量流量為1.333kg/s

B狀態質量流量為13.33kg/s

A、B狀態模型出口流速分布如圖2和圖3所示。通過仿真得到噴嘴出口截面網格的坐標點線速度,其中X（n）為切換方向的坐標軸，Z（n）為切換方向橫切面的坐標軸。通過仿真得到出口截面的線速度二維坐標數據進行計算。噴嘴水流坐標見圖4。

圖2 A狀態模型出口流速分布

圖3 B狀態模型出口流速分布

圖4 噴嘴水流坐標圖

假設換向器切換水頭速度（移動速度）恒定，往返切換通過水頭時間為t1、t2，可以得到切換時間內往返向注入收集桶質量分別為m1和m2：

式中n為網格數量。

由于t1、t2通過行程差法調試后可以近似相等抵消，可以簡化模型把出口截面的網格線速度之和作為計算數據。

A狀態模型：流量點4.8 t/h（1.333 kg/s），出口開度5.2mm，出口平均線速度1.7m/s。出口平均線速度左向換向點線速度面積之和為3251.1m/s，右向換向點線速度面積之和為3254.4m/s，差值為3.3m/s，相對誤差約0.1%。如切割水頭時間為50ms，測量時間為36 s，計算得到流速分布不均勻帶來的質量誤差估計值為0.1%×50/36000=0.0002%。

B狀態模型：流量點48 t/h（13.33 kg/s），出口開度14 mm，出口平均線速度6.8 m/s。出口平均線速度左向換向點線速度面積之和為76 548 m/s，右向換向流量點線速度面積之和為80 348 m/s，差值為3 800 m/s，相對誤差約4.8%。如切割水頭時間為50 ms，單次測量時間為36 s，計算得到流速分布不均勻帶來的質量誤差估計值為 4.8%×50/36 000= 0.0067%。

2.2 實物試驗數據

選用如圖1所示流量噴嘴B狀態進行驗證試驗，最短測量時間為36 s，分水器為人字型往復式。實驗前參照檢定規程進行流量計法試驗，換向誤差約為0.01%，調試消除后進行驗證試驗[1]。

使用行程差法試驗測量結果：

使用寬度為14 mm的遮光板，安裝于光電傳感器中，替代水頭寬度。

平均換入時間t1為56.7ms

平均換出時間t2為55.5ms

A類標準不確定度s5=0.001%

A類標準不確定度s6=0.002%

B類標準不確定度u4=0.001%使用流量計法驗證結果如下：

選取一臺出廠不確定度為0.05%的科里奧利質量流量計。以36s測量10次，以10次的平均值作為36s測量的平均值。以3.6s測量10次，以10次的平均值作為3.6s測量的平均值。

36s測量得到的平均系數為199.95p/kg

3.6 s測量得到的平均系數為199.91p/kg

差值為0.04.相對誤差為0.02%

A類標準不確定度s1=0.002%

B類標準不確定度u1=0.004%

從上述結果可以看出，仿真結果和實際測量結果具有良好的一致性。由于出口水流線速度預知均勻，實際上通過行程差法調試主要消除的是換向器氣動驅動力不一致性，減少了流量和換向器行程差法試驗的不確定度關聯性。試驗方法設計上確保了行程差法試驗的初衷，減少了試驗方法的不確定度。

3 結束語

本文通過仿真計算和試驗驗證，可以得到以下結論：

1）仿真可以預先對換向器噴嘴流速分布進行預估計算，在設計期即可有效地控制換向器不確定度，避免流量裝置結構性缺陷的產生。對于已知成熟的幾何尺寸可以定型作為固定件生成，減少換向器組件的制作難度。

2）在已知出口流速均勻性的情況下可以大幅減少分水器驅動推重比，提高換向機構的平均無故障時間和重復性；同時減少了噪聲。

A狀態模型出口開度5.2 mm在精密的機加工保證下仍有下探的空間，理論上可以達到2mm甚至更低。通過仿真設計的可變流量換向器,流量范圍由1∶5拓展到1∶30甚至更高，大幅提高了可控不確定度試驗流量的區間。

3）通過應用流量仿真軟件，不僅可以指導流量裝置的設計生產，也可以對其他流量測量方面的研究提供幫助。

長期以來，計量部門進行試驗工作測重于數據的可靠性，對于試驗數據產生的數學模型關注較少，而對于數據的不確定度評定又往往使用了計算物理學的方法；本文驗證了仿真完全可以把計算物理學和實驗物理學聯系起來，更好地指導日常開展的工作。

[1]液體流量標準裝置：JJG 164—2000[S].北京：中國計量出版社，2000.

[2]沈文新，陸佳穎.基于雙計時原理的水表和換向器檢定方法研究[C]∥全國流量計量學術交流會論文集，2008.

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（編輯：李剛）

Research on a variable nozzle design and simulation of the commutator

WANG Hai，WANG Bin，SHEN Xiaoman，YANG Zhao，HUANG Yixin
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

In the process of designing and construction for standard liquid flow device based on quality method，geometric dimensions and specifications of different diverter groups were determined according to the weighing range.The traditional manufacturing method usually uses historical data，rare literature designs diverter and its nozzle based on the principle of diverter.This paper tried to calculate the range of flow nozzle and the diameter of inlet pipe，get the appropriate nozzle size by simulation calculation，allocate water separator and driving device reasonably，improve the nozzle exit velocity uniformity，reduce the error sources of standard flow device.By comparing the simulation results with the experimental data，the results obtained have good agreement.The results show that the design of flow diverter by the guide of simulation is scientific and reasonable.

the standard device ofliquid flowmeter；flow nozzle；variable outletopening；simulation of flow field

A

：1674-5124（2016）12-0091-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.019

2016-03-15；

：2016-05-07

王 海（1977-），男，四川自貢市人，工程師，主要從事流量計量檢測與計量標準裝置設計開發。