MQL-8201型碳平衡油耗儀所用流量計的適用性分析

林國慶 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錐流量計的測量原理。利用仿真方法，依據V錐流量計的結構尺寸，建立了該流量計的幾何模型。仿真結果表明，氣體流動在到達V錐流量計前已經達到了穩定狀態，壓力和速度分布趨于穩定。

關鍵詞：碳平衡法;碳平衡油耗儀;流量計

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象，該油耗儀主要由流量測量單元，氣體濃度單元和標定單元所組成，可用于車輛汽柴油和天然氣消耗量的檢測[1-2]。

1 V錐流量計的測量原理

MQL-8201型碳平衡油耗儀選用V錐流量計測量氣體流量，V錐流量計是壓差式流量計的一種，其測量原理是基于流動連續性原理和伯努利方程，當車輛排氣及空氣的混合氣流經流量計內部時，在標準孔板的前后變產生壓差，介質流動的流量越大，壓差就越大，然后通過測量這種壓差來測量流體流量的大小[3]。內部流場為管狀。氣體濃度單元模塊，傳感器單元采用的檢測方法是高精度的非分光紅外線法，其測量的原理是根據所測氣體成分的濃度的大小與其吸收特定波長的紅外線輻射能的能力成比例關系。其結構示意圖如圖1所示。

V錐流量計由V形錐體和相應的取壓孔組成。V錐體同軸安裝在測量管中，其頂尖面對著來流，并且與尾隨面形成一個小的銳角，從而保證流體在進入下游的低壓區之前有一個平滑的過渡區，流體平滑地收縮至測量管中心軸線附近。與一個突然改變流體流動方向的節流件有所不同，這種節流方式實現了流體可以逐漸的朝著測量管內壁的收縮節流。測壓管是預先進行精密加工的，流體在流經V錐體時，流速將增大，依照能量守恒定律，靜壓在流速增大的區域必然會降低一個相應的值，從而在節流件的前后產生差壓△P，產生的壓差和流量存在函數關系，進而測量出流量。

根據伯努利方程和連續性方程，可以推導出流量表達式為：

式中：

Q——質量流量，kg/h;

C——流出系數;

β——等效直徑比，其值為 ，其中，D為管道內徑，d為錐體最大截面直徑;

△P——差壓，Pa;

ρ——被測介質密度，kg/m3;

ε——流束可膨脹系數，對不可壓縮流體，ε取值為1，若流體可以壓縮，根據其介質的等熵指數，可以確定出ε值來。

2 V錐流量計的仿真分析

2.1 仿真計算的網格劃分和設置

依據碳平衡儀采用的V錐流量計的結構尺寸，建立的幾何模型如圖2所示。在Gambit中對該模型進行網格劃分，網格數為963471。在FLUENT中選用RNG k-ε模型進行計算，該模型經物理實驗驗證有較好的預測性。在近壁面區域采用標準壁面函數法進行處理。仿真以空氣為介質，入口條件設為速度入口（Velocity Inlet），常溫25℃;出口條件設為壓力出口（標準大氣壓101325 Pa）;錐體和管壁設為wall。求解算法為SIMPLEC，離散格式為二階格式。

2.2 結果分析

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）進行仿真，這三種流量分別為風機的最大、最小和測量時的常用流量，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V錐流量計測壓孔的前端時，壓力分布穩定，無波動，表明該流動已經達到充分發展階段，流動已經達到了穩定，證明該流量計安裝的位置合理，不會因為流動的不穩定導致壓力測量的不準確。在緊鄰錐體尾部后端的一定區域里出現了低靜壓區，而這個低靜壓的區域與漩渦分離的區域位置基本是一致的，在該區域內，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。可以看出，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V錐流量計的測壓孔前已經達到了穩定，速度分布趨于一致，表明該V錐流量計安裝位置合適，測量結果可靠。

綜上所述，本碳平衡儀采用V錐流量計作為流量測試設備，通過FLUENT對該V錐流量計的仿真結果表明，氣體流動在到達V錐流量計前已經達到了穩定狀態，壓力和速度分布趨于穩定。因此說明該流量計設計合理，測量結果可靠，完全適用于碳平衡法燃料消耗量測量的需求。

參考文獻

[1] 孟新育.營運車輛碳平衡法燃料消耗檢測技術及推廣應用[J].自動化技術與應用，2017，36（12）：137-140.

[2] 林國慶，朱建濤，馬深圳，等.碳平衡法對于單燃料天然氣汽車燃氣消耗量檢測的適用性分析[J].汽車實用技術，2019（12）：136-137.

[3] 劉軍，謝文磊，高建立，等.測量排氣流量的內錐流量計數值模擬與實驗[J].農業機械學報，2009，40（7）：29-34.