不均匀流场均速管流量计测量特性的研究仿真
差压式均速管在流速分布不均匀流场中，均速管测量值与实际值相差较大。均速管原理是检测杆上开几对全压孔由全压管引平均全压，此平均全压表征几对全压孔的算术平均值。在不均匀流场中，各全压孔压力不同，高压腔内有流动，导致压损使平均全压无法正确表征各全压孔算术平均值，因而导致测量不准确。本文设计了不均匀流场信号发生装置，用均速管测量得各孔压力值及平均全压值，将压力算术平均后与平均全压作相对误差。通过 CFD 仿真模拟，得到***大误差为 45%，即流量计测量结果不理想。
1.介绍
差压式均速管是由皮托管（Pitot）测速原理发展而来的，为插入式仪表。基本结构是一根中空的金属检测杆。在检测杆迎流方向开数对测压孔，与全压引压管相连，引出平均总压；在检测杆背流或下游管壁开静压孔，由静压引压管引出静压。用平均总压与静压之差来计算流量。
均速管的发展现状可分为三部分：检测杆横截面的改进，均速管流量系数校正方法的研究，取压孔位置的优化。这三部分研究的前提是均速管需要 7～25D 的前直管段的安装条件，使流体成为充分发展的湍流。
但实际工业生产中，管径日益增大，管配件种类增多（阀门，弯管，歧管等）使流动变得十分复杂，无法达到 7～25D前直管段长度。
均速管的设计思路是各全压孔的压力反映流场分布，不同的流速分布使各全压孔压力值不同，全压引压管引出的平均总压对应平均流速。但实际流动过程中，由于各全压孔压力值不等，高压腔内有流动，产生压损，此时的平均总压不再能正确表征各全压孔的算术平均值。
因此，设计一个合理的不均匀流场的信号发生装置，用均速管流量计测出平均全压，再获得各全压孔压力值进行算术平均后，将二者进行比较，得出均速管在不均匀流场测量的准确度。
通过 CFD 软件进行流动模拟仿真，通过数值计算与分析，得到二者相对误差。本课题的研究不仅具有实际工程意义，更具有理论价值。
2 差压式均速管流量计原理
均速管流量计是由皮托管（Pitot）测速原理发展而来的，结构是一根中空金属检测杆，迎流方向开数对取压孔由全压引压管引出平均全压；检测杆背流或下游管壁开静压孔，由静压引压管引出静压。
由平均全压与静压之差计算流量，均速管结构如图 1 所示。根据伯努利方程[1]，忽略摩擦阻力等因素，则有：
在实际测量过程中，由于不均匀流场造成的各全压孔压力不等，总压孔内流速是否还为 0 值得商榷。即在不均匀流场中，均速管流量计的原理正确性受到怀疑。
3 CFD 仿真模型与计算条件
CFD 的仿真模型仿真以不同进口速度的高度相同水槽模拟不均匀流场，流体在均速管流量计两对取压孔及全压引压管内的流动。通过 Tecplot 进行数据提取，得到各孔压力值及全压引压管内的平均全压。
为构造稳定的不均匀流场，CFD 仿真使用 Laminar 层流模型。四个全压孔的进口条件设为速度进口，出口条件设为 outflow 出流，即出口处为完全发展的情况。在 y 轴方向上设置重力加速度，方向与 y 轴正方向相反为-9.81m/s2。CFD仿真模型采用 DN100 管道，开孔直径为 2mm，由对数—切比雪夫法确定开孔位置。整个计算区域统一采用 Quad map 四边形划分法，Interval Size 横向为 0.625mm，纵向为 0.5mm。
压力—速度耦合采用 Simple 算法，其他保持默认设置。
4 二维 CFD 仿真不同进口速度下全压孔压力特性
差压式均速管流量计全压孔位置按照对数—切比雪夫法布置。两对全压孔到管道中心的距离为±0.4597R，± 0.8881R （R 为管道半径），每对全压孔位置关于管道中心对称。
通过 CFD 模拟流场流动情况，先以相同的进口速度，数值模拟得到四个孔的压力值与平均总压值，对四个孔的压力进行算术平均与平均总压值相比较，计算相对误差以验证模型的正确性。接着设置不同的进口速度，模拟不均匀流场。
为模拟不均匀流场，采用三种模型构建。首先采用“不等值对称式速度分布”模拟不均匀流场，分别有“中心高流速，两边低流速”、“中心低流速，两边高流速”两种模式。即±0.4597R 处速度一致，±0.8881R 处速度一致，但非对称点速度不同。仿真迭代 1000 次后，进行数值处理，即对全压孔压力值算术平均后与平均全压作相对误差。增大速度差值，继续仿真迭代。为模拟不均匀流场，采用“不等值非
对称速度”分布模拟不均匀流场，即各孔压力值都不一样。重复上述步骤。
5 仿真结果
通过文献资料和实流实验可知，均速管流量计测量流速小于 5m/s 时，均速管的流量系数很不稳定，所以为了提高仿真中均速管测量的重复性，进口速度较低设置为 5m/s。在直均流条件下，均速管流量计各全压孔压力一致，高压腔内无流动，此时均速管原理正确[3]。为验证设计方案的正确性，首先将各全压孔的进口速度均设为 5m/s，通过 CFD 数值仿真可以得到各全压孔压力值及平均总压值。经过数据处理，将各全压孔压力值进行算术平均后与平均全压作相对误差，得到的相对误差为 0.8%，即仿真模型正确合理。
接下来的仿真分为三个阶段：
阶段：采用“不等值对称分布”模拟不均匀流场。首先采用“中间高流速，两边低流速”模拟流场。即±0.4597R处进口初始速度一致为 6m/s，±0.8881R 处进口初始速度一致为 5m/s。迭代 1000 次后，0.8881R 处进口速度不变，以每次递增 0.5m/s 的方式增大±0.4597R 处进口速度，使非对称取压孔处速度差值逐渐增大，继续进行迭代仿真。经过数据处理，得各进口速度下各全压孔的算术平均值与平均全压的相对误差。
第二阶段：采用“中间低流速，两边高流速”模拟不均匀流场。设定为中心两全压孔压力低，两边全压孔压力高。即±0.8881R 处进口初始速度一致为 6m/s，±0.4597R 处进口初始速度一致为 5m/s。迭代 1000 次后，±0.4597R 处进口速度不变，增大±0.8881R 处进口速度，使速度差值逐渐增大，继续进行迭代仿真。经过数据处理，得各进口速度下各全压孔的算术平均值与平均全压的相对误差。
第三阶段：采用“不等值非对称”分布。即各全压孔的进口速度都不同。初始设定-0.8881R 处进口速度为 5m/s， -0.4597R 处进口速度为 6m/s，0.4597R 处进口速度为 7m/s， 0.8881R 处进口速度为 8m/s。经过 1000 次迭代仿真后，增大各全压孔的进口速度差，而后继续进行迭代计算。经数据处理，得各进口速度下四个全压孔压力的算术平均值与平均总压的相对误差。
差压式均速管流量计在三种不均匀流场下各全压取压孔的算术平均值与平均全压的相对误差图，如图 2 所示。
本文采用了三种不均匀流速分布来模拟不均匀流场。从管道中心出发，分别模拟了“中心高流速、两边低流速”“中间低流速、两边高流速”的“不等值对称式”分布，还有各全压孔速度都不相同的“不等值非对称”不均匀流场。通过数值模拟仿真得到了各全压孔压力值及总压平均值。经过数据处理，将四个全压孔的压力值进行算术平均后与平均总压值作比较算出相对误差。
在 CFD 数值模拟中可以得出，当使用“中心高流速，两边低流速”模拟流场时，相对误差较小，差压式均速管流量计测量较准。当使用“中心低流速，两边高流速”及“不等值非对称”模拟流场时，相对误差很大，仿真中的***大的误差为 45%。验证了不均匀流场造成差压式均速管流量计各全压孔的压力不相同，造成均速管高压腔内有流动，导致压损，从而使得全压引压管引出的平均全压已无法正确表征各全压孔压力的算出平均值，所以测量值与实际值有差距。
可以得出结论，使用差压式均速管流量计时，***好保证一定的直管段长度使流体成为充分发展的湍流，来提高均速管的测量精度。否则，从 CFD 仿真结果中可看出，差压式均速管流量计在流速分布差距大的流场中测量精度很低，很可能导致测量失效。