差壓式均速管在流速分布不均勻流場(chǎng)中，均速管測(cè)量值與實(shí)際值相差較大。均速管原理是檢測(cè)桿上開(kāi)幾對(duì)全壓孔由全壓管引平均全壓，此平均全壓表征幾對(duì)全壓孔的算術(shù)平均值。在不均勻流場(chǎng)中，各全壓孔壓力不同，高壓腔內(nèi)有流動(dòng)，導(dǎo)致壓損使平均全壓無(wú)法正確表征各全壓孔算術(shù)平均值，因而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。本文設(shè)計(jì)了不均勻流場(chǎng)信號(hào)發(fā)生裝置，用均速管測(cè)量得各孔壓力值及平均全壓值，將壓力算術(shù)平均后與平均全壓作相對(duì)誤差。通過(guò) CFD 仿真模擬，得到***大誤差為 45%，即流量計(jì)測(cè)量結(jié)果不理想。

1.介紹

差壓式均速管是由皮托管（Pitot）測(cè)速原理發(fā)展而來(lái)的，為插入式儀表。基本結(jié)構(gòu)是一根中空的金屬檢測(cè)桿。在檢測(cè)桿迎流方向開(kāi)數(shù)對(duì)測(cè)壓孔，與全壓引壓管相連，引出平均總壓；在檢測(cè)桿背流或下游管壁開(kāi)靜壓孔，由靜壓引壓管引出靜壓。用平均總壓與靜壓之差來(lái)計(jì)算流量。

均速管的發(fā)展現(xiàn)狀可分為三部分：檢測(cè)桿橫截面的改進(jìn)，均速管流量系數(shù)校正方法的研究，取壓孔位置的優(yōu)化。這三部分研究的前提是均速管需要 7～25D 的前直管段的安裝條件，使流體成為充分發(fā)展的湍流。

但實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，管徑日益增大，管配件種類增多（閥門，彎管，歧管等）使流動(dòng)變得十分復(fù)雜，無(wú)法達(dá)到 7～25D前直管段長(zhǎng)度。

均速管的設(shè)計(jì)思路是各全壓孔的壓力反映流場(chǎng)分布，不同的流速分布使各全壓孔壓力值不同，全壓引壓管引出的平均總壓對(duì)應(yīng)平均流速。但實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中，由于各全壓孔壓力值不等，高壓腔內(nèi)有流動(dòng)，產(chǎn)生壓損，此時(shí)的平均總壓不再能正確表征各全壓孔的算術(shù)平均值。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的不均勻流場(chǎng)的信號(hào)發(fā)生裝置，用均速管流量計(jì)測(cè)出平均全壓，再獲得各全壓孔壓力值進(jìn)行算術(shù)平均后，將二者進(jìn)行比較，得出均速管在不均勻流場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。

通過(guò) CFD 軟件進(jìn)行流動(dòng)模擬仿真，通過(guò)數(shù)值計(jì)算與分析，得到二者相對(duì)誤差。本課題的研究不僅具有實(shí)際工程意義，更具有理論價(jià)值。

2 差壓式均速管流量計(jì)原理

均速管流量計(jì)是由皮托管（Pitot）測(cè)速原理發(fā)展而來(lái)的，結(jié)構(gòu)是一根中空金屬檢測(cè)桿，迎流方向開(kāi)數(shù)對(duì)取壓孔由全壓引壓管引出平均全壓；檢測(cè)桿背流或下游管壁開(kāi)靜壓孔，由靜壓引壓管引出靜壓。

由平均全壓與靜壓之差計(jì)算流量，均速管結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。根據(jù)伯努利方程[1]，忽略摩擦阻力等因素，則有：

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于不均勻流場(chǎng)造成的各全壓孔壓力不等，總壓孔內(nèi)流速是否還為 0 值得商榷。即在不均勻流場(chǎng)中，均速管流量計(jì)的原理正確性受到懷疑。

3 CFD 仿真模型與計(jì)算條件

CFD 的仿真模型仿真以不同進(jìn)口速度的高度相同水槽模擬不均勻流場(chǎng)，流體在均速管流量計(jì)兩對(duì)取壓孔及全壓引壓管內(nèi)的流動(dòng)。通過(guò) Tecplot 進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到各孔壓力值及全壓引壓管內(nèi)的平均全壓。

為構(gòu)造穩(wěn)定的不均勻流場(chǎng)，CFD 仿真使用 Laminar 層流模型。四個(gè)全壓孔的進(jìn)口條件設(shè)為速度進(jìn)口，出口條件設(shè)為 outflow 出流，即出口處為完全發(fā)展的情況。在 y 軸方向上設(shè)置重力加速度，方向與 y 軸正方向相反為-9.81m/s2。CFD仿真模型采用 DN100 管道，開(kāi)孔直徑為 2mm，由對(duì)數(shù)—切比雪夫法確定開(kāi)孔位置。整個(gè)計(jì)算區(qū)域統(tǒng)一采用 Quad map 四邊形劃分法，Interval Size 橫向?yàn)?/span> 0.625mm，縱向?yàn)?/span> 0.5mm。

壓力—速度耦合采用 Simple 算法，其他保持默認(rèn)設(shè)置。

4 二維 CFD 仿真不同進(jìn)口速度下全壓孔壓力特性

差壓式均速管流量計(jì)全壓孔位置按照對(duì)數(shù)—切比雪夫法布置。兩對(duì)全壓孔到管道中心的距離為±0.4597R，± 0.8881R （R 為管道半徑），每對(duì)全壓孔位置關(guān)于管道中心對(duì)稱。

通過(guò) CFD 模擬流場(chǎng)流動(dòng)情況，先以相同的進(jìn)口速度，數(shù)值模擬得到四個(gè)孔的壓力值與平均總壓值，對(duì)四個(gè)孔的壓力進(jìn)行算術(shù)平均與平均總壓值相比較，計(jì)算相對(duì)誤差以驗(yàn)證模型的正確性。接著設(shè)置不同的進(jìn)口速度，模擬不均勻流場(chǎng)。

為模擬不均勻流場(chǎng)，采用三種模型構(gòu)建。首先采用“不等值對(duì)稱式速度分布”模擬不均勻流場(chǎng)，分別有“中心高流速，兩邊低流速”、“中心低流速，兩邊高流速”兩種模式。即±0.4597R 處速度一致，±0.8881R 處速度一致，但非對(duì)稱點(diǎn)速度不同。仿真迭代 1000 次后，進(jìn)行數(shù)值處理，即對(duì)全壓孔壓力值算術(shù)平均后與平均全壓作相對(duì)誤差。增大速度差值，繼續(xù)仿真迭代。為模擬不均勻流場(chǎng)，采用“不等值非

對(duì)稱速度”分布模擬不均勻流場(chǎng)，即各孔壓力值都不一樣。重復(fù)上述步驟。

5 仿真結(jié)果

通過(guò)文獻(xiàn)資料和實(shí)流實(shí)驗(yàn)可知，均速管流量計(jì)測(cè)量流速小于 5m/s 時(shí)，均速管的流量系數(shù)很不穩(wěn)定，所以為了提高仿真中均速管測(cè)量的重復(fù)性，進(jìn)口速度較低設(shè)置為 5m/s。在直均流條件下，均速管流量計(jì)各全壓孔壓力一致，高壓腔內(nèi)無(wú)流動(dòng)，此時(shí)均速管原理正確[3]。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，首先將各全壓孔的進(jìn)口速度均設(shè)為 5m/s，通過(guò) CFD 數(shù)值仿真可以得到各全壓孔壓力值及平均總壓值。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將各全壓孔壓力值進(jìn)行算術(shù)平均后與平均全壓作相對(duì)誤差，得到的相對(duì)誤差為 0.8%，即仿真模型正確合理。

接下來(lái)的仿真分為三個(gè)階段：

階段：采用“不等值對(duì)稱分布”模擬不均勻流場(chǎng)。首先采用“中間高流速，兩邊低流速”模擬流場(chǎng)。即±0.4597R處進(jìn)口初始速度一致為 6m/s，±0.8881R 處進(jìn)口初始速度一致為 5m/s。迭代 1000 次后，0.8881R 處進(jìn)口速度不變，以每次遞增 0.5m/s 的方式增大±0.4597R 處進(jìn)口速度，使非對(duì)稱取壓孔處速度差值逐漸增大，繼續(xù)進(jìn)行迭代仿真。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得各進(jìn)口速度下各全壓孔的算術(shù)平均值與平均全壓的相對(duì)誤差。

第二階段：采用“中間低流速，兩邊高流速”模擬不均勻流場(chǎng)。設(shè)定為中心兩全壓孔壓力低，兩邊全壓孔壓力高。即±0.8881R 處進(jìn)口初始速度一致為 6m/s，±0.4597R 處進(jìn)口初始速度一致為 5m/s。迭代 1000 次后，±0.4597R 處進(jìn)口速度不變，增大±0.8881R 處進(jìn)口速度，使速度差值逐漸增大，繼續(xù)進(jìn)行迭代仿真。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得各進(jìn)口速度下各全壓孔的算術(shù)平均值與平均全壓的相對(duì)誤差。

第三階段：采用“不等值非對(duì)稱”分布。即各全壓孔的進(jìn)口速度都不同。初始設(shè)定-0.8881R 處進(jìn)口速度為 5m/s， -0.4597R 處進(jìn)口速度為 6m/s，0.4597R 處進(jìn)口速度為 7m/s， 0.8881R 處進(jìn)口速度為 8m/s。經(jīng)過(guò) 1000 次迭代仿真后，增大各全壓孔的進(jìn)口速度差，而后繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得各進(jìn)口速度下四個(gè)全壓孔壓力的算術(shù)平均值與平均總壓的相對(duì)誤差。

差壓式均速管流量計(jì)在三種不均勻流場(chǎng)下各全壓取壓孔的算術(shù)平均值與平均全壓的相對(duì)誤差圖，如圖 2 所示。

本文采用了三種不均勻流速分布來(lái)模擬不均勻流場(chǎng)。從管道中心出發(fā)，分別模擬了“中心高流速、兩邊低流速”“中間低流速、兩邊高流速”的“不等值對(duì)稱式”分布，還有各全壓孔速度都不相同的“不等值非對(duì)稱”不均勻流場(chǎng)。通過(guò)數(shù)值模擬仿真得到了各全壓孔壓力值及總壓平均值。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將四個(gè)全壓孔的壓力值進(jìn)行算術(shù)平均后與平均總壓值作比較算出相對(duì)誤差。

在 CFD 數(shù)值模擬中可以得出，當(dāng)使用“中心高流速，兩邊低流速”模擬流場(chǎng)時(shí)，相對(duì)誤差較小，差壓式均速管流量計(jì)測(cè)量較準(zhǔn)。當(dāng)使用“中心低流速，兩邊高流速”及“不等值非對(duì)稱”模擬流場(chǎng)時(shí)，相對(duì)誤差很大，仿真中的***大的誤差為 45%。驗(yàn)證了不均勻流場(chǎng)造成差壓式均速管流量計(jì)各全壓孔的壓力不相同，造成均速管高壓腔內(nèi)有流動(dòng)，導(dǎo)致壓損，從而使得全壓引壓管引出的平均全壓已無(wú)法正確表征各全壓孔壓力的算出平均值，所以測(cè)量值與實(shí)際值有差距。

可以得出結(jié)論，使用差壓式均速管流量計(jì)時(shí)，***好保證一定的直管段長(zhǎng)度使流體成為充分發(fā)展的湍流，來(lái)提高均速管的測(cè)量精度。否則，從 CFD 仿真結(jié)果中可看出，差壓式均速管流量計(jì)在流速分布差距大的流場(chǎng)中測(cè)量精度很低，很可能導(dǎo)致測(cè)量失效。