多传感器pVTt法气体流量标准装置测温方案研究*

徐志鹏,洪育仙,樊 奇,谢代梁

(中国计量学院浙江省流量计量技术研究重点实验室,杭州 310018)



多传感器pVTt法气体流量标准装置测温方案研究*

徐志鹏*,洪育仙,樊 奇,谢代梁

(中国计量学院浙江省流量计量技术研究重点实验室,杭州 310018)

pVTt法气体流量标准装置是我国气体流量计量的原级标准之一,其计量准确度不仅受温度传感器性能影响,与测温点的布置方案也有明显关系。本文研究的pVTt法装置,标准容器的容积为26 m3,工作原理为常压进气法。标准容器内安装有搅拌风机和导流风道,以减少温度场稳定时间并提高温度场均匀程度。装置采用35个精密铂电阻作为温度采集元件,将各测温点数据的算术平均值视作测量的平均温度。论文针对该装置建立CFD仿真模型,开展标准容器内温度场特性的非稳态仿真研究,针对等体积划分和均匀布置两种方案进行对比分析。结果表明,两种方案都能较准确地测量容器平均温度,但等体积方案在流场稳定后期波动更小,其与平均温度的差值最大不超过0.003 K。

气体流量;标准装置;pVTt;测温方案;流场仿真

pVTt(压力p、容积V、温度T、时间t)法气体流量标准装置是间接测量气体质量流量的一种原级标准装置[1],欧美等发达国家30多年前已将其推广应用到流量计量等各个环节,在我国也有20多年的使用历史,是构成我国流量量值溯源系统的重要组成部分[2-3]。pVTt法装置的主要用途是检定和校准临界流喷嘴[4]。临界流喷嘴俗称音速喷嘴,作为气体装置的次级标准,以其结构简单、性能稳定、准确度高等优点被广泛用于现场流量计量[5-6]。因此,建立高精度pVTt法装置十分必要。

pVTt法装置是通过测量容积为V的标准容器在进气前后的压力p和温度T,用热力学基本定律计算其气体质量的变化量,并结合进气时间t计量喷嘴的质量流量[7]。与mt法装置直接测量气体质量相比,影响pVTt法装置不确定度的因素较多,但主要因素为容器容积、气体温度、压力以及充气时间[8-9]。目前国内关于标准容器内测温方案的研究较少,所以研究合理的测温方案对于减小装置的不确定度有重要意义。以美国NIST 26 m3pVTt法装置的研究为例,其通过改进测温方案,成功使装置不确定度由原来的0.22%下降到0.13%[10]。

为了提高测温准确度,通常采取以下措施:一是提高标准容器内温度场均匀程度,二是合理布置测温点。目前国内外一般采用水浴恒温或标准容器内加装风机的温度场稳定方案[11]。本文所研究的pVTt法装置标准容器容积为26 m3,故采用标准容器内加装风机的方案,采用多支温度传感器测温。

掌握标准容器内温度场的情况是合理布置测温点的前提,而标准容器内气体温度场变化是气体动力学中热力变化和传热变化的复杂过程,无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制。采用流体仿真技术对标准容器温度场建立数学模型、进行数值仿真,不仅成本低,还能模拟较复杂或较理想的过程,而且可以通过不同实验参数的对比找到更加合理的解决方案[12]。Fluent是目前处于世界领先地位的流体仿真软件之一,它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的后处理功能。因此,本文采用Fluent来研究标准容器内温度场分布,分析不同测温方案对标准容器内平均温度测量结果的影响。

1 标准容器内温度场数值模拟

本文研究对象为课题组与浙江省计量科学研究院共同建设的常压进气式pVTt法装置,可检流量范围为0.016 m3/h～1024 m3/h,扩展不确定度优于0.05%。该装置包含5个标准容器及1个缓冲容器,其最大的标准容器容积为26 m3,采用标准容器内加装风机的冷却方案,内部安装35支温度传感器。以该标准容器为研究对象,开展标准容器内温度场特性的非稳态仿真研究。

图1 标准容器几何模型

1.1 几何模型与网格划分

标准容器几何模型如图1所示,主体为圆柱体,两端面为等半径球体。以容器中心截面的中点为原点建立坐标轴,其中,Z轴方向为轴向,Y轴为竖直方向,X轴为进气方向。标准容器总长度6 600 mm,端面球体半径为1 200 mm,容器内设风道,直径为600 mm,长度4 200 mm,进气节流口设置在容器侧壁面的中间位置,直径为44 mm。

在严格按照实际尺寸基础上,忽略外部与温度场无关的部件后,采用CFD前处理软件GAMBIT对几何模型进行网格划分。采用分区域网格划分方法,将整个模型分为5部分区域:左右两半球体、进气口圆管段所在的横截柱体以及其他两段柱体,不同的区域采用不同的网格密度,以保证网格质量和计算的速度,并在进气口圆管段所在的横截柱体、左右两半球体等区域进行局部加密处理,以获得较好的求解精度,网格类型均采用六面体网格(如图2)。标准容器网格划分数量为200.135万个,其中90%以上的网格质量参数小于0.4,最差的网格质量参数小于0.7[13]。

图2 网格划分示意图

1.2 计算模型

求解模型设置为三维耦合(Coupled)隐式(Implicit)求解器,非定常(Unsteady)流动求解,并启动能量方程。湍流模型采用Realizable k-e,并在Y轴负方向添加重力加速度[14-16]。

1.3 边界条件

标准容器内初始压力为绝对压力10 000 Pa,初始温度为293 K。设置两个进口边界条件,一个给定为质量流量进口,流量为368 g/s,并设置压力参数,总压为101 300 Pa,静压53 486 Pa。壁面设置边界层,边界层厚度为7 mm,壁面材料导热系数设为202.4 W/(m·k)。另外利用Fluent中的UDF设置壁面和进气口温度,使壁面温度由顶部到底部按照293 K～290 K线性分布,以最大程度模拟室内温度梯度;而进气口温度则每隔3 s随机变化,温度范围为290 K～293 K。风机则简化为压力进口,作为另一个进口边界条件,压力设置为8 Pa。具体模拟过程为,首先保证进气节流口稳定进气30 s,实现容器充气;待充气完成,则启动压力进口条件,实现容器内气体的混合,从而进一步研究容器内的流场分布。

2 流场仿真结果与分析

标准容器温度场仿真分为进气过程和均匀过程,本文重点研究均匀过程中标准容器内温度场的分布特征。如图3所示,a、b、c、d分别显示了充气结束后,稳定时间为10 s、100 s、200 s和400 s时标准容器X=0截面的温度场分布情况。

图3 X=0截面温度场随时间变化情况

从图3结果可以看出:充气刚结束时,标准容器内温度场分布极不均匀,风道内以及容器两端由于热交换不充分而呈现明显的高温区;风机开启后,迫使标准容器内气体强制流动,使得标准容器内各部位的气体相互混和搅拌,从而使标准容器内温度迅速下降,温度场快速均匀、稳定。

进气结束后标准容器内气体的的平均密度为0.545 5 kg/m3,结合标准容器内初始密度为0.118 7 kg/m3,标准容器容积为26.234 4 m3,可计算出进气质量为11.197 kg。根据进气时间30 s,可计算出质量流量为373 g/s,与设定的质量流量368 g/s较符合。

图4 标准容器内平均温度时变曲线

标准容器内平均温度随时间变化曲线如图4所示,可以看出:平均温度随时间呈指数下降,与理论上标准容器内气体温度随时间下降的规律一致。在风机的作用下,400 s后标准容器内气体已基本混合均匀,温度场基本稳定,气体平均温度稳定在291.53 K左右,变化不超过0.01 K。

图5 Z=0截面温度场分布

图5为t=450 s时标准容器Z=0截面的温度场分布,从图5结果可以看出:温度场基本均匀、稳定后,竖直方向上呈现明显温差带,水平方向上温差不大,且标准容器上半部分温度梯度大于下半部分。因此,在设计测温点布置方案时,为了使测温点所测温度值能够更好地代表实际容器温度场分布,测温点应沿着竖直方向分层布置。

3 测温方案研究

所研究的26 m3标准容器采用35支传感器进行多点测温,并将各测温点的算术平均值作为标准容器内平均温度,但理论上只有当测温点的温度值能代表所测气体的体积平均温度,即各测温点等权时,测温点的算术平均值才能较准确地代表标准容器内平均温度。

针对前文流场仿真的结果,分别采用测温点等权和测温点不等权的测温方案布置测温点,对比不同方案对温度测量结果的影响。

3.1 等体积划分方案

为了保证各测温点的温度数据权重相等,采用等体积划分方案布置测温点,如图6所示:将标准容器沿轴向(Z轴方向)划分为5段体积相等的柱体,因为温度场均匀、稳定后水平方向无明显温差,所以每段柱体的测温面设在该段两端面的正中间的平面;将测温面沿Y轴方向等分为7个台面,由于温度从下到上呈线性变化,由积分公式可求出各个台面的测温线位置。以上半部分容器的测温线为例(下半部分的测温线与之对称),可求得其Y轴坐标分别为272、562、916。每个测温面上布置7个测温点,分别位于7条不同测温线上。

为了保证测温点径向不重合,将测温点位置进行微调,35个测温点的坐标位置如表1所示,L4～L05个测温面的Z轴坐标值分别为-2320、-1160、1160、2320、0;测温线的Y轴坐标,从上至下分别为890、543、253、0、-272、-562、-916。

在实际应用中,为了安装上的方便,一般将测温点均匀布置在标准容器内,如图7所示:将标准容器沿轴向分为长度相等的5段,测温面选在每段的中心位置;将测温面从上至下分为高度相同的7段,测温线选在每段中间,测温线上的测温点等距布置。L4～L05个测温面的Z轴坐标值分别为-2 640、-1 320、1 320、2 640、0,测温线的Y轴坐标从上至下分别为927、618、309、0、-309、-618、-927。每个测温面上布置7个测温点,分别位于7条不同测温线上。

图6 等体积划分方案测温面及测温线划分

图7 均匀布置方案测温面及测温线划分

3.2 结果对比

将测温点均值曲线与标准容器内平均温度曲线绘制在同一图中,并绘制两者之间的差值曲线。对于等体积划分方案,其测量结果如图8所示:测温点均值曲线与平均温度曲线基本一致,当均匀400 s后,标准容器内温度场基本稳定,测温点均值在291.53 K左右浮动,基本不再变化,与平均温度差值最大不超过0.003 K。结果表明:在标准容器内温度场稳定后,等体积划分方案能较准确测出标准容器内气体平均温度。

均匀布置方案的测量结果如图9所示,由图中结果可以看出:测温点均值曲线与平均温度曲线基本吻合,400 s后当标准容器内气体基本均匀、稳定时,测温点均值与平均温度间的差值最大不超过0.01 K,说明均匀布置方案也能较准确测出标准容器内气体的平均温度,但与等体积划分相比,其测温点均值与平均温度值的差值曲线波动较大。

图8 等体积划分方案测温结果

图9 均匀布置方案测温结果

通过以上分析可知:对于26 m3标准容器,由于测温点较多(共35个),且标准容器内温度场稳定后相邻小区域内的气体温度差别很小,因此均匀布置方案与等体积划分方案的测量结果十分接近;但从差值曲线可以看出,等体积划分方案的结果相对于均匀布置方案更准确,稳定过程后期测温点均值与气体平均温度的差值不超过0.003 K。

4 结语

本文针对风机冷却式pVTt法装置的温度场开展流场仿真研究,对两种不同的测温方案进行了对比,结论如下:①充气刚结束时标准容器内温度场分布不均匀,标准容器两端及风道内温度相对较高;温度场均匀后标准容器内竖直方向呈现明显的温度梯度,水平方向温差较小,且标准容器上半部分温度梯度大于下半部分。②对于26 m3标准容器,当测温方案采用35支温度传感器,以测温点算术平均值作为标准容器内气体的平均温度时,均匀布置方案与等体积划分方案的测量结果差别不大,但在稳定过程后期等体积划分方案结果更准确,与平均温度的差值不超过0.003 K。

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The Temperature Sensors Arrangement Scheme Research of the pVTt Gas Flow Standard with Multiple Sensors*

XUZhipeng,HONGYuxian,FANQi,XIEDailiang

(China Jiliang University,The Key Lab of Flowrate Metrology in Zhejiang Province,Hangzhou 310018,China)

pVTt gas flow standard is one of the national standards of the gas flow in our country. Its temperature measuring accuracy is not only affected by the accuracy of temperature sensors,but also affected by the layout scheme of these temperature sensors. The studied pVTt device with a 26 m3collection tank operates under negative pressure. A stirring fan and a diversion duct are installed in the collection tank,so that the temperature stabilization time could be reduced and its non-uniformities decreased. 35 temperature sensors are employed in the device,and their average is arithmetically taken to obtain the mean temperature of the collected gas. In this paper,the CFD simulation model is established for the device to carry out unsteady simulation of the temperature field of the collection tank. Then the measuring results of both equal-volume divided layout scheme and evenly arranged scheme are analyzed respectively. The results show that both the two schemes can reflect the mean temperature of the tank,but the value of the equal-volume divided scheme fluctuates less during the late stabilization stage,where the maximum difference is no more than 0.003 K.

gas flow rate;standard device;pVTt;thermometer layout scheme;flow field simulation

徐志鹏(1982-),男,博士,讲师。主要从事新型气体流量计量机理及装置有关的教学科研工作,xuzhipeng@cjlu.edu.cn;

洪育仙(1991-),女,硕士研究生。主要研究方向为气体流量计量技术,13516707592@163.com;

樊 奇(1988-),男,硕士。主要研究方向为气体流量计量技术,203070711fq@163.com;

谢代梁(1975-),男,博士,教授,主要从事检测技术、流量测量技术和多相流测量技术方面的教学科研工作,dlxie@cjlu.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(51305419);质检公益性行业科技专项项目(201410133);浙江省重大科技专项项目(2013C01137)

2014-12-02 修改日期:2015-01-27

C:7320W

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.005

TB942

A

1004-1699(2015)05-0635-06