MQL-8201型碳平衡油耗仪所用流量计的适用性分析

林国庆 韩龙飞 王睿希 逯超 刘俊超

摘 要：分析了MQL-8201型碳平衡油耗仪所用V锥流量计的测量原理。利用仿真方法，依据V锥流量计的结构尺寸，建立了该流量计的几何模型。仿真结果表明，气体流动在到达V锥流量计前已经达到了稳定状态，压力和速度分布趋于稳定。

關键词：碳平衡法;碳平衡油耗仪;流量计

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的碳平衡油耗仪为研究对象，该油耗仪主要由流量测量单元，气体浓度单元和标定单元所组成，可用于车辆汽柴油和天然气消耗量的检测[1-2]。

1 V锥流量计的测量原理

MQL-8201型碳平衡油耗仪选用V锥流量计测量气体流量，V锥流量计是压差式流量计的一种，其测量原理是基于流动连续性原理和伯努利方程，当车辆排气及空气的混合气流经流量计内部时，在标准孔板的前后变产生压差，介质流动的流量越大，压差就越大，然后通过测量这种压差来测量流体流量的大小[3]。内部流场为管状。气体浓度单元模块，传感器单元采用的检测方法是高精度的非分光红外线法，其测量的原理是根据所测气体成分的浓度的大小与其吸收特定波长的红外线辐射能的能力成比例关系。其结构示意图如图1所示。

V锥流量计由V形锥体和相应的取压孔组成。V锥体同轴安装在测量管中，其顶尖面对着来流，并且与尾随面形成一个小的锐角，从而保证流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区，流体平滑地收缩至测量管中心轴线附近。与一个突然改变流体流动方向的节流件有所不同，这种节流方式实现了流体可以逐渐的朝着测量管内壁的收缩节流。测压管是预先进行精密加工的，流体在流经V锥体时，流速将增大，依照能量守恒定律，静压在流速增大的区域必然会降低一个相应的值，从而在节流件的前后产生差压△P，产生的压差和流量存在函数关系，进而测量出流量。

根据伯努利方程和连续性方程，可以推导出流量表达式为：

式中：

Q——质量流量，kg/h;

C——流出系数;

β——等效直径比，其值为 ，其中，D为管道内径，d为锥体最大截面直径;

△P——差压，Pa;

ρ——被测介质密度，kg/m3;

ε——流束可膨胀系数，对不可压缩流体，ε取值为1，若流体可以压缩，根据其介质的等熵指数，可以确定出ε值来。

2 V锥流量计的仿真分析

2.1 仿真计算的网格划分和设置

依据碳平衡仪采用的V锥流量计的结构尺寸，建立的几何模型如图2所示。在Gambit中对该模型进行网格划分，网格数为963471。在FLUENT中选用RNG k-ε模型进行计算，该模型经物理实验验证有较好的预测性。在近壁面区域采用标准壁面函数法进行处理。仿真以空气为介质，入口条件设为速度入口（Velocity Inlet），常温25℃;出口条件设为压力出口（标准大气压101325 Pa）;锥体和管壁设为wall。求解算法为SIMPLEC，离散格式为二阶格式。

2.2 结果分析

本次仿真分别在入口流量为4m3/min、15m3/min、25m3/min三种流量下（流速分别为5.898 m/s、22.12 m/s、36.86 m/s）进行仿真，这三种流量分别为风机的最大、最小和测量时的常用流量，仿真得到的压力分布如图3所示。

从压力分布图可以看出，这三种工况下流体在到达V锥流量计测压孔的前端时，压力分布稳定，无波动，表明该流动已经达到充分发展阶段，流动已经达到了稳定，证明该流量计安装的位置合理，不会因为流动的不稳定导致压力测量的不准确。在紧邻锥体尾部后端的一定区域里出现了低静压区，而这个低静压的区域与漩涡分离的区域位置基本是一致的，在该区域内，静压跟流速都比较低。

仿真得到三种工况下的速度矢量图如图4所示。可以看出，速度矢量图显示与压力分布图一致，从速度矢量图可以清晰的看出流场的分布情况，特别是后两种工况，可以清晰的看到这两种工况下，速度分布在到达V锥流量计的测压孔前已经达到了稳定，速度分布趋于一致，表明该V锥流量计安装位置合适，测量结果可靠。

综上所述，本碳平衡仪采用V锥流量计作为流量测试设备，通过FLUENT对该V锥流量计的仿真结果表明，气体流动在到达V锥流量计前已经达到了稳定状态，压力和速度分布趋于稳定。因此说明该流量计设计合理，测量结果可靠，完全适用于碳平衡法燃料消耗量测量的需求。

参考文献

[1] 孟新育.营运车辆碳平衡法燃料消耗检测技术及推广应用[J].自动化技术与应用，2017，36（12）：137-140.

[2] 林国庆，朱建涛，马深圳，等.碳平衡法对于单燃料天然气汽车燃气消耗量检测的适用性分析[J].汽车实用技术，2019（12）：136-137.

[3] 刘军，谢文磊，高建立，等.测量排气流量的内锥流量计数值模拟与实验[J].农业机械学报，2009，40（7）：29-34.