涡街流量计在不同流体介质下的计量特性及影响

近年来涡街流量计依靠其结构简单、无可动部件、压损小、量程比宽等优点被广泛应用于液体、气体和蒸汽等介质的流量计量领域中。目前，国内外对于涡街流量计的量值溯源，普遍认为可以进行跨介质标定，如姜仲霞等认为在一定雷诺数范围内，涡街流量计旋涡分离频率对被测流体压力、温度、粘度和组分变化不敏感，在几何相似和动力相似条件下可用一种典型介质(水或空气)进行标定。

基于这种认识，在对用于蒸汽计量的涡街流量计进行量值溯源时，同时受限于蒸汽实流检测装置运行成本高、安全性等因素，实际工作中通常使用水介质或者空气介质代替蒸汽介质进行实流标定。但由于蒸汽介质具有高温、高压、可压缩等特点，实际工作状态与标定介质空气或水相去甚远。随着涡街流量计在蒸汽计量领域越来越广泛的应用，计量纠纷也不断见诸报道，引起了人们的关注。

研究人员针对涡街流量计在不同流体介质下的计量特性以及影响涡街流量计计量特性的可能因素进行了大量研究。郑灿亭从流体力学角度出发，根据相似原理分析了压缩空气代替蒸汽进行蒸汽流量计检定的可能性。顾永伟等对涡街流量计进行了空气和蒸汽实流标定测试对比分析，结果表明两者标定流量对比误差为2.5%。徐立毅对介质温度、介质雷诺数、检定管道内径与涡街流量计测量管径不匹配、旋涡发生体尺寸改变等引起涡街流量计仪表系数变化的因素做了分析。

Vershinin和Polkovnikov采用数值模拟的方法研究了旋涡发生体形状对涡街流量计中流动特性的影响，结果表明：蘑菇型发生体下游旋涡脱落稳定性更好，且斯特劳哈尔数随流速(雷诺数)变化较小。许文达等从可压缩流体的流体力学方程出发对涡街流量计的流场进行了分析，将介质可压缩性对涡街流量计计量特性的影响归结到流体等熵指数κ，得出介质可压缩性会造成仪表系数K值增大，且随介质来流速度的增大这种偏差逐渐增大，文章还通过实流测试和CFD仿真得到涡街流量计在空气和水介质下的仪表系数偏差，验证了理论分析。

许文达等从涡街流量计仪表系数K的定义式出发，总结出影响涡街流量计计量特性的主要因素为温度和介质可压缩性，为了直观地显示各变量可压缩性的影响程度，作者采用指数拟合的方法以压力p、密度ρ和等熵指数κ为自变量得到了介质可压缩性影响拟合公式，考虑到温度对发生体形变的影响，引入材料线性膨胀系数描述温度对仪表系数的影响，最后将这两个因素综合到一起得到系数修正计算方法。苏庆文等为了研究介质可压缩性对涡街流量计计量特性的影响，利用Fluent软件对涡街流量计在蒸汽、空气和水三种介质下进行仿真研究，结果表明三种介质下仪表系数从大到小依次为：空气、蒸汽、水，说明空气受介质的可压缩性影响最大。

许文达等对6台不同口径的涡街流量计分别在音速喷嘴法气体流量标准装置和冷凝称重法蒸汽流量标准装置上进行蒸汽和空气介质下的实验研究，结果显示空气介质下的仪表系数整体上大于蒸汽介质下的值。

从目前对涡街流量计在不同介质下的计量特性的相关研究来看，标定介质的可压缩性、温度以及雷诺数，旋涡发生体的几何尺寸等是影响涡街流量计跨介质标定的主要因素，受此影响，采用空气或水介质作为标定介质对蒸汽流量计量涡街流量计进行实流标定会产生一定程度的偏差。为保证蒸汽计量涡街流量计的计量可靠性、节约计量溯源成本、避免蒸汽贸易计量差额，有必要对涡街流量计在蒸汽介质与空气、水介质下的计量特性进行研究，分析涡街流量计跨介质标定影响因素的作用机理，并做出针对性修正。

现有的相关研究中，针对涡街流量计在不同介质下的计量特性的实验研究，测试流量点分布基本按照最大量程的不同百分比来划分(如最大流量点的60%、40%等)，这种简单的对应关系没有考虑介质雷诺数的影响，缺乏理论支撑；一些研究人员从可压缩流体遵循的物理方程出发，分析整理出与介质可压缩性有关的变量，并进行了数值拟合得到介质可压缩性理论拟合公式，这种理论分析计算结果与实流实验数据存在一定偏差，不能完全满足跨介质标定的系数修正的实际需求。

该文从涡街流量计基本原理出发，结合流体力学基本原理，研究介质可压缩性对涡街流量计计量特性的影响，提出基于介质可压缩性的仪表系数修正数学模型，最后对按照雷诺相似准则进行的实流实验数据进行数值分析，通过最小二乘拟合得到仪表系数的可压缩性修正公式。

审核编辑：汤梓红