流量系数（精选七篇）
流量系数 篇1
1943年Masoneilan提出的英制阀门系数Cv值被人们公认为是最合适的衡量阀门流通能力的系数。基于同样的原理, 人们又定义了公制阀门系数Kv。由于公英制阀门系数定义所采用的数值和单位不同, 引发了数值计算及单位确定中的各种错位思维。因此对公式推导过程及单位含义进行深入的探讨十分必要。
2 流量系数的定义
2.1 原始定义
I E C 60534-1-2005第4.6节对阀门系数 (Cv, Kv) 进行了定义:“Basic coefficient used to state the flow capacity of a control valve under specified conditions”即用于衡量控制阀在特性条件下过流能力的基础系数。本文仅讨论紊流非空化情形下无需修正的阀门流量系数。
2.1.1 流量系数Kv
特定条件为:
(1) 静压差105Pa (1bar) ;
(2) 流体为278 K to 313 K (5ºC to 40ºC) 的水;
(3) 流量单位为m3/h。
计算公式为:
其中:
Q—被测流体流量, m3/h;
∆pKv—静压损失, 105Pa;
∆p—阀两端测出的静压损失, Pa;
ρ—流体密度, kg/m3;
ρw—水的密度, kg/m3 (1 000 kg/m3) 。
2.1.2 流量系数Cv
特定条件为:
(1) 静压差1psi;
(2) 流体为40ºF to 100ºF (4ºC to 38ºC) 的水;
(3) 流量单位为USgal/min。
计算公式为:
其中:
Q—被测流体流量, USgal/min (1USgal/min=6.309×10-5m3/s) ;
∆pCv—静压损失, 1psi;
∆p—阀两端测出的静压损失, psi (1psi=6894.8Pa) ;
ρ—流体密度, lb/ft3 (1 lb/ft3=16.018kg/m3) ;
ρw—水的密度, l b/f t3 (62.430 l b/ft3) 。
换算常数的引入
在IEC 60534-2-1-1998第6.1.1条中:
由上可知IEC 60534-2-1-1998在IEC60534-1-2005的基础上引入了换算常数N1, N1的取值取决于参数所用单位以及流量系数C的种类 (Cv或者Kv) 。
下面对换算常数的数值进行探讨 (按习惯1Kv表示Kv=1, 1Cv表示Cv=1) :
(1) 当Q=1 m3/h, ∆p=1 k P a, ρ=1000kg/m3时, 由公式1及公式2计算得;
(2) 当Q=1m3/h, ∆p=1bar, ρ=1000kg/m3时, 由公式1及公式2计算得;
备注:该数值原标准中未显示。
(3) 当Q=1 USgal/min, ∆p=1psi, ρ=62.430 lb/ft3时, 由公式1及公式2计算得
上述计算结果体现在在IEC 60534-2-1-1998 pg33的表1以及ISA 75.02.01-2008 pg31的表1中, 如:
按照公式3, 直接输入与表1中单位一致的流量、压差、密度的数值以及对应行的N1, 即可直接得出C (Kv, Cv) 值。
3 流量系数单位的探讨
3.1 国内外标准描述
I E C 60534-1-2005未给出符号性的流量系数单位, 但描述性文字及计算公式暗含流量系数的单位与流量采用相同的量纲。从公式1及公式2也可以看出, ∆pKv及∆pCv采用的压力单位可以与∆p单位相约, ρ与ρw的单位也可相约, 因此C (Kv, Cv) 的单位就和Q的单位一样了。
IEC 60534-2-1-1998第5章表格中指出流量系数的单位参见IEC 60534-1-2005。IEC60534-2-1-1998中流量系数公式 (公式3) 比之于公式1或公式2, 消失了∆pKv或者∆pCv。从公式4、公式5及公式6的计算过程可知, ∆pKv或者∆pCv的数值已经包含在转换系数N1中了。由于N1没有量纲, ∆pKv或者∆pCv的消失也带走了相应的压力单位, 这使得C (Kv, Cv) 的单位成为而非单纯的流量单位。
I S A S39.2已经作废, 替代标准为I S A75.02.01:2008。ISA 75.02.01-2008第12页指出阀门系数的单位参见IEC 60534-1-2005。并且在ISA 75.02.01-2008第24页中引用了IEC60534-2-1-1998第6.1.1条中的公式 (公式3) 。
ISA 75.01.01–2002 pg56附录F阀门系数计算范例中将Kv值的单位显示为m3/h。
E N 736-3-2008 (3.4.1) 指出阀门系数的单位参见IEC 60534-1。
AWWA M49及EN 1267 (6.2.1) 采用公式及与公式1及公式2相同的特定条件定义阀门流量系数。但该文件的pg56及pg58明确给出了阀门流量系数的单位“gpm/psi1/2”, “m3/h/bar1/2”及“m3/h/ (100k Pa) 1/2”。
GB/T 17213.1-1998与IEC 534-1-1987等同, 阀门流量系数采用流量的单位。
JB/T 5296-1991的3.5节将阀门流量系数定义为“水流经阀门两端压差为100k Pa时, 某给定行程所流过以m3/h计, 介质密度取kg/m3的流量数值, m2”。该定义将流体限定为水, 流量系数单位定为“m2”不太妥当。在该标准5.2.2中流量系数:
该定义将公式1中的比重ρ/ρw用密度ρ代替, 并省略了“100k Pa”的处理过程, 与文字定义的原意不符。
同样JB/T 10768-2000将阀门流量系数单位定义为m2, 也是不妥的。
4 结语
对阀门流量系数定义最清晰、最有影响力的是IEC 60534-1-2005。相关IEC、ISA、E N标准通过引入转换系数N1、比重等概念进行了完善, 很方便使用。但这些标准对阀门流量系数的单位描述不够清晰, N1的引入使得单位的量纲出现了矛盾。
AW WA M49将阀门流量系数单位规定为“gpm/psi1/2”, “m3/h/bar1/2”及“m3/h (100k Pa) 1/2”。这个单位能够更加清楚地从定义上说明阀门流量系数的意义, 有助于正确计算及使用阀门流量系数。
流量系数量纲出现矛盾的根源在于∆pKv及∆pCv的单位确定。不管是按照Kv的100 k Pa还是Cv的1psi定义阀门流量系数, “特定条件”都包含了压力的确定数值, 因此这个压力“100 k Pa”或者“1psi”应该作为一个整体进行计算并包含在流量系数单位当中。IEC 60534-1-2005中∆pKv及∆pCv无非就是用于计算有多少个“100 k Pa”或者“1psi”, 因此, 它们应该只是一个数, 而不应该带单位。如此理解, 则可以消除不同标准对单位理解的矛盾并统一单位。
流量系数 篇2
冲击加多斜孔双层壁冷却方式流量系数研究
为了获得冲击加多斜孔双层壁冷却方式的流量系数,分别对两种孔排列方式的.冲击和多斜孔实验板组合成的四组双层壁模型在相似理论指导下进行实验.研究压力参数从0变化到80时,流量系数的变化情况.另外讨论并分析了主流流量、孔排列方式、双层壁缝高的变化对流量系数的影响程度.为燃烧室设计和壁温预估提供依据.
作 者：许全宏 林宇震 刘高恩 XU Quan-hong LIN Yu-zhen LIU Gao-en 作者单位：北京航空航天大学,热动力研究所,北京,100083 刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 21(5) 分类号：V231.11 关键词：航空发动机 燃烧室 多斜孔壁 冷却 流量系数流量系数 篇3
在《温室通风设计规范》中, 流量系数是温室通风量计算中非常重要的参数。在实际应用中, 无论是温室通风的理论研究、工程设计或是温室环境的调控等都会涉及到[1]。目前, 没有专门针对温室通风计算的流量系数数据可供使用, 多借用工民建结构设计规范中的风荷载计算时的流量系数取值[2]。由于建筑结构计算与温室通风计算在问题处理上存在的差异, 加之温室体型、结构等与一般工民建筑有很大的不同, 尤其是连栋温室屋顶天窗数目多、侧窗面积大, 其开窗的形式与构造等方面也有很大不同, 因此有必要针对目前我国温室类型和通风窗口形式确定相应的通风计算的流量系数, 为温室通风系统的设计通风量计算提供充分的资料, 但完全依靠实验确定流量系数的工作量巨大。CFD模拟是一种通过计算机数值计算和图像显示的方法, 在时间和空间上定量地描述流场的数值解, 从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实践性的双重特点, 目前已广泛地应用于研究各种传递过程, 包括流体流动、传热和传质的分析计算。CFD模拟的输出结果包括流体的速度和方向[3]、压力、温度和浓度在空间及时间上的分布等。
国外应用CFD研究温室通风从1989年开始[4], 由于计算机硬件发展的限制, 从1996年才有较多应用, 主要是模拟不同类型温室内的流场及温度场, 为温室通风设计提供依据。温室CFD模拟的发展趋势如下:从对温室的二维CFD模拟向三维的CFD模拟[5]发展;从对小型或按比例缩小的温室进行CFD模拟到对实际尺寸的大型商业连栋温室的CFD模拟[6];从对无植物条件下温室的CFD模拟到对有植物条件下温室的CFD模拟[7];从对确定边界条件的温室CFD模拟到对不确定边界条件的温室的CFD模拟。在更进一步的模拟模型中, 将进一步增加作物的模型, 反映通风口开放的效果、温室附近矮建筑物的影响、热压和浮力作用[8]以及二氧化碳扩散等因素的影响。
本文选择CFD模拟技术作为研究温室通风窗口流量系数的方法, 可以解决实验测定多种形式窗口通风流量系数时耗用人力物力大、耗时多、费用高的问题, 能够对通风流量系数进行系统的整理, 对于温室通风系统设计具有很大的实用意义。温室通风流量系数的模拟在国内还属首次, 因此仍需要做部分的实验对模拟数据进行验证, 使得CFD模拟的方法更加完善。本文将根据模拟结果建立温室常见开窗形式的流量系数数据表, 给温室通风设计计算提供参考。
1 流量系数研究理论及模型建立
1.1 流量系数理论
根据流体力学理论[9], 温室窗口通风问题可视为流体力学中的薄壁孔口出流问题, 即
式中Cq—流量系数;
Cc—收缩系数;
Cv—流速系数。
可见, 流量系数与收缩系数、流速系数有密切的关系。也就是说, 流量系数只与气流速度和窗口处的气流阻力有密切的关系, 与气流的温度近似无关。
1.2 CFD模型建立
1.2.1 计算流体力学控制方程
本文模拟的对象为流量系数, 其数值大小受环境温度的影响很小, 可以忽略不计, 因此在模拟时并不涉及温度。具体到计算流体力学的控制方程上就是只有连续方程和动量方程, 不涉及到能量方程。以下是计算流体力学对于这类问题所采用的控制方程。
连续方程[10]为任何流动的问题都必须满足的质量守恒定律。该定律可表述为:单位时间内流体微元体中矢量的增加, 等于同一时间间隔内流入该微元的净质量。同时, 若流体不可压, 密度为常数, 则方程表述为
式 (3) 为X轴方向的动量方程。根据模拟对象采取二维或三维的形式, 动量方程相应的还有Y轴和Z轴的。
1.2.2 流动模型
本文假设流经窗洞口的空气为连续、稳定和不可压缩牛顿流体, 采用湍流模型。标准模型是典型的两方程模型, 是目前使用最广泛的湍流模型, 是由Laubder和Spalding于1972年提出的, 在相关的文献中[5,6]得到了很好的验证。
1.3 计算域的选择
一般来说, CFD模拟中通常选择研究对象的整体或者相对独立的一部分作为计算域。可以选择研究对象的一个截面作为计算域, 来进行二维模拟, 也可以建立三维模型来进行计算。相比之下, 二维模型计算较为简单, 需要的计算机资源相对要小;而三维模型较为复杂, 但是能够更准确地描述实际情况, 提供更多的信息。由于本文的问题是气体在窗洞口的流动情况, 不用考虑流体进入温室后的流动分布, 窗洞口四周上下左右各方向的气体流动都会对其产生影响, 所以不适宜采用二维模型。因此, 本模拟采用的是三维的窗洞口局部部分为模拟对象。
利用墙体或屋顶作一个分断面, 将计算域分为两部分, 两部分计算域是靠中间的窗洞口相连接的。通过这种设定, 可以清楚地看出流体流过窗洞口时的流动情况。因此, 在定义计算域时, 设定一个墙体为固体域, 两边温室内外空气为流体域。计算域的大小要根据具体的流体问题所定, 其主要原则就是流体在计算域内要充分地流动。太大会影响增加模拟计算的时间, 太小则流体无法充分的流动, 会造成模拟的不准确。一般来说, 对于窗洞口的流体流动, 流体在距离窗洞口处一个窗洞口水力半径的距离以外, 基本上就达到了稳定的流动。
1.4 网格划分
根据流体力学的理论, 流体在近壁面的流动较为复杂, 因此在本文的模拟中, 将流体域和固体域分成两部分分别进行网格划分。对不同区域的网格划分采用不同的网格密度, 特别是在窗洞口附近对网格进行了加密。模拟试验了各种网格形式, 由于窗洞口形式的复杂性, 只有非结构的三角形网格最为合适, 而且比较适于对下一步更为复杂的窗洞口形式模拟提供通用的途径。
1.5 边界条件的设定
温室通风的流量系数受流体温度的影响很小, 可近似认为只与压力大小、气流速度大小, 窗洞口的形状、结构、尺寸以及周围的遮挡物的形式有关, 因此在边界条件设定时, 不用考虑温度 (即不计算流体力学里的能量方程) 。本模拟将进口条件设定为压力入口 (pressure-in) , 出口条件设定为压力出口 (pressureout) , 即在窗洞口两侧设定一个压力差, 然后就可以在这个压力差的作用下查看流体流过窗洞口时的情况, 由此也可以分析出在不同窗洞口形式下, 固定的压力差由于窗洞口形式的不同或者周边环境的不同而产生不同的流速, 从而得到不同窗洞口形式的流量系数。
要指出的是, 边界条件所设定的压力并不是计算结果所得到的压力结果, 它仅仅是在设定边界初始条件时所假定的一个压力, 是用于软件进行初始化计算时的参数。这个压力与实际的计算压力比较接近, 但还是有本质上的不同, 这样做只是有利于计算结果的收敛。
墙体的边界条件设置为墙体 (wall) 。由于本次模拟并不涉及到温度、辐射和传热等能量交换, 所以墙体不需要进行特别参数的设定。墙体在这个模拟中仅仅是起到了一个阻碍流体流动的作用。
1.6 流量系数计算方法
根据实测数据, 可确定流量系数为[11]
式中μ—流量系数;
VA—A-A断面的气流速度 (m/s) ;
pj A—A截面处的静压 (Pa) ;
利用模拟结果, 可以得到窗口处速度积分, A-A断面即为窗口开口处面积大小, 因此这种计算方法考虑了温室窗口过流断面变化对气流的影响。
2 模拟结果分析
2.1 温室开窗形式
由于温室通风的需要, 通常在结构上顶部或侧面都需要设置窗洞口。窗洞口的形式也会根据温室结构的不同、开启位置以及当地气候条件的不同而有所不同, 而且开窗的形式也与常见工业或民用的形式不同, 有其独特的样式。
笔者通过资料的查询以及实地温室调研, 针对温室现有常见的侧窗、顶窗的开窗形式整理出了以下几种形式, 如图1所示。
2.2 模拟结果
经过对温室窗洞口的模拟计算, 可以得到各种温室开窗形式的流量系数, 整理如表1所示。
以上流量系数的压差采用的是32Pa, 箭头为气流方向。
2.3 模拟结果分析
双面开窗的流量系数要比单面开窗的流量系数小, 这主要是因为邻跨窗洞口气流以及同跨对面窗洞口气流流动的影响, 但这种开窗形式要比单面开窗的面积大1倍, 所以通风效果也是较好的。
卷帘开窗的流量系数要比挡板开窗的流量系数大, 但是卷帘开窗对于大多数的大型玻璃连栋温室并不适用, 所以这种开窗形式虽然好, 但并不通用。
谷顶开窗流体流经顶窗的时候, 流体分布是比较均匀的, 但是由于顶窗结构的限制, 开窗角度不能太大。谷顶开窗虽然流量系数要比谷间开窗的小一些, 但这种结构对于热压通风的效果要比谷间开窗好得多, 因此在某些气候环境下, 这种开窗形式还是较好的选择。
顶部翻窗的流量系数与谷顶开窗的流量系数大小一致, 但是窗洞口的面积要比谷顶开窗小得多, 这可能也是造成这种开窗形式并不常见的原因之一。
3 验证试验
为了验证模拟结果的准确性, 并对模型做进一步的修改。笔者于2005年7月在中国农业大学农业部重点试验室试验温室中进行了温室流量系数的测定。
3.1 测试仪器和内容
1) 试验仪器为补偿式微压计, 精度0.1Pa, 三维气流速度仪, 精度0.001m/s。
2) 测试内容:侧窗窗口处垂直于窗口的空气流速, 侧窗窗口处垂直于窗口的静压。
3.2 试验方法
3.2.1 测定断面
本试验将测定断面选在紧靠窗口的位置。虽然该断面在测定位置上并不是最好的, 风向一般不垂直于这个断面, 但由于所使用的三维气流速度仪可以单独测出气流速度在特定方向上的分量, 再加上所使用的机械通风使得窗口处气流比较稳定, 所以将断面选在这个位置上也是可以的。
3.2.2 测点布置
本次试验是在东面墙上的玻璃推拉窗上由南向北依次选取3个窗口进行试验对比。窗洞口的实际面积为1300mm×650mm, 划分成200mm×200mm的小矩形, 如图2所示。
3.2.3 气流速度测定
窗洞口气流流速的测定使用三维气流速度仪。为了使窗洞口处的气流尽可能的稳定, 每次测定前, 先让风机运行5-6min, 等气流场达到稳定后再进行测定。每个测点测量时间间隔为5~10s。
3.2.4 压差的测定
气流的流动是由两点的压力差决定的, 与绝对压力的大小并无关系。因此, 测定时采用补偿式微压计测定窗洞口处的静压差, 测定的位置与测定气体流速的位置相同, 也是在每个小矩形的中心。
3.3 试验与模拟结果的对比
将试验所得的数据经过整理后, 取得整个截面上的速度平均值和整个截面上压力的平均值, 其中空气密度取值为1.225kg/m3, 结果如表2所示。
由于试验测定的不稳定性, 所得到的流量系数可以按照取平均值的方法获得最终的结果, 即0.735。
这次试验的结果与模拟的结果较为一致, 说明了模拟所采用的控制方程、算法以及涡流模型对于温室计算流量系数是适用的。
4 结论与建议
由于受试验条件和时间的限制, 本文的研究还存在不足之处, 对今后的研究工作提出如下建议:
1) 流动模型中常数的设定并不是一成不变的, 随着模拟对象的不同, 模拟环境的改变, 常数应该取不同的数值, 这样才能更加准确地反映出流动状况。本文是选取了最为通用的参数, 建议以后进行模拟时, 参数要选取能反映设施农业特点的数值。
2) 在圆拱形顶窗的数值模拟时, 过风断面选取的是与圆弧面近似的矩形断面, 建议以后的断面处理要更加精确, 尽量要与实际情况一致。
3) 本文只局限在温室开窗形式的研究上, 并没有涉及到畜禽舍中一些特殊的开窗形式, 建议在今后的研究中应该对畜禽舍的开窗形式进行补充研究。
4) 随着对设施农业的深入理解, 温室的开窗形式一定还会发生变化, 有新的形式出现, 也会有旧的形式被淘汰, 所以说本研究只能是阶段性的, 建议今后在新的形式出现之后, 这方面的研究还应该进一步地深入下去。
摘要：在温室通风设计规范中, 流量系数是通风量计算非常重要的参数。目前, 流量系数的取值是以工民建结构设计规范中风荷载计算时的流量系数作为参考。由于计算目的不同, 且温室有其不同于工民建筑的构造, 温室通风量计算中流量系数的合理取值是需要深入研究的问题。为此, 提出了运用CFD模拟计算方法, 针对温室常见开窗形式 (包括各种顶窗、侧窗窗洞口) , 建立包括窗洞口在内的区域气流流动的三维立体模型, 对这些窗洞口附近的气流流动情况进行了数值模拟, 并对模拟结果进行了系统的整理, 得出了各种典型通风窗洞口的流量系数。
关键词：温室,通风,流量系数,CFD,数值模拟
参考文献
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分洪区口门流量淹没系数的研究 篇4
堰流按照水流与堰的相对位置,可以分为如泄水闸等拦河建筑物的正向堰流和类似分洪区口门的堰流;按照水流条件对堰流流量的影响,可以分为自由溢流和淹没溢流[1]。普通水力学教材中堰流流量计算一般只介绍正向堰流的,目前分洪区分洪口门的流量计算通常套用正向堰流中的宽顶堰堰流公式来计算[2]。但用这种方法计算时存在一个问题,即水力学教材中宽顶堰堰流公式的最小淹没系数值为0.4,对应的最小流量不为零[3]。实际上当分洪区内水位逐渐抬高,分洪区内的水位与外江水位基本齐平时,分洪口门的流量逐渐趋于零。
由此可以看出,类似分洪区口门的堰流流量计算公式中的淹没系数的变化规律可能有别于水力学教材中正向堰流计算式,开展这方面的研究是必要的。关于正向堰流流量计算公式很多学者展开了研究[4];关于分洪区口门的堰流流量计算的研究很少,在严格水力学意义上,分洪区口门堰流有别于正向堰流,分洪口门堰流是非恒定流,并且分洪口门外分洪区内的宽度比口门处宽度大很多;另外,分洪区口门堰流也有别于侧堰,因为外河道行进流速对侧堰的流量是有一定影响的,而在分洪区二维数模中,由于行进流速较小,忽略了行进流速。本文将针对分洪区口门的堰流,采用平面二维数学模型对分洪区分洪口门的流量计算是否可以套用正向堰流中的宽顶堰堰流公式以及分洪区口门堰流当淹没度在0.98～1.0范围内的淹没系数的变化来展开研究。
1 平面二维水流数学模型基本方程及离散
水流连续性方程:
水流运动方程:
式中:Z为水位,m;h为水深,m;u和v为垂线平均流速在x和y方向的分量,m/s;M=uh, N=vh,M和N为单宽流量在x和y方向的分量;g为重力加速度,m/s2;n为Manning糙率系数。方程的离散过程见文献[5]。
2 自由溢流时分洪口门流量系数的研究
计算的分洪区为一概化的矩形平底区域,外江河道与分洪区底部高程相等,在数模计算中均设定为零,分洪区除进口外其他都有固定岸边界。计算区域大小为1 500 m×800 m,网格大小为10 m×10 m,糙率为0.02。分洪口门宽度为100 m,堰顶厚度为30 m,分别对堰顶高程为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 m等11种情况进行了计算,整个计算过程外江河道水深保持为8 m,初始时刻分洪区内无水,在计算过程中分洪口门宽度保持不变。分洪口门示意图如图1所示。
m1由水力学中别列津斯基公式[3]计算得到,当0≤P/H≤3.0时:
当P/H>3.0时,m1=0.32。
C为侧堰流量系数,可取C=0.95 m;m为正堰流量系数[3];m2是由平面二维数学模型计算得到的流量,结合堰流公式反求得到
对于分洪区口门的堰流,这里给出了不同相对堰高时分洪口门的进洪情况,由计算侧堰流量系数的经验计算式:C=0.95 m[3],这里也通过表1表示出来,由于没有介绍侧向堰流淹没溢流过程的流量计算公式,即没有介绍淹没系数的有关内容,故暂时不对其进行比较说明。
在口门宽度、分洪区及外江河道底部高程以及进口处水深等条件保持不变的情况下,通过改变堰顶高程来模拟计算不同P/H值对分洪区进洪情况的影响。
图2、图3给出了堰顶高程分别为3、3.5 m时分洪口门进洪流量过程线,图4给出了堰顶高程为3 m,T=100 s时分洪区的流场图,表1分别给出了对应于堰顶高程为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5.0、5.5、6.0 m等11种情况下,自由溢流时的流量以及由水力学经验公式计算得到的流量系数和由数模计算反求得到的流量系数。图5给出了不同相对堰高条件下,两种不同的方法求得的流量系数对比图。从以上结果可以看出:①自由溢流时,二维数模反求的流量系数与水力学经验公式(公式4)求得的流量系数相比,基本上一致;②自由溢流时,数模得到的流量系数是可靠的,可以为淹没溢流时淹没系数的求解提供一个已知条件;③自由溢流时,分洪区口门的堰流流量系数和正向堰流中得到的流量系数相等。因此在自由溢流时,分洪口门的流量计算可以直接套用正向堰流流量计算的经验公式。
3 淹没溢流时分洪口门淹没系数的研究
淹没溢流时,数学模型计算区域和条件与自由溢流时相同,堰高分别取3.0 m和3.5 m,计算分析了分洪区口门的堰流处于淹没溢流状态时淹没系数的变化。
宽顶堰堰流的流量计算式:
式中:m为流量系数;B为堰宽;H0为考虑行进流速的堰顶全水头,在分洪区口门堰流中,忽略行进流速的影响,H0≈H,H为堰顶水头。
注:堰前水深为8.0 m,口门宽度为100 m。
当hs/H0<0.8时,σs=1.00。当0.98≥hs/H0≥0.8时,σs的值由表2可得[3]。
注:H(H0)为5 m,P为3 m,数模得到的m为0.347。
注:H(H0)为4.5 m,P为3.5 m,数模得到的m为0.342。
表3、4分别给出了堰高为3 m和3.5 m,其他条件不变的情况下,分洪口门在淹没溢流的整个过程中淹没系数随着淹没度的变化情况。其中σs1是由淹没度hs/H0的大小,查表2而得;σs2是公式(5)反求得到的:
由以上结果可以得出以下结论:①淹没溢流时,在淹没度为0.8～0.98范围内时,不同的淹没度下数模计算得到的淹没系数和经验公式查表(表2)得到的淹没系数相同;即在不同的淹没度下分洪区口门的堰流淹没系数与正向堰流淹没系数一致;②淹没溢流时,正向堰流不存在淹没度为0.98～1.0范围的堰流,这种情况只出现在象分洪区口门这一类的堰流中。由数模计算给出了这一范围的淹没系数值,具体见表5。
4 结 语
本文采用平面二维水流数学模型对分洪区口门这类堰流的流量和淹没系数进行了计算分析,通过与经验公式得到的正向堰流的相应系数作对比,得出以下主要结论。
(1)尽管堰流具有三维特性,本文通过二维非恒定数学模型基本上能够模拟堰流的整个流量过程。其中自由溢流时,二维数模得到的流量系数与经验公式计算得到的流量系数基本上一致。自由溢流时,分洪区口门这类堰流可直接套用正向堰流的流量系数。
(2)淹没溢流时,当淹没度在0.8～0.98之间时,由数模得到的分洪区口门堰流淹没系数与经验公式得到的正向堰流淹没系数一致。淹没溢流时,这类堰流可直接套用正向堰流的淹没系数。
(3)在淹没度为0.98～1.0范围时,正向堰流不存在淹没度为0.98～1.0范围的堰流,这种情况只出现在象分洪区口门这一类的堰流中。本文通过数模计算分析,给出了分洪区口门这一类堰流在这一范围的淹没系数,可以为类似分洪区口门的堰流流量计算提供一定的参考。另外,对于分蓄洪区口门的堰流,下一步将通过三维数值模拟对其进行进一步的研究。
参考文献
[1]赵振兴,何建京.水力学[M].清华大学出版社,2005.
[2]张岩.汛期分洪溃坝波的数值模拟[J].水动力学研究与进展,1992,7(4):382-386.
[3]武汉水利电力学院水力学教研室.水力计算手册[M].北京:水利电力出版社,1980:550-554.
[4]姜鑫梁.高淹没度下闸堰出流水力特性分析与数值模拟[D].2009.
流量系数 篇5
1 涡街流量计工作原理
在流体中设置漩涡发生体 (阻流体) , 从漩涡发生体两侧交替产生有规则的漩涡, 这种漩涡成为卡曼涡街, 如图1所示。
漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列。设漩涡的发生频率为f, 则被测介质流的平均速度为U, 漩涡发生体迎面宽度为d, 表体通径为D。根据卡曼涡街原理, 有如下关系式:
f=SrU1/d=SrU/md (1)
式中:U1——漩涡发生体两侧平均流速, m/s;
Sr——斯特劳哈尔数;
m——漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比undefined。
S弓是漩涡发生体两侧的弓形面积, 所以
S弓=S截-S体 (2)
S体是漩涡发生体的面积,
S体undefined
S截是管道截面面积S截=πD2/4 (4)
所以有:
undefined
管内体积流量qv=πD2mdf/4Sr (6)
所以有:K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 (7)
式中:K——流量计的仪表系数, 脉冲数/m3。
K除了与漩涡发生体、管道的几何尺寸有关外, 还与斯特劳哈尔数有关。图2所示为圆柱状漩涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系。
由图2可见, 在ReD=2×104～7×106范围内, Sr可视为常数, 这也是仪表正常工作的范围。
由以上推理可见, 涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响, 即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与漩涡发生体及管道的形状尺寸等有关。
2 结构
涡街流量计由传感器和转换器两部分组成, 传感器包括漩涡发生体、检测元件、仪表表体等;转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块也装在转换器内。
漩涡发生体是检测器的主要部件, 它与仪表的流量特性密切相关, 本文主要讨论温度的变化对它尺寸的影响。当然生产厂家为了避免由涡街发生体带入的误差, 对涡街发生体提出了很高的要求, 如:能产生强烈的涡街, 信号的信噪比高;形状和结构简单, 便于加工和提高其尺寸的精度, 以及各种检测元件的安装和组合;材质应满足流体性质的要求, 耐腐蚀, 耐磨蚀, 耐温度变化等。当然其他的部件如检测元件、D/A转换电路等也会影响涡街流量计的精度, 但这种影响可以在软件中补偿或者是目前的技术局限。有关此方面的论文很多, 在此不再赘述。本文着重讨论的是有温度的变化影响漩涡发生体尺寸的变化和表体内径的变化, 以及由此带来的误差。
3 误差分析
由 (7) 式可知, 这是K在标准状况下的表达式, 在工作条件下, 由于温度发生了变化, 由此引起K的表达式的变化。
将 (7) 是变形得:
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1=4Sr/πD2md (8)
将 (2) 式代入上式得到:
undefined
由线膨公式:
undefined
式中:Dt——在t℃时的内径;
D0——在0℃时的内径;
dt——在t℃时漩涡发生体的宽度;
d0——在0℃时漩涡发生体的宽度。
如果对 (9) 式求D和d的偏导数得到的数学表达式是相当复杂的, 这里复杂的原因是由于m的表达式过于复杂。在求m的表达式时, 用了精确的计算方法, 如图3所示。将漩涡发生体看作是两个扇形 (扇形OEF和扇形OHG) 和两个三角形 (△EOH和△FOG) 的面积之和。
为了简化计算, 在这里做个近似:把漩涡发生体看作是个矩形ABCD, 由图知道宽为d, 长为D, 所以漩涡发生体的面积:S体=d·D (11)
又因为S弓=S截-S体undefined
S截undefined
所以m的表达式可以进一步简化为:
undefined
由于把漩涡发生体看作为是个矩形 (宽为d, 长为D) , 其面积比实际要大, m则比事件要小, 所以要对m进行修正, 经查阅有关资料, 发现大多数的资料都把undefined修正为1.25, 代入 (12) 式, 得到:
m=1-1.25d/D (13)
将 (13) 式代入 (8) 式, 得到:
undefined
对 (14) 式的两边取以十为底的对数, 得到:
lgK=lg4+lgSr-[lgπ+lgD+lgd+lg (D-1.25d) ] (15)
对 (15) 式两边取偏导数, 得到:
undefined
由于温度对内径影响和内径比起来很小, 所以可以看作是微分量, 所以有如下关系式:
undefined
将上式代入 (16) 式, 得:
undefined
这就是温度对仪表系数影响的表达式。
由于一般涡街流量计表体和发生体都是不锈钢材质, 故 (13) 式可以简化为:
undefinedat (19)
假如当常温下检定的涡街流量计使用在中压蒸汽计量时, 以中压蒸汽温度为300℃计算:
undefined
(不锈钢的线性膨胀系数为16.6×10-6 )
可见, 当使用温度和检定温度相差较大时, 温度对仪表系数的影响是比较明显的, 应该加以考虑。
4 结束语
涡街流量计目前在国内应用越来越广泛, 但其使用介质的温度差别很大, 如有的测量原油, 有的测量蒸汽以及过热蒸汽等, 有的使用在低温环境, 有的使用在高温环境, 如果在应用过程中忽略的温度对仪表系数的影响, 会产生很大的计量误差, 在实际工作中不应该忽略这个因素影响, 在使用中应该使用以上推导公式进行修正。
参考文献
[1]JJG198-94, 速度式流量计检定规程[S].中国计量出版社出版.
流量系数 篇6
1 流量计系数法
在20世纪80年代, MF在我国的原油动态计量中开始出现, 1976年, 大庆油田总外输计量站在国内油品结算中率先加入MF修正。所谓流量计系数法就是原油贸易双方, 确定流量计误差在允许范围内, 保证其重复性, 用标准体积管检定得到MF值 (MF值范围0.998~1.002) , 在结算加入计算。在原油贸易结算中, 引进MF对计量结果进行修正, 消除流量计因自身零点、漏失量等原因造成的误差对计量结果的影响。由于该方法消除了流量计自身误差对计量结果的影响, 显然流量计系数法比基本误差法更加科学、准确。但是由于MF与流量计工作的状态有直接的关联, 不同的工况MF有不同的变化, 检定只能得到流量区间内的MF, 所以只能从理论上把由流量计带来的误差趋于0, 并不能完全消除。
流量计系数作为仪表误差受很多因素影响, 使用流量计进行交接计量时, 在运行工艺条件下, 温度、压力及粘度、压差等因素的影响都会显著影响计量的体积。其中以温度、压力的影响最为显著, 由于环境温度的变化, 以及检定工艺的改变, 造成流量计检定时的温度、压力与生产运行时的温度、压力不同。所以在实际检定中我们需要将标准体积管的容积换算至工作状态下的 (考虑体积管材料压力修正系数与温度修正系数) , 然后在将体积管工作状态下的体积换算至流量计检定状态下的体积, 从而保证得到的MF值为检定状态下的误差。流量计应设置计量间, 保证环境温度的基本恒定, 从而消除因环境温度变化而造成的漏失量改变, 从而改变MF。同时, 应尽量采用双壳体结构的流量计, 减少环境温度对计量结果的要求。流量计的压力应保持足够小并恒定, 减少因压力急剧变化造成的误差。流量计的前后压差即经过其的压力损失, 粘度的变化会造成漏矢量及压差的变化, 压差与漏失量成正比, 在实际生产中应尽量选择结构上机械摩擦小的流量计使其在最大流量下压力损失不超过0.03MPa。综上所述, 流量计检定应尽量在线实流检测, 并保证流量计温度、压力的恒定, 当油品物性有显著变化时, 应重新检定流量计, 比如庆油与俄油不能相互更换品种检定使用。
因此流量计系数法操作比较繁琐。基本误差法只要流量计周期检定满足要求即可以进行油量计算;而流量计系数法为了消除流量计本身误差的影响, 准确计算油量, 必须确定每个流量范围内相应的MF。同时, 随着工况及油品物性的变化, 以及流量计本身磨损、腊堆积等原因, MF系数事实是不断变化的, 我们只能捕捉到一定时间内相对的稳定性。所以周期检定是的流量计系数准确的首要保证, 按照规程检定周期为6个月, 同时, 6个月内流量计系数的变化是很复杂的, 所以应当在检定周期不断自检MF, 并绘制曲线。管道公司按照实际, 规定每15天进行一次自检, 若检定系数在范围内 (±0.20%) , 则继续使用周期检定仪表系数。
2 流量计系数法的使用探讨
在实际工作中应按照贸易双方的交接协议, 并依托有资质的检定中心做出周期性检定。结合公司计量现状笔者认为:
(1) 采用流量计系数法必须具备在线实液检定流程, 从而确保检定温度、压力、油品物性与实际相符。即流量计有检定流程并配备标准体积管, 其中体积管应每三年由国家大流量检定中心 (以下简称国家站) 进行检定
(2) MF的确定过程应由国家站检定员确定, 并由原油交接双方计量人员共同监督确认。交油方负责具体操作, 接油方负责监护, 一经确认应铅封, 不得私自更改, 若一方有异议需联系国家站复检。
(3) 流量计的检定过程操作人员应经过考核取得公司颁发的计量检定员证。
(4) MF的自检不应代替流量计的周期检定, 其不具备贸易交接效力, 只能作为日常性工作确定流量计是否超差以及其稳定性。
(5) MF应分为3-5个检定点, 检定点按照实际输量确定, 应包含常用量点。流量检定范围在流量计量程的30%-70%内, 一般选取三个点, 流量结算过程中依据就近原则选取流量点的流量系数。
(6) MF自检周期应选择在7-15天, 周期太长系数变化比较大, 不能及时把握流量计本身变化, 同时若油品物性发生变化时, 可及时处理计量争议, 周期太短, 将极大增大工作量。
(7) 周期检定流量计系数和自检确定的流量计系数不一致时应由交接方提出由国家站复检。交油方及接油方同时进行复检, 如确已超过允许误差, 则由国家站的检定人员进行精度调整, 并计算争议量
摘要：原油动态计量结算方法有流量计系数法和基本误差法两种。流量计系数法是基于流量计本身误差的计算, 即在基本误差法基础上乘MF系数。原油管输计量多采用准确度等级为0.2级的 (容积式) 流量计, 在某一流量下, 其指示值与标准值之间存在偏差;利用双向体积管给出流量计检定系数MF (通过体积管的实际体积与流量计指示体积的比值) , 同时应保证流量计在各流量检定点线性、稳定性、重复性等技术性能均合格。MF参与原油计量结算, 可减少因流量计误差曲线漂移带来的误差, 改善流量计基本误差, 提高交接计量准确性。而基本误差法则是, 认为流量计系数MF为1.0000, 如果其误差在允许的基本误差 (±0.20%) 限内, 则计量的体积量经温度、压力修正后的标准体积值即为结算量。
关键词：流量计系数法,Meter factor (简称MF) ,流量计,使用探讨
参考文献
[1]潘丕武石油计量技术基础, 2011, 海洋出版社.
[2]原油动态计量GB/T 9109一1988.
流量系数 篇7
1.1 原油动态计量方法
动态计量技术与原油外输计量的发展趋势相适应, 它可以将人为因素的影响削弱, 将原油的储备投资降低, 使原油的蒸发损耗减少, 降低储罐的总储油量。管输原油使用动态计量方式通常有两种情况:一种是玻璃密度浮计配合流量计的计量方式;另一种是在线液体密度计配合流量计的计量方式。
1.2 原油静态计量方法
国内目前在原油计量的交接方式中, 大多使用动态计量方式, 以管输交接为主, 而静态计量仅作为对库存量进行盘点的手段, 仅有少数地方仍沿用铁路轨道衡计量。占据主导地位的是使用流量计作为主要器具的动态计量方式。
2 外输原油油量的计算
以中俄管道原油管道计量为例, 根据原油计量交接协议, 密度、温度、压力采用在线传感器实时测定。采用自动采样器进行取样, 每12个小时人工在化验室分析一次含水, 氯盐, 含硫, 每十天进行周期测定机械杂质、馏分组成、含蜡、有机氯盐等, 以交接计量站化验室所做的各种参数为依据, 12小时为一个班次, 24小时一个交接工作日, 以批次石油量为依据。根据俄罗斯石油数量和质量测量系统的测量方法, 每两个小时所计算的原油量为:
m=V× (ρ-010011) ×Cpi×VCF× (1-w%)
在式中, w是原油压载物含量, 单位为%;VCF是原油体积的修正系数;Cpi是原油压力的修正系数;ρ是体积计量条件下的在线密度值, 取两个小时内的加权平均值;V是每两个小时的流量计的表头累计值读差, 单位为m3。
3 误差产生的原因
3.1 标准器具的误差
在标定用于流量计在线检定的体积管时出现误差是不可避免的;用于标定压力表、温度计、含水分析仪、密度计的标准器具自身也存在一定的误差;在交接计量站所进行的化验指标测定所采用的仪器, 设备等本身存在一定的误差。
3.2 环境的误差
因为规定的标准状态和各类环境因素不一致, 所以就会导致被测量本身的变化和测量装置产生误差, 例如, 原油平时的黏度、温度和检定时不一致就会导致流量计的基本误差产生变化。
(1) 人员方面的误差。因为测量者会受到自身利益的驱使, 所以末站计量人员在分析含水、密度时, 就会习惯性的把读数读向对自己有利的一面, 因此, 分析含水时就会偏小, 分析密度时就会偏大。
(2) 流量计的基本误差受原油温度的影响。当检定温度比输油温度高的时候, 就会导致流量计的基本误差朝着正方向进行增大, 另外, 原油的温度和黏度成反比关系, 当温度降低时, 原油的黏度就会增大, 流量计的漏失量就会有所下降, 因此就会导致基本误差朝着正方向增大。
(3) 流量计基本误差受原油黏度的影响。计量室的液体黏度和计量腔漏失量成反比关系, 也就是说流经流量计的液体黏度越小, 漏失量就越大, 就会导致流量计的基本误差朝着负方向增大;反之, 流经流量计的液体黏度越大, 漏失量就越小, 就会导致流量计的基本误差朝着正方向增大。
4 使体积误差减小的方法
鉴于流量计自身的特性以及为了将体积计量受流量计系数的影响消除掉, 使原油交接计量更加公正、公平、准确、科学, 必须提高原油交接计量的准确度。在中国进口俄罗斯原油交接计量中使用动态间接计量方法, 在使用涡轮流量计过程中控制流量计系数偏转误差。流量计系数的管理方法就是:在使用体积管来核查流量计系数时, 在某一流量点下, 进行不少于三次测量, 所得到流量计的指示值和标准值之间的偏差, 修正此偏差, 使之不超出合理的误差范围。
4.1 交接计量器具的要求
根据交接协议, 流量计在原油动态交接计量中运用的准确度应该优于0.15%, 待首次检定合格后就能够投入运行, 在交接双方的共同参与下, 利用标准体积管对流量计每月不少于三次的检定即每十天进行一次, 根据交接协议的要求和俄罗斯流量计检定相关规程, 检定要后形成纸质检定证书, 交接双方工程师确认签字。每隔2年要对体积管进行一次检定。
4.2 确定流量计系数
以国内石油某企业计量为例
(1) 在2个月内流量计的平均流量为
Qt• (m3/h) Qt=ΣVti/ΣTi
在式中, T i是每次输油的时间间隔;Vti是每次输油间隔的体积量。
(2) 确定输油的误差Et (%)
与检定点流量Q1 (m3/h) 相对应的输油误差:
EI= (E11+E21) /2
与检定点流量Q2 (m3/h) 相对应的输油误差:
E2= (E12+E22) /2
与检定点流量Q3 (m3/h) 相对应的输油误差:
E3= (E13+E23) /2
当Q1≤Qt≤Q2时:
Et=E1+ (Qt-Q1) × (E2-E1) / (Q2-Q1)
当Qt>Q2时:
Et=E2+ (Qt-Q2) × (E3-E2) / (Q3-Q2)
4.3 确定2个月时间内某台流量计的补油量
Mp=Mo×Et
在式中, Mo是2个月时间内的输送原油量 (纯油量, 单位是t) , Mp是2个月时间内的补油量 (纯油量, 单位是t) 。当Et<0时, 需方补油给供方;当Et>0时, 供方补油给需方。
4.4 确定多台流量计的补油总量
由二首站和管道局双方补油的总量是2个月内各台流量计补油量的总和。
4.5 结算补油量
每2个月的补油量, 在此两个月后的月底标定完成后的五日内, 根据纯油量进行补量, 同时要在结算单中清账。
5 运用流量计系数法后产生的效果
双方体积在2007年的差率是-0.1%, 运用流量计系数交接后, 双方体积在2008年的差率 (将由于清扫、停输流量计等因素导致的体积差扣除) 是-0.03%, 根据835016.455t的管输量来计算, 原油能够减亏679t, 这在很大程度上促进了该企业在计量业务中的挖潜增效工作。
6 结束语
从长远的角度来看, 体积交油将很多环节的计量误差都消除了, 很多环节也节省了。近些年, 国内原油的进口需求量也在不断增加, 因此, 非常有必要进一步与国际接轨, 促进原油的公平交易, 以使国际间的纠纷和索赔减少;此外, 还有待于进一步开发应用计量自动化、统计计量技术等, 非常有必要寻找一个先进的既适合我国国情又与国际接轨的油量计量交接方法。
摘要：本文对国内某石油企业原油计量油量进行了计算, 分析了造成原油差量的原因, 同时提出如何在提高外输原油交接计量的准确度时运用流量计系数法。
关键词：流量计系数法,交接计量,原油差量,外输原油
参考文献
[1]张跟安, 张建华, 张风琴等.如何运用流量计系数法提高外输原油交接计量的准确度[J].中国高新技术企业, 2010.[1]张跟安, 张建华, 张风琴等.如何运用流量计系数法提高外输原油交接计量的准确度[J].中国高新技术企业, 2010.
[2]徐英华, 徐士敬.原油流量计系数交接中出现的问题及对策[C].//2006年全国流量测量学术交流会论文汇编.2006.[2]徐英华, 徐士敬.原油流量计系数交接中出现的问题及对策[C].//2006年全国流量测量学术交流会论文汇编.2006.
[3]王葵, 李明圆.重视管理与标准提高海上原油外输计量水平[J].中国检验检疫, 2011.[3]王葵, 李明圆.重视管理与标准提高海上原油外输计量水平[J].中国检验检疫, 2011.