翼型流量計工作原理及其應用

翼型流量計工作原理及其應用

余曉冬  李中原  王文丹

    翼型流量計簡稱AF流量計，是為適應大口徑管道中水、油、氣(汽)等流體介質甚至多相流介質測量場合的需要而發展起來的一種高可靠性、緊湊輕便、可實現在線安裝的新型流量儀表。
   

一、AF流量計的工作原理

    20世紀初，由流體力學邊界層理論以及浸沒物體擾流受力分析導出的機翼理論，奠定了人類自由翱翔天空夢想實現的基礎。一百多年來，人類航空/航天及航海(如水翼船)的發展，無一不是機翼理論的實際應用。AF流量計正是建立于機翼理論這一成熟流體力學基本理論之上、結合現代高新材料和先進傳感技術開發出的一種高適應性、高可靠性的新型流量儀表。其工作原理簡述如下(見圖1)。
    在平均流速為V的穩定流場中，以仰角為α放置一翼型物體。因翼型剖面形狀和仰角的作用，機翼上面邊界層內的流速將高于機翼下面邊界層內的流速，從而在機翼周圍形成一個速度環量Γ。由流體動力學伯努利方程，此速度差將導致機翼上下的壓力差:流速高的上方壓力低，而流速低的下方壓力高，因此機翼受到一個向上的舉力F。由伯努利方程及浸沒物體擾流受力分析可以導出力平衡方程式:
    F=Cρ(V2/2)A (1)
    式中:F——機翼在流場中受到的舉力；C——舉力系數， 僅與機翼形狀和仰角有關；ρ——流體密度；V——流場平均速度；A——機翼的投影面積，A=B·C，其中:B為翼展，C為翼弦長。
    進而:
    V=(2F/CρA)1/2 (2)
    式(2)中，C(舉力系數)僅與機翼形狀和仰角有關。當機翼形狀和放置位置都確定后，C即為常數。
    因此，只要測出機翼上所受舉力F，就可以根據式(2)求出流速V。
    AF流量計就是依據機翼理論，采用一個(或一對)翼型薄板作為流速信號發生器，放置于待測流體管道中。當管道中流體流動時，翼型信號發生器即受到舉力作用，此舉力大小與管道中流速直接相關。此舉力值由與信號發生器相連的測力傳感器檢測出后，傳輸至流量積算儀進行記錄、運算，并將計算出的流量值顯示或打印。
    由AF流量計的工作原理可知，AF流量計測速傳感信號是力值信號。在任何介質的流場中，放置的機翼都會產生舉力。如前所述，當機翼的幾何尺寸和位置確定、介質的密度已知時，該舉力的大小僅與流場中介質的流速有關。因此，AF流量計幾乎適用于所有已知的流體介質測量，如水、油、各種氣體及蒸汽、各種化工流體原材料、顆粒流甚至兩相和多相流等。此外，AF流量計中作為流速信號發生器的翼型薄板結構簡單且無需任何可動件。結合現代發展成熟的測力傳感技術，AF流量計可以在復雜的環境條件下(高溫、高壓、污濁、振動或電磁干擾)穩定、準確、可靠地工作。
   

<CTSM>    圖1  機翼升力原理</CTSM>
   

二、AF流量計的應用

    在實際應用中，AF流量計一般由翼型信號發生器、測力傳感器(變送器)和流量顯示積算儀3部分組成。
    AF流量計的信號發生器為一個(或一對)翼型薄板，放置于待測流體中。當待測流體速度分布接近均勻分布時，采用單個翼型信號發生器即可；若判斷待測流體速度分布會畸變，則可在流速畸變處放置多個翼型信號發生器，信號采集后通過流量積算儀匯總經數學處理獲得更為準確的測量結果。此外，AF流量計也可以方便地應用于明渠流量測量中。
    經典的機翼理論是在機翼無限長假設即兩維流動狀態下導出的。對于實際應用在三維流動狀態下的有限長機翼，還要考慮機翼邊緣擾流的影響。機翼邊緣的擾流環量對機翼的實際舉力值產生影響，因此在AF流量計結構設計上應考慮這一因素。而最直接的解決辦法就是在翼型薄板邊緣加裝擾流板，這也是在飛機機翼設計中經常用到的方法。
    為實現大口徑管道現場不斷流拆裝作業，AF流量計翼型信號發生器通常為折疊形式并將流量計設計成插入式。在大口徑流量測量中，必須解決現場不斷流拆裝的難題。這也是許多種類流量計無法在大口徑流量測量中應用的主要原因。而AF流量計輕巧的結構，使滿足這一苛刻要求成為可能。
    依照AF流量計工作原理及當代測力傳感器技術發展水平，AF流量計測量范圍(量程比)可達1∶500以上。如需進一步提高低流速下的測量靈敏度，在流量計結構設計上可采用雙層翼型(如早期飛機大量采用的雙翼機型)。這樣的設計可使AF流量計的測量下限大幅降低，從而顯著擴大量程比。
    作者單位【深圳市計量質量檢測研究院】