基于风洞试验下的皮托管几何结构的优化设计研究

发布时间：2020-08-02 12:17

【摘要】：二氧化碳等温室气体排放量数据的准确性不仅关系到国家相关减排控制指标的实现,也关系到一个国家是否真实达到温室气体减排承诺及国家内部碳交易的公平性。据统计,在我国通过烟气排入大气中的二氧化碳约占全国总排放量的75%以上,因此准确计量烟气中二氧化碳排放量十分关键。烟气中温室气体浓度的测量准确度较高,主要的不确定度来源来自烟气流量测量不确定度。S型皮托管因口径大而不易堵塞、易安装、易维护等诸多优点,通常在工业上使用S型皮托管作为烟气测量的主要仪器。美国环保总局颁布的EPA方法2中假定S型皮托管的校准系数为0.84且恒定不变或者使用低湍流度风洞在没有流速攻角的情况下进行标定。但是实际研究发现S型皮托管的校准系数是随着流速、流速攻角发生变化的,横向流动对S型皮托管的校准系数有着很大的影响。本论文基于大口径烟气流量模拟风洞装置,系统研究了不同结构形式的皮托管对校准系数的影响。2017年初,中国计量科学研究院建立了一套大口径烟气流量模拟风洞装置,该装置以多普勒激光测速系统(简称“LDV”)为原级标准,然后分别将速度量值传递给皮托管,将流量量值传递给flowsic 600超声波流量计。风机作为装置的动力源,对三种风机打开方式下装置流量的稳定性展开了实验探究,确定了使测试段流量最为稳定的风机打开方式—单开风机A作为皮托管试验的动力源。其次,对常规S型皮托管的校准系数在该装置下的不确定度进行了评定,其不确定度为0.37%。基于该大口径风洞标准装置的测试能力,选取了7根常规S型皮托管模型与5根菱形皮拖管模型,在1.0~30m/s的流速范围内,研究了皮托管的几何结构对校准系数的影响,结果显示:(1)对于常规S型皮托管而言,改变总、静压孔间的孔距与管内径对校准系数有一定的影响,而改变管的曲率半径对校准系数基本无影响。当孔距缩短时,其校准系数的值变小且愈发趋于一致,总、静压孔间的差压变大;当管内径减小时,其校准系数的值变小而一致性变差,总、静孔间的差压变大。(2)对于菱形皮托管而言,改变总、静压孔的斜面角度对校准系数有一定的影响,校准系数随流速的增大而增大。当总压孔的斜面角度增大时,其校准系数变小,总、静压间的差压变大;当静压孔的斜面角度增大时,其校准系数k先变小后变大,对应的差压压力系数先变大后变小,静压孔的压力先变小后变大。(3)比较常规与菱形两种类型的S型皮托管模型容易发现,常规皮托管与菱形皮托管的结构形式对校准系数的影响各有优劣。常规皮托管校准系数的一致性比菱形皮托管的更好,波动性更小;菱形皮拖管的差压要比常规皮托管的更大,灵敏度更高,测速范围更广。
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH815
【图文】：

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传递给 flowsic 600 超声波流量计。该装置可实现最大流量 100000 m/h 的测量能力，其测速范围为 0.5～70m/s。基于烟气流量模拟风洞装置的测量能力，本论文实验系统以该风洞装置为基础，对各种不同几何结构形式的皮托管展开相关测试，从而了解皮托管本身的测试性能。2.1 大口径烟气流量模拟风洞装置的建立烟气流量模拟风洞装置的平面结构简图如图 2.1 所示，现场装置图如图 2.2所示。该风洞装置的主要构架有喷嘴段、激光多普勒测速仪（LDV）原级标准及三维皮托管（Pitot tube）管段、超声波标准流量计管段、扰流装置、被测表测试段、风量调节段等。本论文的实验系统主要集中在激光多普勒流速仪（LDV）标准流量及三维皮托管（Pitot tube）管段。该装置以 Labview 系统软件和 LDV 测速软件作为控制软件平台，可以实现远程调控。

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图 2.2 烟气流量模拟风洞现场装置图1.1 喷嘴段的设计喷嘴段主要包括入口段、整流段、收缩段三部分，该设计是依风洞规格要V 测试段口径出口 0.8m，最大风量需达 100000 m3/h，喷嘴段流场质量的好接决定烟气流量模型装置性能的优劣。其中，整流段设计包括蜂巢网与四层整流网。整流段的主要作用在于保证能够平行通过风洞轴线，把流场中较大涡旋打破成小涡旋，可降低气流的紊度，保证测试流场的均匀稳定。蜂巢网的结构型式可为圆形、方形和六角常六角形蜂巢网压损系数最小，设计时蜂巢尺寸口径和长度比值约 5 至 1设计采用六角形蜂巢网孔径为 3/8cm，通常网目越细，紊流强度越小，整流也越好。收缩段设计出口为 0.8 m，入口为 2.4 m，收缩段的主要作用是均匀使气流

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LDV 测试管段的设计口径为 0.8m，长 2.6 m，在离测试段入口 15 cm 位置处每隔90 度设计有 4 座直径为 15 cm 观测视窗，在离测试段入口 119 cm 位置处每隔 90度设计有 3 座直径为 15 cm 观测视窗。同时为了配合 LDV 标准流量测试段与三维皮托管定位测量机构，在管道侧面设计有一座长为 157 cm，宽为 3.3cm 的开槽，该部分装置如图 2.3 所示。在三维皮托管定位机构的对面设置了整套风洞装置的原级标准——LDV 测速仪，如图 2.4 所示。将激光探头直接架设在位移平台之上，探头正对一透明视窗，激光器发出的四束光线可透过视窗于管道内部交于一点，当运动的示踪粒子经过该交点时，可通过频移换算准确测出该粒子的运动速度。其中，测试窗的设计会影响到测量位置的准确性及 LDV 数据的质量，于是设计了玻璃纤维制作的透明视窗，视窗对波长为 400-700nm 的光强透过率大于 95%，使得 LDV 可以测量出风洞中运动粒子的轴向速度。

【参考文献】