均速管流量计国内外研究进展分析（其他）
刘亚成 张吉礼 夏南琪
大连理工大学建筑能源研究所
摘 要：均速管流量计是一款基于毕托管测速原理的差压式流量计。本文介绍了均速管在截面形状的发展情况、取压孔的研究情况以及CFD数值仿真的研究进展。根据均速管近几年的研究情况，本文认为均速管流量计研究的侧重点应该是如何使均速管流量计的流量系数更加稳定和均速管流量计的标准化，只有这样才能使均速管得到更多的应用。
关键词：均速管流量计综述
0 引言
均速管流量计( Averaging Pitot Tube)，国内也有叫阿牛巴，是基于毕托管测速原理发展演化而来的，毕托管测量的是单点的流速，而均速管测量的是管道截面上多点（图1）的流速来获取管道截面的平均流速。均速管流量计在使用时，用二次仪表测量其高、低压端的压力差，代入到式1中，就可以计算出流量。
均速管具有简单、便宜、能耗低的特点，在流量计量仪表中占据重要位置，在国内外石化、电力、冶金、空调等诸多领域得到应用。但其也存在输出压差低、容易堵塞、还没有标准化等一些不足，为此国内外学者对其进行大量研究。本文将回顾均速管流量计的发展历史，介绍其在国内外的研究与发展情况。
1 均速管流量计横截面的研究进展
均速管的截面形状决定着流体流过均速管时的分离点，影响其周围的压力分布，对均速管流量计的流量系数有很大的影响。为了使均速管获取更加稳定的流量系数，更大的输出压差，各种截面形状的均速管层出不穷，下面本文将要按时间顺序介绍均速管流量计横截面截面（图2）的研究发展情况。
1)圆形截面：如图2(a)所示。圆形截面的均速管出现于1968年前后，是最早的均速管截面形状，由美国迪特里希标准公司(DS)生产。圆形截面的均速管尽管结构简单，加工方便，但是流体流过圆形均速管时会产生一个随流速而变化的分离点，这会使均速管产生10%的测量误差。
2)菱形截面：如图2(b)所示。菱形截面的均速管出现于20世纪70年代后期，菱形截面的分离点固定在两边的拐点处，解决了分离点不固定的问题。这个时期菱形均速管只有一个低压取压孔，使用过程中容易堵塞，被称为钻石I型。20世纪80年代中期，DS公司将菱形均速管的低压取压孔的数量和位置改成与高压测压孔一致，使其不会因为某一个孔的堵塞而影响使用，这款均速管被称为钻石II型。菱形截面尽管可以使分离点固定，消除因为分离点变化而产生的测量误差，但是由于低压取压孔设置在尾流区，由于尾流区漩涡的变化规律难以掌握，使尾流区压力的变化也毫无规律，使均速管流量系数依然不够稳定。
3)机翼形截面：如图2(c)所示。机翼形截面出现于20世纪80年代中期，当时圆形截面均速管濒临淘汰，但有人希望对圆形截面改进，于是就产生了机翼形。机翼形尽管降低了压损，对管内流场影响较小，但是输出压差太低，而且流量系数也是不稳定的。
4)子弹头形截面：如图2(d)所示。1993年，VERIS公司推出子弹头形均速管，其具有固定的分离点，流量系数比较稳定，并且其吸收机翼形的优点，尾流区漩涡较小。子弹头形截面均速管最显著的特点在于它的低压取压孔设置在分离点前，使低压孔受尾流区漩涡影响较小，因而流量系数更加稳定。但是输出压差偏低，特别是在低雷诺数条件下使用效果较差。子弹头形均速管的高压取压孔与低压取压孔都在流场的高压区域，在使用过程中这个高压区会阻止杂物进入取压孔，因而其防堵性能也是极其优越的。
5)德尔塔形截面：如图2(c)所示。1995年前后，德国思科和埃尔郎根公司合作推出了德尔塔巴均速管流量计，和菱形均速管一样，都有固定的分离点，但是其低压取压孔设置在尾流区，低压信号不稳定，因而其流量系数也是不够稳定的。为了防堵，其取压孔的孔径通常设置得很大。其最大的弊端在于外形过于复杂，加工难度很大，导致其成本很高。
6)T形截面：如图2(f)所示。2001年，美国DS公司推出T形均速管流量计，它的取压孔是槽型的，取压孔占直径的85%，能更准确地获取流速分布，其具有非常稳定的流量系数，特别是在低雷诺数时，流量系数也比较稳定，测量精度可以做到0.75%以内。据称T形均速管获取的差压信号比其他均速管大80%以上，具有突出的信噪比。T形均速管还内置一个温度计套管，当需要温度补偿时，可以安装温度检测仪表。
上面介绍的几种截面形状是均速管截面发展进程中，极具代表性截面形状，它们都具有自己的特点，大多都得到实际应用。除上述几种外，人们还研究了一些其它形状的均速管截面。1985年，英国TFL公司推出托巴均速管，其主体形状还是圆形，为了使分离点固定，静压孔附近一小段被铣成六边形来获取稳定的流量系数。波兰人Kabacin ski和Pospolita提出一种双翼形截面均速管，据称这款均速管能获取较大的压差和较为稳定的流量系数，但是这款均速管阻塞比较大，会有较大的阻力损失，而且形状过于复杂，加工难度很大。天津大学齐利晓结合菱形和德尔塔巴形均速管的特点，设计出整流翼型均速管，其测量性能优于圆形、菱形截面均速管。浙江大学朱莹通过CFD仿真研究，提出一款双体式均速管，跟子弹头形均速管相比，输出压差大幅提升、量程比提升显著，但是这也是在增大阻塞比的前提下做到的。
2 均速管取压孔的研究进展
2.1均速管取压孔的位置
均速管取压孔的作用在于对管道内流体的速度分布进行取样，当各个取压孔的速度的算术平均值等于管道内的平均流速时，这样的取样才有意义。为了确定取压孔位置和数量；使取样能准确反映管道内平均流速，首先得了解流场的速度分布，能够数值描述流场分布。对于速度分布不稳定、不对称的流体，很难用数学模型来描述它们，但是对于充分发展的湍流，其速度分布是对称而且稳定的，人们已经提出多种数学模型来描述它。1932年，尼古拉兹提出指数式的管流模型，如式(2)，但是尼古拉兹模型只是近似的，在管流中心和边界处与实际并不相符。随后，人们陆续提出几种比较精确的模型如三次方模型、对数线性模型、高斯模型等。然而单独使用以上任何一种模型都不太准确，有人提出用多种模型分段描述。
在了解管流的速度分布数学模型之后，就可以根据数学模型设置取压孔的位置。人们根据尼古拉兹充分发展的湍流数学模型，提出了多种取压孔设置方法，常见的有切比雪夫近似积分法、对数线性法、高斯近似积分法、等面积分布法、等流量分布法等。由于尼古拉兹模型描述的充分发展的紊流在管流的边界处和中心处不太准确，人们提出了对数——切比雪夫法。对数一切比雪夫法考虑了管道近壁区的流场分布规律，其根据管道近壁区的对数线性规律来设置取压孔，改进了切比雪夫法，经过大量实验，人们发现对数——切比雪夫法更加准确，这种方法也被国际标准化组织所编写的IS0 3966-2008所采用。
2.2均速管取压孔的数量
关于高压取压孔的数量，有人研究证明在粗糙管内取一对即可，平均流速点的位置总是处于F0.758 R处，但是后来有人证明在光滑管内并非如此，毛新业认为取两对到三对即可。对于高压取压孔，事实上可以根据所测量的管径确定取压孔的数量。对于低压取压孔的数量，一开始跟高压取压孔一一对应，后来认识到管道横截面上各点静压相等，只设置一个就行。但是实际使用中由于低压取压孔容易被堵塞，又恢复到多个低压取压孔。
2.3均速管取压孔的形状和大小
对于取压孔的形状和大小，现在常见形状有圆形和槽形。圆形取压孔很普遍，大多数均速管都是采用圆形的取压孔，槽形取压孔主要是T形均速管在使用。谭强等发现当倒角角度一定时，输出压力随深度的增大而增加，当倒角深度一定时，输出压力随角度先增加后减小，倒角为300时，输出压力最大。取压孔的大小，理论上越小越好，因为越小越能反映该点的真实流速，但越小就越容易堵塞，这个问题得综合考虑。
3 均速管流量计CFD数值仿真研究进展
对均速管流量计CFD数值仿真主要出现在2000年以后，通过CFD数值仿真，可以清楚地看到流体流经均速管时的流场和压力分布，与物理实验相比，CFD数值仿真节省大量的时间成本与物料成本，是研究开发均速管流量计的一种高效经济的方法。
最早用CFD数值仿真的方法研究均速管流量计的人，是来至印度理工学院的Seshadri等人，他们通过CFD数值仿真研究了3种不同截面形状均速管的压力场与流场，以及不同截面形状对流量系数和永久压损的影响，并研究了阻塞比对流量系数的影响。来至波兰的Dobrowolski和Kabacin ski用CFD软件对子弹头形均速管进行三维的数值仿真，结合仿真研究了流量系数的数学模型，其仿真过程极尽详细，为后人对均速管进行数值仿真研究提供重要参考。Daniel Wecel等为了找到最佳的数值仿真方法，对圆柱进行了数值仿真，通过与试验数据对比，找到了较好的网格的划分方法、湍流模型，然后对八种不同截面形状的均速管流量计进行仿真研究。M．Kabacin ski和J．Pospolita找到了15种截面形状的均速管仿真结果中的最优形状，并通过实验验证其测试性能。Kabacin ski等对子弹头形均速管进行了仿真，发现流体流过均速管时的涡脱落引起均速管的震动会对均速管流量计的测试性能产生影响。Vinod通过数值仿真研究了均速管流量计流量系数的校准，通过与实验方法比较，发现两者得到均速管流量系数相差在4%以内。
国内对均速管流量计数值仿真研究最早的是中国计量学院，张东飞等对子弹头形均速管进行三维的数值仿真，研究了均速管流量计内部流动速度和压力分布情况，取压孔堵塞对均速管流量系数的影响，并发现流量系数随着雷诺数的增大有增加的趋势。谢代梁等提出了CFD数值仿真可以均速管的校验提供新的途径。史晓妍等通过仿真分析弯管后三种安装形式对均速管输出压差的影响，流量计采用垂直于弯管平面的安装方式最佳。张迎春等通过数值模拟分析了均速管前不同长度的前直管段对流量系数的影响，并提出了修正方法和修正公式。齐利晓研究了将均速管流量计三维仿真模型简化成二维仿真模型的方法。浙江大学朱莹通过仿真，设计了一款新型的双体均速管流量计，其输出压差较高，流量系数较低。
4 总结
均速管流量计从诞生到现在已经有近五十年的发展历史，期间为了改进其性能，截面形状不断变化，人们对于它的研究手段也从传统的物理实验手段逐渐变化成数值仿真与物理实验相结合的方法。本文认为均速管研究改进的侧重点，应该从原来的高输出压差、低流量系数转变成稳定的流量系数和均速管流量计的标准化上。一方面原因在于不管如何改进，在相同的阻塞比的前提下，均速管的输出压差提升有限，这是由均速管的原理和结构决定的；另一方面，随着制造工业技术的不断发展，高精度的微压计价格也并不是那么难以接受。对均速管流量计而言，流量系数高度稳定特别是在低雷诺数条件下流量系数能保持稳定，远远比增加有限的输出压差重要。均速管流量计应该努力实现其标准化，在不同的安装条件下，不需要标定就能达到较高的精度，只有这样才能使其在更多的行业领域中得到应用。
