翼型流量计工作原理及其应用

翼型流量计工作原理及其应用

余晓冬  李中原  王文丹

    翼型流量计简称AF流量计，是为适应大口径管道中水、油、气(汽)等流体介质甚至多相流介质测量场合的需要而发展起来的一种高可靠性、紧凑轻便、可实现在线安装的新型流量仪表。
   

一、AF流量计的工作原理

    20世纪初，由流体力学边界层理论以及浸没物体扰流受力分析导出的机翼理论，奠定了人类自由翱翔天空梦想实现的基础。一百多年来，人类航空/航天及航海(如水翼船)的发展，无一不是机翼理论的实际应用。AF流量计正是建立于机翼理论这一成熟流体力学基本理论之上、结合现代高新材料和先进传感技术开发出的一种高适应性、高可靠性的新型流量仪表。其工作原理简述如下(见图1)。
    在平均流速为V的稳定流场中，以仰角为α放置一翼型物体。因翼型剖面形状和仰角的作用，机翼上面边界层内的流速将高于机翼下面边界层内的流速，从而在机翼周围形成一个速度环量Γ。由流体动力学伯努利方程，此速度差将导致机翼上下的压力差:流速高的上方压力低，而流速低的下方压力高，因此机翼受到一个向上的举力F。由伯努利方程及浸没物体扰流受力分析可以导出力平衡方程式:
    F=Cρ(V2/2)A (1)
    式中:F——机翼在流场中受到的举力；C——举力系数， 仅与机翼形状和仰角有关；ρ——流体密度；V——流场平均速度；A——机翼的投影面积，A=B·C，其中:B为翼展，C为翼弦长。
    进而:
    V=(2F/CρA)1/2 (2)
    式(2)中，C(举力系数)仅与机翼形状和仰角有关。当机翼形状和放置位置都确定后，C即为常数。
    因此，只要测出机翼上所受举力F，就可以根据式(2)求出流速V。
    AF流量计就是依据机翼理论，采用一个(或一对)翼型薄板作为流速信号发生器，放置于待测流体管道中。当管道中流体流动时，翼型信号发生器即受到举力作用，此举力大小与管道中流速直接相关。此举力值由与信号发生器相连的测力传感器检测出后，传输至流量积算仪进行记录、运算，并将计算出的流量值显示或打印。
    由AF流量计的工作原理可知，AF流量计测速传感信号是力值信号。在任何介质的流场中，放置的机翼都会产生举力。如前所述，当机翼的几何尺寸和位置确定、介质的密度已知时，该举力的大小仅与流场中介质的流速有关。因此，AF流量计几乎适用于所有已知的流体介质测量，如水、油、各种气体及蒸汽、各种化工流体原材料、颗粒流甚至两相和多相流等。此外，AF流量计中作为流速信号发生器的翼型薄板结构简单且无需任何可动件。结合现代发展成熟的测力传感技术，AF流量计可以在复杂的环境条件下(高温、高压、污浊、振动或电磁干扰)稳定、准确、可靠地工作。
   

<CTSM>    图1  机翼升力原理</CTSM>
   

二、AF流量计的应用

    在实际应用中，AF流量计一般由翼型信号发生器、测力传感器(变送器)和流量显示积算仪3部分组成。
    AF流量计的信号发生器为一个(或一对)翼型薄板，放置于待测流体中。当待测流体速度分布接近均匀分布时，采用单个翼型信号发生器即可；若判断待测流体速度分布会畸变，则可在流速畸变处放置多个翼型信号发生器，信号采集后通过流量积算仪汇总经数学处理获得更为准确的测量结果。此外，AF流量计也可以方便地应用于明渠流量测量中。
    经典的机翼理论是在机翼无限长假设即两维流动状态下导出的。对于实际应用在三维流动状态下的有限长机翼，还要考虑机翼边缘扰流的影响。机翼边缘的扰流环量对机翼的实际举力值产生影响，因此在AF流量计结构设计上应考虑这一因素。而最直接的解决办法就是在翼型薄板边缘加装扰流板，这也是在飞机机翼设计中经常用到的方法。
    为实现大口径管道现场不断流拆装作业，AF流量计翼型信号发生器通常为折叠形式并将流量计设计成插入式。在大口径流量测量中，必须解决现场不断流拆装的难题。这也是许多种类流量计无法在大口径流量测量中应用的主要原因。而AF流量计轻巧的结构，使满足这一苛刻要求成为可能。
    依照AF流量计工作原理及当代测力传感器技术发展水平，AF流量计测量范围(量程比)可达1∶500以上。如需进一步提高低流速下的测量灵敏度，在流量计结构设计上可采用双层翼型(如早期飞机大量采用的双翼机型)。这样的设计可使AF流量计的测量下限大幅降低，从而显著扩大量程比。
    作者单位【深圳市计量质量检测研究院】