流量标准装装置喷嘴研究

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1、OptimizationofDiverter^sNozzleintheFlowFacilityQianqianFeng,LijunSun,ShengjieLi,LeiQiSchoolofElectricalEngineering&AutomationofTianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofProcessMeasurementandControlTianjin,300072,Chinaqsfcngqian@126.comAbstract——Thispaperm

2、ainlystudiesthedesignandoptimizationofdiverter'snozzleintheflowfacility.Theprofileoftheflowattheoutletofthenozzlehasgreatinfluencetotheperformanceofthediverter.Incasetooptimizethediverter,weneedtooptimizethestructureofthenozzle.Astothenozzle,anapproxima

3、telysymmetricalvelocityprofileacrossthejetwidthisdesired.Here,weusetheFluentsoftwarecombinewiththeexperimentastoolstoresearchthebeststructureofthenozzle.Keywords7iozzle；fluent;experiment;synunetricalI.引言流量计量是计量科学的重耍组成部分，其测量的楮确度始终是人们关注的巫要问题。流量标准装置作为流量计量的

4、溯源体系，提高其将度是当今流量界研究的重耍课题。称策法液体流量标准装【置的不确肚度主要由衡器、换向器、计时器的不确定度合成而来W,其中换向器不确定度是构成装置不确定度的主要成分z—。换向器不确定度主要来源于喷嘴出口截而上流体的流速分布，以及换向器切入切出时间的对称性。喷嘴结构的优化可以改善喷嘴岀口流体的流速分布，进而提高液体流量标准装置的粘度等级。目前，换向器喷嘴结构是流量装置研究领域的研究热点之一。徳国PTB的水装置⑵、屮国台湾省计量院的水装置为了使整个检定流虽范围内，水流始终充满喷嘴出口截面，且出

5、口流速分布沿喷嘴出口截而中心线对称，采用了喷嘴出口截面宽度可调的结构；并且利用计算流体力学仿真工具对喷嘴及其上游管道的结构进行了分析。这州种可变截面宽度的结构得到了较好的效果，但加工制造较为复杂。美国NIST的水流量装置换向器喷嘴使用了鱼尾形收缩段和90。弯曲渐缩的结构。王建中R采用CFD仿真软件FLUENT対单向旋转换向器的喷嘴结构进行了计算分析。本文利用流体力学⑷的相关知识对流体流经换向器喷嘴时的流速分布进行分析研究，在天津大学流量实验室喷嘴结构的基础上提出了两种改进的喷嘴结构，并利用仿真⑸和实流

6、实验的方法对其性能进行测试。从测试结來可以得出，改进后的喷嘴，其出口流速分布的对称性得到了很人的提咼。II.喷嘴结构设计换向器喷嘴性能的好坏对液体流量装置的整体性能具仃较大的彩响。对于不同结构的换向器喷嘴，其内部的流场分布情况也不相同。在实际应用中，喷嘴出口处流体流速的分布越対称越好。如图1(a)所示，现有的喷嘴，在水平圆管末端变为方形，经过收缩段之后，变成内部再度为5mm的扁平流通管道，经过90°转弯之后，流体垂H向下流，形成喷嘴出口的薄片状水流。从这个角度出发，本文主要提出了两种改进结构形式的喷嘴

7、，并通过仿真与实流实验对它们的性能进行了测试。i♦山■U4*•Aa.现有喷嘴结构b.喷喘改进结构1c.喷嘴改进结构2图1.三种喷嘴结构图1(a)屮的喷嘴结构，是天津大学流量实验室止在使用的喷嘴结构形式。图1(b)和图1(C)分别是本文设计的两种改进结构。实际应用发现，喷嘴出口处的流体速度分布在喷嘴出口的厚度方向上是不対称的，流体明显偏向外侧流动，即圆弧形管道外侧速度较人。而流体流址越大，这种现象越明显，因为长方形截面喷嘴是呈圆弧状的,当流体流过时，由于离心力的作用使得喷嘴外侧流体速度相对于内侧较大，

8、流速分布出现不对称。从减小离心力的角度考虑，本文提出了改进结构1和改进结构2两种喷嘴结构。如图1(b)所示，改进结构1流体先经过圆形90°弯管后竖直向下流动，再进入长方形收缩段，利用渐缩段的渐缩作用，使90°圆形弯管离心力引起的流速内外侧不对称性得到较好的调整，再经过长方形扁平通道的进一步调整后，使得喷嘴出口处的流速分布较为对称。图1(c)所示改进结构2,在改进结构1的基础上，使长方形截面收缩段内外两侧的收缩速度不对称。即外侧收缩速度大于内侧，以增强收缩