介绍了分支管测流法的实验装置及工作原理，其中，流量计选择热分布式质量流量计。在不破坏主管道流场的情况下，通过 Fluent6.3 对管道内的流场进行仿真分析，进一步得出分支管与主管道之间的流量关系。通过对分支管的结构进行改造优化，得出易于热分布式质量流量计测量分支管流量的分支管结构。

一、引言

流量计量是计量科学的重要组成部分，流量测量在流体力学、工程热力学、动力机械、空气动力学、水利学等各相关领域应用广泛，也广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究以及人民生活各个领域之中 。目前有许多种流量计和测流方法可以测量流量 , 例如如孔板流量计、喷嘴流量计、涡轮式流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等流量计和例如食盐浓度法、差压测流法等许多测流方法。做好流量计的研究和开发工作，对于保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的意义。

上述流量计和测流方法或是安装在管道上会引起较大的水头损失，或是造价昂贵和测量起来比较复杂，而分支管测流法是在前人研究的基础上为解决上述问题而研制出的一种测量管道流量的既可靠方便又经济的方法。测量同一管径管道中的流量，分支管测量装置的造价只有超声波流量计或电磁流量计的百分之几到十分之几，而测量精度可以达到不同的使用要求。这种分支管测流法不但拓宽了分支管上小流量计的量程，而且制作成本较低，制作简单，因此，分支管测流法具有一定的实用性。

二、分支管测流法

1、分支管测流法实验装置

以图 1 为例介绍分支管测流装置的组成，它主要由分支管道、分支管上的流量计以及连接分支管道与主管道上的密封装置等组成。分支管测流装置要求安装在管内水流较稳定且没有漩涡的直管段上。装置进口侧前主管道直管长度要求≥ (5~10)D、出口侧要求≥ 2D。

2、分支管测流法的工作原理

分支管测流法的工作原理是：并联管段的水头损失相等 ( 类似于电学中并联电路的电压降相等 )。依此即可推导出主管总流量 Q 与分支管流量 q2 之间的关系式。

对于图 l 中的 A，B 过流断面，根据并联管道压力损失相等原理，可以得出以下关系式：

由流体力学有关理论和试验证明，在主管道形式、材料都确定的情况下，当分支管的各部分尺寸、形状、仪表型号、组成管件及分支管伸入主管道的长度都确定时，分支管伸入主管道引起的阻力系数、主管道阻力系数和分支管道阻力系数均为近似不变的常数。因此，主管道试验段的流量与分支管道内的流量之间的比例系数也是近似不变的，二者之间具有一定的线性关系，则式（3）可以简化为：

q1=cq2                              （6）

其中，c —常数，比例系数。则流过主管道的总流量可以表示为：

Q=(c+1)q2                          （7）

因此，确定比例系数 (c+1)，可以得出分支管与主管道总的流量的关系。

三、分支管上的流量计

热分布式质量流量计由于其原理、结构、安装、使用简单，而且它的耗能小、造价便宜，在此我们采用热分布式质量流量计。

1、热分布式质量流量计的原理

热式质量流量计是利用传热原理，即流动中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表。

热分布式质量流量计的工作原理如图 2 所示，测量管外壁中间绕着一组镍镉加热丝，给管道进行加热测量管外壁对程两端绕着两组长度，阻值大小都相等的铜丝作为检测元件，组成惠斯登电桥。由恒流电源供给镍镉加热斯恒定热量，通过镍镉加热斯线圈、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。边界层内热的传递可以看作是通过热传导方式实现的。

在流量为零时，测量管上的温度分布如图 3 中虚线所示，相对于测量管中心的上下游是对称的，

由铜丝线圈和电阻组成的电桥处于平衡状态；当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如实线所示，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈平均温度差 T，便可按下式导出质量流量 qm，即：

其中，K—仪表常数；

A—测量管绕组（即加热系统）与周围环境热交换系统之间的热传导系数；

Cp—被测气体的定压比热容。

四、分支管模型设计

一般情况为了增大通过分支管的流量以提高试验精度，试验中在主管道试验段内会增加一个产生一定局部阻力的阻力环， 或者为了达到不同的量程，在流量计总体结构确定以后，会在主管道内安装节流装置。但是本文研究的内容不希望破坏主管道内的流场，所以不采用增加阻力环或者安装节流装置。

模型一（图 4）的主管道长 200mm，内径为Φ48mm，分支管内径为 Φ4mm，接在主管道中间，距两端分别为 50mm，分支管距主管道 20mm，拐角处为直角。

模型二（图 5）与模型一的区别在于分支管的结构，模型二的分支管是由半径为 64.08mm 和 60.08mm 圆相减而得内径为 Φ4mm 的圆弧。

五、流场模型仿真

Fluent6.3 是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的专用软件，在不破坏主管道流场的情况下，本文利用 Fluent6.3 软件对所设计的管道模型进行仿真，保证所选用管道环境符合质量流量计所要求的流场环境，来研究不同结构的分支管与主管道流量之间的关系。

根据研究经验，我们对管道参数进行了如下设计：

边界条件设定入口流体速度分别为 1m/s，3m/s 和 6m/s，流体介质为水，速度残差收敛标准设定为 0.001，迭代次数为 100，操作环境设为默认值，根据经验，对于管道的粘型模型采用标准 k-ε 模型，标准 k-ε 模型稳定、简单、经济，在较大的下程范围内应用有足够的精度。湍流参数选取湍流强度和水力直径。

图 6 中的 6 幅图是通过 Fluent6.3 软件，对所设计的管道进行仿真后的速度矢量图。不同的颜色代表流量的不同速度。红色为最大速度，蓝色为最小速度。进口速度为最大速度，在流体经过接分支管部分的时候，分支管内会分走一部分流量。从图中可以看出，图 6(a)（对应图 4）设计的分支管在不安装阻力环或者节流层的情况下，分支管内只分走非常小的一部份流量，对于实验测量没有实际意义，而图 6(b)（对应图 5）设计的分支管在相同情况下却分走相当一部份流量，这样鲜明的对比说明在不加阻力环或者不安装节流装置的情况下，图 4

设计的分支管不具备实际测量意义，而图 5 设计的分支管在一定的流速范围内可以对流体流量进行测量。

六、数据对比

对上面仿真结果的数据进行提取，对比两种结构分支管与主管道流量的关系，经过计算可得表 1 数据。

由实验数据可知，图 4 设计的分支管支管流量太小，不易测量；

而图 5 设计的分支管，支管流量明显增大，便于测量，因此这种分支管具有实用价值。

七、结论

传统的分流量质量流量计都是通过增加阻力环或者层流组件来改变主管道的流场，从而进行测量。而本文在不破坏主管道流场的情况下，通过 Fluent6.3 软件对管道内的流体进行仿真，查看流体在流场内的状态，计算分支管与主管道之间流量的关系，从而得出不同结构的分支管与主管道之间流量的关系，为分流量质量流量计的应用开辟了一种新的途径。