基于CFD的气体流量标准装置流动换热特性研究
1.研究背景意义
计量在工业生产中有着举足轻重的地位，是工业生产中的监控者，对产品质量的保证、生产效率的提高、科学技术的发展都有着重要的作用。计量是指通过一定的技术和法律制度手段，促使对仪器的测量保持统一单位和保证准确度。因此计量必须保证自身建立在法制基础之上，具有准确性、单位一致性和可溯源的特点。流量计量是热工计量学的一个分支，是计量科学的一个重要组成部分。随着国家经济、社会生产快速发展，从航空航天技术、材料科学，到国家进出口石油和天然气贸易结算，再到居民家里用于计量收费的天然气表、水表和热量表等，无不与流量计量有关，流量计量的应用遍布于民生计量、能源计量、环保计量、贸易计量等各个领域。正确的流量计检定工作，一方面和人民的切身利益息息相关，另一方面，能够起到节约能源的目的，并使经济效益有一定程度的提高。
由于气体分子排列松散，分子间距受温度和压力双重因素的影响发生很大变化，其可压缩性对气体流量的计量造成了很大困难[1]。此外，质量流量与流体的热传导系数、密度、黏性等物性参数有关，当流体温度变化时，流体物性参数会发生变化，由此会对质量流量的测量产生误差[2]。当气体流量的测量条件和环境不尽相同时，由于所测气体的流动特征往往非常复杂，实际测量中受工况影响非常大，从而出现了应用在不同场合下的各种不同工作原理的测量仪表。为了科学使用气体，节约能源，需要气体流量计对气体流量进行准确的计量，而任何流量计量仪表的使用均需要经过流量标准装置的检定与校准，以确保其流量计量的准确性。
流量标准装置是指能够提供准确流量值的测量设备，是为了保证气体流量计的准确度而建立的检定气体流量计的设备。建设流量标准装置是进行计量检定的基础工作。
流量标准装置分为原级标准装置和次级标准装置。原级标准装置也称一次标准，是流量计量的最高标准，是依据流量的基本定义予以实现的装置，即通过标准量器或衡器作为体积V或质量m度量的设备，从而得到体积流量或质量流量。原级标准装置的量值由基本量，如质量、长度、时间、温度以及压力溯源得到的，因而其计量性能是流量装置中最高的[3]。次级标准装置作为原级标准装置和现场工作流量计之间的中间环节，是为了避免原级标准装置的频繁使用，从而保证原级标准装置的高准确度。次级标准主要是指标准表法，标准表有临界流文丘里喷嘴、容积式、涡轮式和差压式，其中临界流文丘里喷嘴法在实践中得到了广泛应用。在实际使用过程中，使用传递标准要比原级标准装置简单、方便。目前国内常用的气体流量原级标准装置有钟罩式气体流量标准装置、mt法气体流量标准装置和pVTt法气体流量标准装置[4]。
钟罩是将上下可动的钟罩与固定的液槽构成了一个可变容积的密封腔体。在下降过程中，钟罩通过其机械式压力补偿机构，最大流量由钟罩的体积和测试技术所决定，按气流的方向，钟罩流量装置可分为进气式和排气式，目前中国最大的气体钟罩容积为压力为其最大检定流量可达装置的扩展不确定度为装置使用简单方便可靠，适合对压力耍求不高的气体流量计进行检定。
mt法是通过测量某一时间间隔内t储气体罐内气体质量的变化m来对气体质量流量进行复现的一种标准装置，mt法也被称作称量法，一般采用正压进气，用称重设备直接计量一段时间内容器中的气体质量m发生的改变。它是直接计量气体质量流量的装置。通常情况下，mt法气体装置的压力比pVTt法气体装置的压力高。
PVTt法气体流量标准装置的工作原理为:在时间间隔t内,气体进入或者排出容积为V的标准容器，根据进气或者排气前后标准容器内气体的绝对压力p、热力学温度T以及气体状态方程，计算出吸气和排气的流量。这种装置具有高精度、良好的可重复性、设备简单、维护方便等优点，已被中国、美国、英国、日本等国家作为主要的气体流量标准装置。此装置主要用于喷嘴临界流量的测定[5]。
随着工业对流量计量要求的提高和流量计的发展，市场对流量标准装置的要求也不断提高[6]。尤其是随着近年来全球性的能源资源匮乏，以及新工艺和新技术等制约气体计量发展的关键领域的突破，尤其是微电子技术的迅速发展，使气体计量由机械式向智能化、模块化方向发展，其应用范围得到了极大的扩展；另一方面，随着环境监测、航空航天等应用领域对气体计量准确度要求的不断提高，对气体计量可靠校准和溯源的研究越来越受到重视[7]。提高气体流量标准装置的检定效率、降低检定过程中的不确定度是计量学领域学者们不断努 力的方向，这不但可以保障人民的切身利益，还可以达到节约能源的目的。
2.研究内容
本次研究主要开展如下工作：
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