前言
插入式流量计是以插入形式安装的流量仪表，通过测量管道中一点(或几点)的流速来推算整个管道的流量，它以结构简单、安装维护简便、压损小、价格低廉等优点受到人们的关注。目前发展起来的有：皮托管，一种经典的、较为准确的流速计，但易堵塞，输出压差小，很少用于工业现场；皮托—文丘里管，在相同的流速条件下，可较皮托管获得更大的差压，且不易堵塞，但精度有待提高；涡街、涡轮、电磁等流量仪表，可将其做成精小的测量头，通过测量管道中的某点的流速来推算流量。
本文研究的插入式流量计是结合差压式原理设计的。差压式流量计是一种历史悠久、使用广泛的流量测量装置，发展成熟的孔板流量计，存在压损过大、结构庞大等缺点。本文结合差压式原理和插入式的安装方式开发一种新型的流量计，采用CFD数值分析与实验研究相结合的方法，试图开发出具有更低的绕流压力损失，更高的测量精度，较小的来流流场影响(较高的速度测量精度)的流量计。试验结果表明，该流量计有较大的工程应用价值。
1 原理
插入式流量计是以插入形式安装的流量仪表来命名，典型的点流速计型插入式流量计由测量头、插入杆、插入机构、转换器和仪表壳体(测量管道)所组成。目前已被推广的插入式流量计可以分为点流速计型和径流速计型，本文研究的点流速型插入式流量计是基于只测管道中一点的流速的原理，根据
推算出流量。
图1 充分发展管道流速分布图
我们所测的流速是νmav，通过来推算出平均流速。当测量头插于管道中的某一特定位置(一般为管道轴线附近或管道平均流速处)，充满管道的流体流经管道内的绕流体时，流速将形成局部收缩，在节流件前后便产生了压差。流体流速愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流速的大小。
本文选用了四个模型作为研究对象，该四个模型的结构有利于形成比较大的压差。
图2 四个模型轴向二维图
假设：不可压、定常、充分发展、水平管道一维流动，输出差压(Δp)和流体平均速度可根据经典的伯努利方程得出
（1）
式中：Δp———全压与静压之差，Pa；
ρ———流体密度，kg/m3；
Cr———校正系数。
如果用流量来表示，其流量计算基本公式为
式中：qv———流体的体积流量，m3/s；
qm———流体的质量流量，kg/s；
A———工作状态下管道内截面面积，m2。
2 数值模拟
数值模拟设定管径DN80；板前4D，板后10D的流场区域作为计算域；流速分别设定为0.2m/s，0.5m/s，1m/s，1.5m/s，2m/s，2.5m/s，3m/s，3.5m/s，4m/s；采用工程上常用的湍流三维模型和SIMPLE算法，应用结构化与非结构化网格相结合的网格局部加密技术。网格数在100万左右，以残差小于0.0005为收敛标准。取压点如图2中p1，p2所标位置，模拟效果如下：
图3 四个模型数值模拟效果图
根据图3可以看出，模型二、三在各流速下有较好的线性效果。截取模型三速度在1m/s时压力分布与速度分布云图，见图4。
图4 模型三压力速度分布云图
3 实验研究
鉴于模型二，三在数值模拟时有较好的线性效果，我们对其进行实体加工，并搭建高精度的试验台，结构示意图见图5。
图5 实验装置示意图
水箱容积：10m3，水泵功率：7.5kW，流线型孔板与管道采用螺纹连接。通过旁路开关和上、下游球阀的适当调节，测量段流速可以从0～7m/s进行连续调节。采用超声波流量计测量实际流量(速度)，压差由SIEMENS高精度压力传感器进行测量，流量和压力的测量精度均为1%。
试验结果见表1及图6。
图6 模型二、三试验效果图
实验研究结果可以看出，该两个模型图像达到比较好的线性效果，与数值模拟在定性上比较吻合。
4 结语
（1）本文研究结果表明，小流速下，流速和能保持良好的线性关系，这有利于扩大量程比。
（2）通过数值模拟与试验研究的方法去开发流量计是可行的，所设计的流量计压损小，可测量小流速的流量，可直接应用于工程实际。
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