為煙臺 的國家級蒸汽標(biāo)準(zhǔn)裝置按l〇T/h，DN150,取密度為3 kg / m3核算，最大流速約52m/s ;而蒸 汽常見的最大流速60~80m/s ;所以即便是DN150以下的蒸汽流量計也無法滿足上限標(biāo)定 要求。同理，開封國家級水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置按16000m3/h，DN1000核算，最大流速不過2. 2m/ s ;還有東北國家計量檢定中心授權(quán)委托的水標(biāo)定裝置最大流速不過I. 2m/s ;而水的常用 流速低壓下1. 5~3m/s，高壓下2~4m/s，所以仍不滿足上限標(biāo)定需要。在不能保證上限 標(biāo)定的情況下，其標(biāo)定的儀表系數(shù)和精度等級便不能代表實際的精度。更嚴(yán)重的是因為口 徑大于DN300的流量裝置很少，而口徑大于DN300的流量計經(jīng)常出現(xiàn)，特別插入式流量計常 有DN300~幾米等多種規(guī)格，所以口徑大于DN1000和插入式流量計基本無法標(biāo)定，無奈常 使流量計在不標(biāo)定情況下投入使用，后果可想而知。
[0019] 不能按密度標(biāo)定，是指現(xiàn)在的標(biāo)定沒有密度變化功能，即使介質(zhì)能夠用水、氣代替 標(biāo)定，也不能檢查密度對流量計的影響。因為一方面密度和雷諾數(shù)、差壓與質(zhì)量流量都有 關(guān)，從而影響流量計的儀表系數(shù)和下限測量能力與質(zhì)量流量。另一方面密度對液體是溫度 的函數(shù)，對氣體是溫度、壓力和壓縮因子的函數(shù)；所以無論是液體還是氣體，常溫常壓與高 溫高壓下的密度都相差很遠，尤其是氣體密度隨壓力變化非常敏感必須進行密度補償。而 現(xiàn)在的標(biāo)定，由于不能提供實際的溫度和壓力只能用常溫水或常溫、常壓空氣代替高溫高 壓介質(zhì)進行標(biāo)定，并且不對流量計的密度測算方法進行核準(zhǔn)，所以不能準(zhǔn)確確定儀表系數(shù) 和下限測量與密度補償能力。
[0020] 不能按管道條件標(biāo)定，是指現(xiàn)在的標(biāo)定都是在符合圓度要求并且無分支的圓形管 道下進行標(biāo)定，不能對方形、矩形和不規(guī)則管道進行標(biāo)定，不能反映管道圓度、粗糙度和匯 管與分支管路安裝產(chǎn)生的誤差。因為管道圓度和粗糙度是影響儀表系數(shù)的一個因素，匯管 與分支管路和方形、矩形及不規(guī)則管道與無分支圓管的流場顯然不同，對這些場合顯然不 能用無分支圓管進行標(biāo)定。
[0021] 不能按安裝狀況標(biāo)定，是指現(xiàn)在的標(biāo)定都是在流量計和管道口徑完全一致并且直 管段滿足要求的情況下進行標(biāo)定。實際上，因為流量計口徑由機械加工保證而管道口徑僅 僅是標(biāo)稱值，所以兩者很難保證一致，還因為受現(xiàn)場空間限制或管路鋪設(shè)時沒考慮流量計 安裝使很多流量計的直管段都不滿足要求。所以現(xiàn)在的標(biāo)定方式在安裝方面也與實際情況 存在偏離。
[0022] 沒有診斷功能，是指現(xiàn)在的標(biāo)定沒有對現(xiàn)場問題進行判斷與仲裁能力。因為現(xiàn)在 的標(biāo)定如上面所說的在介質(zhì)、密度、流量上限、管道與安裝條件等方面都存在與流量計實際 使用情況不一致問題，也就是不能進行工況標(biāo)定。所以不能通過實驗準(zhǔn)確診斷產(chǎn)生問題的 原因。
[0023] 4、CFD 方法 CFD是計算流體力學(xué)的英文縮寫（Computational Fluid Dynamics)，是近代流體力學(xué)、 數(shù)值計算和計算機科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它以電子計算機為手段，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法， 對流體力學(xué)的各類問題進行數(shù)值計算、計算機模擬和分析研究，以解決各類科學(xué)研究和工 程設(shè)計問題，是目前國際上最為強勁的研究領(lǐng)域之一。
[0024] 計算流體力學(xué)和相關(guān)的計算傳熱學(xué)、計算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性 聯(lián)立的質(zhì)量、能量、動量、組分和自定義的標(biāo)量微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報流動、傳熱、傳 質(zhì)、燃燒等過程細節(jié)并低成本模擬較復(fù)雜或較理想的過程。因為這些過程無論分析還是實 驗方法都有很多限制，無法作分析解并且費用昂貴無力實驗，所以CFD在很大程度可以替 代耗資巨大的流體力學(xué)實驗設(shè)備，從而成為過程裝置優(yōu)化設(shè)計和定量放大的有力工具。
[0025] 近20年來，隨著計算機硬件技術(shù)的不斷進展，CFD技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，成熟 的CFD商業(yè)軟件已應(yīng)運而生。目前已有英國CHAM公司開發(fā)的Phoenics軟件與英國倫敦大 學(xué)spalding教授等開發(fā)的STAR-⑶專用軟件和美國ANSYS公司開發(fā)的通用ANSYS CFX與 ANSYS FLUENT 等軟件， 這些商業(yè)軟件主要有前處理器（preperocessor)、求解器（solver)和后處理器 (postprocessor)三部分。前處理器是向CFD輸入所求問題的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括劃分網(wǎng)格、選 擇控制方程、輸入邊界條件和初始條件等。求解器是數(shù)值求解算法，算法的基本方案是求解 代數(shù)方程組，各種求解方案的差別是流動變量被近似的方式及相應(yīng)的離散化過程。后處理 器是有效地觀察和分析計算結(jié)果，主要有，計算域的幾何模型及網(wǎng)格顯示，矢量圖、等值線 圖、填充型的等值線圖（云圖)，粒子軌跡圖、圖像處理功能(平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等)。
[0026] 在這些商業(yè)軟件中有代表性的是ANSYS FLUENT。FLUENT軟件是一套通用的CFD 軟件包，是ANSYS CFD的一款旗艦型產(chǎn)品，主要包含：通用的CFD軟件包FLUENT、P0LYFL0W、 FIDAP，工程設(shè)計軟件包 FloWizard、FLUENT for CATIAV5,前處理軟件 Gambit、TGricUG/ Turbo,面向特定專業(yè)使用的ICEPAK、AIRPAK、MIXS頂軟件等。
[0027] FLUENT軟件有基于壓力的分離求解器，基于壓力的耦合求解器，基于密度的隱式 或顯示求解器，可以用來模擬從不可壓縮到超音速范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場。還包含非常豐 富的、經(jīng)過工程確認(rèn)的物理模型，除了可以模擬速度復(fù)雜流場外，還可以模擬傳熱與相變、 多相流、旋轉(zhuǎn)機械、噪音、材料加工等復(fù)雜機理的流動問題，因此完全可以模擬流量測量中 各種流動問題。
[0028] P0LYFL0W是基于有限元法的CFD軟件專用于粘彈性材料的層流流動。
[0029] FloWizard是高度自動化的流動模擬工具，它可以引導(dǎo)從頭至尾的完成模擬過程， 在早期迅速準(zhǔn)確的完成模擬結(jié)果的判斷。
[0030] FLUENT for CATIAV5是專門為CATIA (三維機械制圖)用戶定制的CFD，將FLUENT 完全集成在CATIAV5內(nèi)，使用戶就像使用CATIA其它分析環(huán)境一樣使用FLUENT軟件。
[0031] Gambit是專業(yè)的CFD前處理軟件，包括強大的幾何建模和網(wǎng)格生成能力。
[0032] G/Turbo是專業(yè)的葉輪機械網(wǎng)格生成軟件。
[0033] AIRPAK是面向HVAC工程師的CFD軟件，依照IS07730標(biāo)準(zhǔn)提供舒適度、PMV、PPD 等衡量室內(nèi)外空氣質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。
[0034] MIXS頂是專業(yè)的攪拌槽CFD軟件。
[0035] 主要用于幾何建模和劃分網(wǎng)格。它可以直接生成復(fù)雜的幾何模型，還具有CAD/CAE 接口，方便地進行幾何建模。
[0036] FLUENT功能集成在ANSYS Wokbench環(huán)境中，通過人機對話進行操作。主要操作 有：讀入網(wǎng)格、檢查網(wǎng)格、選擇物理模型、設(shè)置材料屬性、設(shè)置計算域條件、設(shè)置邊界條件、設(shè) 置動網(wǎng)格、設(shè)置參考值、設(shè)置算法及離散格式、設(shè)置求解參數(shù)、設(shè)置監(jiān)視窗口、初始化流場、 保存結(jié)果等。
[0037] 除了商業(yè)軟件外還有OPenFom免費軟件。OPenFom是一個跟FLUENT類似的CFD軟 件，但它是開放的，可以看做是一個在Linux下運行的CFD庫，任何人都可以自由下載和轉(zhuǎn) 播它的源代碼。
[0038] OPenFom面向CFD應(yīng)用由C++編寫，采用人們習(xí)慣的有限體積離散化方法描述偏微 分方程，支持多面體網(wǎng)絡(luò)，因而可以處理復(fù)雜的幾何外形，其自帶的SnappyHexMesh可以快 速高效的劃分六面體+多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量高。支持大型進行計算，目前針對OPenFom庫 的GPU運算優(yōu)化也正在運行中。OPenFom包含大量的求解器，也可以自行開發(fā)求解器。其中 自帶有icoFoam、simpIeFonuinterFoam標(biāo)準(zhǔn)求解器。icoFoam可用于求解層流下的單項牛 頓流體的流動，simpleFom可用于求解單項牛頓以及非牛頓端流流動，interFoam可用于牛 頓和非牛頓流體的VOF模型求解。因為目前的差壓式流量計絕大部分只測量單相牛頓型流 體湍流流動，所以這些自帶求解器足可滿足數(shù)字化標(biāo)定的需要。
[0039] 正是CFD這種成熟性為本發(fā)明奠定了基礎(chǔ)，因為差壓式流量計的標(biāo)定主要關(guān)注流 量與差壓的關(guān)系，通過CFD可以很方便地獲得在各種條件下差壓與流量的關(guān)系，也就方便 地實現(xiàn)了數(shù)字化標(biāo)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0040] 本發(fā)明提供了一種差壓式流量計的數(shù)字化標(biāo)定，用CFD方法求解差壓式流量計在 實際工況下的流場，進而計算差壓、儀表系數(shù)、差壓靈敏度和儀表系數(shù)不確定度，包括以下 內(nèi)容： 1)求解基本流場 基本流場就是一組給定條件下的壓力場和速度場，結(jié)合差壓式流量計標(biāo)定的特點按 CFD原則，采用下述方法： a) 建立幾何模型 就是利用CFD的S0LIDW0RKS模塊，將差壓式流量計按安裝要求裝配到一定長度的管段 內(nèi)，形成流體流動的幾何空間，以確定計算域分析流體的流動參數(shù)；其管段形狀和長度根據(jù) 現(xiàn)場實際情況或要求確定，使幾何模型與實際幾何條件幾何相似； b) 建立控制方程 就是選擇描述流體運動規(guī)律的方程，以便在一定的邊界條件和初始條件下求解未知參 數(shù)；鑒于一般的流量測量只針對湍流流動并因為流量計很短可認(rèn)為是絕熱過程，所以本發(fā) 明沒考慮能量守恒，選擇了標(biāo)準(zhǔn)K- ε方程，通過對該方程的離散求解便可得到計算域內(nèi)的 壓力場和速度場； c) 確定初始條件和邊界條件 在CFD操作畫面下，輸入初始條件和邊界條件； 初始條件是所研究的對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況，就是在某標(biāo) 定點開始時刻流量計上游的壓力和X、y、Z方向的流速與湍動能和湍動能耗散率及初始溫 度； 邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨地點和時間的變化規(guī)律，邊 界條件有流體材料、進出口壓力、速度、質(zhì)量、壁面粗糙度和湍流參數(shù)，其中速度和質(zhì)量選擇 其一給定； 因為計算域是幾何模型包含的區(qū)域，其邊界則是這一管段的進、出口和管壁，所以邊界 條件包含介質(zhì)類型、進出口壓力、速度、質(zhì)量、壁面粗糙度和湍流參數(shù)；其中，湍流參數(shù)包括 湍流強度、湍流尺度、湍流粘性比，對可壓縮流體因為密度未知，把密度做為求解量由求解 器求解； d) 劃分計算網(wǎng)格 因為數(shù)值求解控制方程必須將控制方程在空間區(qū)域進行離散，形成若干個體積元，這 個體積元便是網(wǎng)格；網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是行線和列線都規(guī)范的 空間單元，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是沒有明顯的行線和列線的空間單元；因為差壓式流量計具有鮮明 的幾何圖形，所以其網(wǎng)格都屬于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對二維問題有三角形、四邊形形 式，對三維問題，有四面體、六面體、三菱體形式，整個計算域的全部網(wǎng)格通過節(jié)點聯(lián)系在一 起；本發(fā)明均采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過CFD的前處理軟件Gambit或ANSYS ICEM實現(xiàn)； e) 建立離散方程 就是把求解域的偏微分方程分解為有限位置的代數(shù)方程組，然后通過求解代數(shù)方程組 求解節(jié)點值，計算域內(nèi)其它位置上的值則根據(jù)節(jié)