pVTt法标准装置容器气体稳定机理与实验研究

摘要

pVTt 法气体流量标准装置作为原级气体流量计量标准装置，是目前最高级的气体流量检定装置。论文针对34m3水夹套式pVTt法气体流量标准装置目前存在的标准容器内气体稳定时间逐渐变长的问题，建立标准容器内部气体稳定状态的多场耦合模型，并通过仿真分析找出导致该问题的影响因素，力求缩短标准装置容器内气体稳定时间，提高检定效率，同时为pVTt法气体流量标准装置的改进提供新的模型与方法。主要研究内容及取得的成果如下： 1、对水夹套式pVTt法气体流量标准装置的技术指标、工作过程以及温度、压力、时间的测量方法进行了研究，并且对标准装置的基本质量流量进行了修正，为分析影响标准容器内气体稳定时间的主要因素和分析装置不确定度打下基础。 2、对水夹套式pVTt法标准装置标准容器运行过程中涉及到的多物理场耦合问题进行了系统的分析。建立了水夹套式pVTt法标准容器多场耦合的数学模型，给出了标准容器内进气过程的气体质量流量方程，对进气过程的气体流动的雷诺数进行了计算，判断进气过程的气体处于湍流状态下，并给出了湍流数学模型；分析建立了标准容器内各种情况所涉及到的不同类型的传热模型；对热流固耦合进行了综合分析并给出了耦合控制方程及补充模型。 3、对水夹套式pVTt法标准容器内气体稳定过程进行了模拟仿真分析，与实际装置运行结果进行了对比验证，仿真结果和实际气体稳 定状态较为一致，表明仿真模型可以较为准确地体现实际气体稳定状态；对水夹套式恒温模式和无水夹套自然恒温模式进行了模拟仿真对比分析，分析发现在水夹套式恒温状态下，一小时内容器内气体基本进入稳定状态，最大温度差小于 0.2K，无水夹套自然恒温状态下的标准容器在1.5h时进入稳定状态，最大温度差小于0.25K，时间远长于水夹套式恒温模式。仿真结果表明水夹套式恒温模式具有缩短标准容器内气体稳定时间、提高检定效率和有效消除温度梯度等优点，在大型pVTt法标准装置中具有一定的优越性。 4、对外部环境各影响因素对标准容器内气体稳定时间产生的影响进行仿真分析，结果发现：固体容器的存在会削弱标准容器内的气体和水夹套中的水之间的换热效果，但削弱不明显，其对气体稳定造成的影响可忽略；水夹套中的水的温度与外部环境温度存在温度差时，会影响标准容器内气体的稳定状态，延长气体稳定时间，其中外部环境温度高于水温时，影响更为显著。通过在 34m3水夹套式标准容器上进行实验，实验最终数据基本证实仿真分析所得结论。在排除各影响因素对标准容器的影响后，对标准容器的不确定度进行计算得到扩展不确定度为0.046%（k=2），满足水夹套式pVTt法气体流量标准装置的指标要求。

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