平衡流量計(jì)流動(dòng)特性數(shù)值計(jì)算分析
發(fā)布時(shí)間：2022-09-22 01:51:29來(lái)源：www.sxlsw.cn來(lái)源：..
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由于平衡流量計(jì)相比于孔板流量計(jì)具備精度高、量程比寬、前、后穩(wěn)定段短、壓損低、長(zhǎng)期穩(wěn)定、耐贓污、適用性廣等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到美國(guó)天然氣、煉油、氣體行業(yè)、化工廠、鋼鐵廠、發(fā)電廠等各個(gè)行業(yè)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的節(jié)能儀表。
傳統(tǒng)節(jié)流裝置只有一個(gè)流體流通孔徑，孔兩邊的死區(qū)產(chǎn)生大量的渦流消耗流體的動(dòng)能，會(huì)導(dǎo)致很大的壓力損失，隨機(jī)和雜亂渦流所形成的噪聲引起取壓點(diǎn)信號(hào)波動(dòng)，使測(cè)量線性度和重復(fù)性降低，單孔結(jié)構(gòu)需要很長(zhǎng)的前、后穩(wěn)定段來(lái)整理流場(chǎng)和恢復(fù)壓力。
平衡流量計(jì)對(duì)傳統(tǒng)節(jié)流裝置進(jìn)行了極大的改進(jìn)，變單孔為多孔結(jié)構(gòu)，具有能平衡調(diào)節(jié)流場(chǎng)的顯著特征。平衡流量計(jì)設(shè)計(jì)有多個(gè)函數(shù)孔徑，能巧妙實(shí)現(xiàn)流體平衡測(cè)量，明顯減少渦流的形成、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動(dòng)能的損失、降低渦流帶來(lái)的取壓點(diǎn)信號(hào)波動(dòng)。
本文采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)平衡流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究，并與孔板流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)其在平衡調(diào)節(jié)流場(chǎng)及流量測(cè)量方面的性能優(yōu)勢(shì)，以CFX為設(shè)計(jì)工具開展平衡流量計(jì)前期研究，為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
1 數(shù)值模擬分析
1.1 計(jì)算模型和條件
平衡流量計(jì)節(jié)流板上開孔所遵循的原則有兩條：
1）平衡流量計(jì)開孔面積比的平方根與普通孔板流量計(jì)直徑比β相同；
2）流體流過(guò)每個(gè)孔的平均流速相等。
開孔策略包括：開孔數(shù)量、開孔位置、開孔大小，具體選取需要根據(jù)DN值、β值調(diào)整。
設(shè)計(jì)確定DN50、β=0.5的平衡流量計(jì)節(jié)流板開孔圖見圖1（a），為了初步驗(yàn)證開孔原則及策略的合理性，在保持β值不變前提下，改變多孔板開孔大小，將兩種開孔方式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。
選取DN50平衡流量計(jì)和DN50孔板流量計(jì)為研究對(duì)象，直徑比β都取為0.5，節(jié)流板厚度依照孔板流量計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都取為2.5mm，由于孔板流量計(jì)只是作為對(duì)比研究，簡(jiǎn)化節(jié)流板中心孔φ25，其末端不倒角。
平衡流量計(jì)節(jié)流孔板從中心到邊緣共布置三排孔，孔板前后均為DN50直管段，節(jié)流孔板孔邊緣結(jié)構(gòu)為直角，實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量，不易磨損，β值可長(zhǎng)期保持不變，大大延長(zhǎng)檢定周期，節(jié)省檢定費(fèi)用。
在確定了計(jì)算區(qū)域后進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分。在CFX10.0前處理軟件ICEM中給出了多種可用的網(wǎng)格形式，有四面體網(wǎng)格、三棱柱體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格等。孔板流量計(jì)和平衡流量計(jì)流場(chǎng)區(qū)域均采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，提高工作效率。根據(jù)內(nèi)部流道尺寸相應(yīng)的設(shè)定四面體網(wǎng)格大小，針對(duì)一般工程計(jì)算，保證流道截面沿直徑方向劃分10個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)即可保證計(jì)算精度，以此為網(wǎng)格劃分方法在整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)合理的設(shè)定網(wǎng)格大小。孔板流量計(jì)和平衡流量計(jì)節(jié)流孔板處的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果影響最為敏感，這兩處的網(wǎng)格劃分適當(dāng)加密。
網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響是很大的，所以對(duì)于網(wǎng)格需要特別進(jìn)行敏感性分析，本研究主要通過(guò)在孔板流量計(jì)和平衡流量計(jì)節(jié)流孔板區(qū)域加密網(wǎng)格進(jìn)行比較，討論網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的敏感性分析。對(duì)于孔板流量計(jì)，由于內(nèi)部流場(chǎng)較紊亂、渦流較多，因此網(wǎng)格細(xì)化對(duì)于計(jì)算收斂沒(méi)有作用，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，最終數(shù)據(jù)處理采用網(wǎng)格較粗、計(jì)算達(dá)到收斂的結(jié)果。平衡流量計(jì)網(wǎng)格加密前后計(jì)算均達(dá)到收斂，網(wǎng)格加密前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1，網(wǎng)格加密前后對(duì)計(jì)算結(jié)果影響僅有0.8%，可采用加密前網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。
ICEM完成幾何造型和網(wǎng)格劃分后，再進(jìn)入CFX10.0-Pre中，進(jìn)行流體物性參數(shù)和邊界條件的定義，同時(shí)確定計(jì)算物理模型。選取常溫下的水（25℃）作為流體介質(zhì)，參考?jí)毫υO(shè)定為1.0MPa，其密度、粘度采用CFX數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)默認(rèn)值。進(jìn)行邊界條件定義時(shí)，所有未指定的面均作無(wú)滑移固體表面處理，入口面和出口面需要特別指定，入口邊界條件給定為入口平均流速，計(jì)算工況見表2。入口湍流強(qiáng)度采用中等強(qiáng)度5%；出口邊界條件給定為等壓面，其值取為0Pa。
由于計(jì)算流量覆蓋范圍對(duì)應(yīng)流體流動(dòng)狀態(tài)均為湍流，且流道結(jié)構(gòu)無(wú)特殊性，計(jì)算物理模型選取常用的k-ε雙方程湍流模型。在對(duì)一階迎風(fēng)收斂與高精度收斂計(jì)算結(jié)果對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)差壓計(jì)算結(jié)果最大偏差不超過(guò)3%，數(shù)值計(jì)算收斂方式均采用一階迎風(fēng)（upwind），收斂殘差為1×10-4。
1.2 計(jì)算結(jié)果與分析
1.2.1 平衡流量計(jì)節(jié)流孔板流速分布
通過(guò)后處理程序CFX10.0-Post對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理，平衡流量計(jì)入口流速2.4m/s工況下，從內(nèi)到外1、2、3排孔的孔內(nèi)平均流速分別為9.5m/s、9.6 m/s、9.6 m/s，因此平衡流量計(jì)節(jié)流孔板開孔方式滿足平衡流量計(jì)設(shè)計(jì)原則：即流體流過(guò)每個(gè)孔的平均流速相等。節(jié)流孔板開孔方式無(wú)需調(diào)整，可直接應(yīng)用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)。
孔徑變化后從內(nèi)到外1、2、3排孔的孔內(nèi)平均流速分別為9.75m/s、9.64m/s、9.43m/s，通過(guò)比較得出：多孔板孔徑變化會(huì)直接影響到流速分布。原開孔方式更佳。
1.2.2 孔板流量計(jì)與平衡流量計(jì)流動(dòng)特性對(duì)比
流量計(jì)節(jié)流孔板前后的渦流會(huì)導(dǎo)致差壓測(cè)量波動(dòng)性較大和重復(fù)性不佳，進(jìn)而影響流量計(jì)測(cè)量精度。在流量計(jì)入口流速2.4m/s工況下，計(jì)算得到的孔板流量計(jì)和平衡流量計(jì)節(jié)流孔板前后渦流圖見圖3。
由圖3可見，相比于孔板流量計(jì)，平衡流量計(jì)節(jié)流孔板變一孔為多孔后，渦流明顯減少，死區(qū)范圍縮小，流線也隨之平坦，這些變化有利于獲取高質(zhì)量差壓信號(hào)，巧妙實(shí)現(xiàn)流體平衡測(cè)量，提高流量計(jì)測(cè)量精度。流量計(jì)多種入口流速工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明：流線和漩渦大小不隨流量計(jì)流量大小變化而變化，因此無(wú)論流量大小，差壓測(cè)量受渦流影響不可避免。
平衡流量計(jì)孔徑變化后渦流增加，且流線明顯更為彎曲。渦流增加對(duì)差壓測(cè)量產(chǎn)生不利因素，流線彎曲會(huì)增加平衡流量計(jì)的前后穩(wěn)定段長(zhǎng)度，因此原開孔方式更佳。
流體流經(jīng)節(jié)流孔板后，需要一定長(zhǎng)度的穩(wěn)定段使流動(dòng)充分發(fā)展，穩(wěn)定的流場(chǎng)利于獲取穩(wěn)定的差壓信號(hào)，孔板流量計(jì)和平衡流量計(jì)節(jié)流孔板前后全壓分布云圖見圖4。
孔板流量計(jì)需要10D的后穩(wěn)定段來(lái)穩(wěn)定流場(chǎng)，而平衡流量計(jì)大約只需要1D的后穩(wěn)定段即可使流體充分發(fā)展，因此平衡流量計(jì)所需前、后穩(wěn)定段長(zhǎng)度相比于孔板流量計(jì)可大幅縮短。平衡流量計(jì)孔徑變化后需要的后穩(wěn)定段大致為4D，說(shuō)明原開孔方式更佳。
1.2.3 孔板流量計(jì)與平衡流量計(jì)阻力系數(shù)、流出系數(shù)C對(duì)比
平衡流量計(jì)在角接取壓和法蘭取壓兩種取壓方式下，圓周方向存在三個(gè)取壓位置，詳見圖5。不同取壓位置對(duì)壓力測(cè)量存在影響，以角接取壓為例，表3分別列出三種取壓位置計(jì)算結(jié)果。
計(jì)算結(jié)果表明A、C取壓位置壓力基本相等，B取壓位置壓力不等，但A、B、C位置得到的差壓基本一致，由于數(shù)值計(jì)算無(wú)法獲得壓力測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性，最終取壓位置的確定尚需試驗(yàn)驗(yàn)證。
數(shù)值計(jì)算得到孔板流量計(jì)和平衡流量計(jì)阻力系數(shù)分別為：24.2、16.9，可見在相同β值下，平衡流量計(jì)阻力系數(shù)是孔板流量計(jì)的70%，在節(jié)能方面具備優(yōu)勢(shì)。
在量程范圍1～56m3/h內(nèi)，平衡流量計(jì)角接取壓、法蘭取壓流出系數(shù)C分別為0.202、0.235，不同取壓方式對(duì)流出系數(shù)C存在明顯影響。平衡流量計(jì)具體的取壓方式還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。
平衡流量計(jì)流出系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re增大而增大，是由于平衡流量計(jì)有效減少渦流，測(cè)壓點(diǎn)處渦流對(duì)壓力影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于孔板流量計(jì)，去除渦流影響后，根據(jù)流出系數(shù)計(jì)算公式，其趨勢(shì)和阻力系數(shù)變化正好相反，計(jì)算數(shù)據(jù)吻合了這種趨勢(shì)。平衡流量計(jì)流出系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re增大而增大的變化趨勢(shì)也與西安交大《多孔板流量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究》試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合[4]。平衡流量計(jì)阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)Re增大而減小，變化趨勢(shì)也與真實(shí)情況相吻合。
2 結(jié)論
數(shù)值計(jì)算表明，平衡流量計(jì)阻力系數(shù)是孔板流量計(jì)的70%，具備節(jié)能優(yōu)勢(shì)。相比與孔板流量計(jì)，平衡流量計(jì)需要的前、后穩(wěn)定段更短，流線更平坦，且流經(jīng)節(jié)流孔板產(chǎn)生的渦流大幅減少，這些因素能有效提高平衡流量計(jì)測(cè)量精度。
平衡流量計(jì)流場(chǎng)符合設(shè)計(jì)構(gòu)想，通過(guò)不同開孔方式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，初步驗(yàn)證了開孔原則和策略的合理性。平衡流量計(jì)具體取壓方式及取壓位置有待試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢勒掌胶饬髁坑?jì)計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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