平衡流量計流動特性數(shù)值計算分析
發(fā)布時間：2022-09-22 01:51:29來源：hy710.cn來源：..
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由于平衡流量計相比于孔板流量計具備精度高、量程比寬、前、后穩(wěn)定段短、壓損低、長期穩(wěn)定、耐贓污、適用性廣等多項優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到美國天然氣、煉油、氣體行業(yè)、化工廠、鋼鐵廠、發(fā)電廠等各個行業(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能，會導致很大的壓力損失，隨機和雜亂渦流所形成的噪聲引起取壓點信號波動，使測量線性度和重復性降低，單孔結(jié)構(gòu)需要很長的前、后穩(wěn)定段來整理流場和恢復壓力。
平衡流量計對傳統(tǒng)節(jié)流裝置進行了極大的改進，變單孔為多孔結(jié)構(gòu)，具有能平衡調(diào)節(jié)流場的顯著特征。平衡流量計設(shè)計有多個函數(shù)孔徑，能巧妙實現(xiàn)流體平衡測量，明顯減少渦流的形成、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動能的損失、降低渦流帶來的取壓點信號波動。
本文采用數(shù)值計算方法對平衡流量計內(nèi)部流動特性進行研究，并與孔板流量計內(nèi)部流動特性進行對比，檢驗其在平衡調(diào)節(jié)流場及流量測量方面的性能優(yōu)勢，以CFX為設(shè)計工具開展平衡流量計前期研究，為試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計奠定基礎(chǔ)。
1 數(shù)值模擬分析
1.1 計算模型和條件
平衡流量計節(jié)流板上開孔所遵循的原則有兩條：
1）平衡流量計開孔面積比的平方根與普通孔板流量計直徑比β相同；
2）流體流過每個孔的平均流速相等。
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)計確定DN50、β=0.5的平衡流量計節(jié)流板開孔圖見圖1（a），為了初步驗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，將兩種開孔方式計算結(jié)果進行比較。
選取DN50平衡流量計和DN50孔板流量計為研究對象，直徑比β都取為0.5，節(jié)流板厚度依照孔板流量計設(shè)計標準都取為2.5mm，由于孔板流量計只是作為對比研究，簡化節(jié)流板中心孔φ25，其末端不倒角。
平衡流量計節(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，實現(xiàn)雙向測量，不易磨損，β值可長期保持不變，大大延長檢定周期，節(jié)省檢定費用。
在確定了計算區(qū)域后進行計算網(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。孔板流量計和平衡流量計流場區(qū)域均采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，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，針對一般工程計算，保證流道截面沿直徑方向劃分10個網(wǎng)格節(jié)點即可保證計算精度，以此為網(wǎng)格劃分方法在整個流場區(qū)域內(nèi)合理的設(shè)定網(wǎng)格大小。孔板流量計和平衡流量計節(jié)流孔板處的網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果影響最為敏感，這兩處的網(wǎng)格劃分適當加密。
網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響是很大的，所以對于網(wǎng)格需要特別進行敏感性分析，本研究主要通過在孔板流量計和平衡流量計節(jié)流孔板區(qū)域加密網(wǎng)格進行比較，討論網(wǎng)格對計算結(jié)果的敏感性分析。對于孔板流量計，由于內(nèi)部流場較紊亂、渦流較多，因此網(wǎng)格細化對于計算收斂沒有作用，為了節(jié)省計算時間，最終數(shù)據(jù)處理采用網(wǎng)格較粗、計算達到收斂的結(jié)果。平衡流量計網(wǎng)格加密前后計算均達到收斂，網(wǎng)格加密前后計算結(jié)果對比見表1，網(wǎng)格加密前后對計算結(jié)果影響僅有0.8%，可采用加密前網(wǎng)格進行計算。
ICEM完成幾何造型和網(wǎng)格劃分后，再進入CFX10.0-Pre中，進行流體物性參數(shù)和邊界條件的定義，同時確定計算物理模型。選取常溫下的水（25℃）作為流體介質(zhì)，參考壓力設(shè)定為1.0MPa，其密度、粘度采用CFX數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)默認值。進行邊界條件定義時，所有未指定的面均作無滑移固體表面處理，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，計算工況見表2。入口湍流強度采用中等強度5%；出口邊界條件給定為等壓面，其值取為0Pa。
由于計算流量覆蓋范圍對應(yīng)流體流動狀態(tài)均為湍流，且流道結(jié)構(gòu)無特殊性，計算物理模型選取常用的k-ε雙方程湍流模型。在對一階迎風收斂與高精度收斂計算結(jié)果對比后，發(fā)現(xiàn)差壓計算結(jié)果最大偏差不超過3%，數(shù)值計算收斂方式均采用一階迎風（upwind），收斂殘差為1×10-4。
1.2 計算結(jié)果與分析
1.2.1 平衡流量計節(jié)流孔板流速分布
通過后處理程序CFX10.0-Post對計算結(jié)果進行分析處理，平衡流量計入口流速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，因此平衡流量計節(jié)流孔板開孔方式滿足平衡流量計設(shè)計原則：即流體流過每個孔的平均流速相等。節(jié)流孔板開孔方式無需調(diào)整，可直接應(yīng)用于試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計。
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，通過比較得出：多孔板孔徑變化會直接影響到流速分布。原開孔方式更佳。
1.2.2 孔板流量計與平衡流量計流動特性對比
流量計節(jié)流孔板前后的渦流會導致差壓測量波動性較大和重復性不佳，進而影響流量計測量精度。在流量計入口流速2.4m/s工況下，計算得到的孔板流量計和平衡流量計節(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，平衡流量計節(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，巧妙實現(xiàn)流體平衡測量，提高流量計測量精度。流量計多種入口流速工況計算結(jié)果對比表明：流線和漩渦大小不隨流量計流量大小變化而變化，因此無論流量大小，差壓測量受渦流影響不可避免。
平衡流量計孔徑變化后渦流增加，且流線明顯更為彎曲。渦流增加對差壓測量產(chǎn)生不利因素，流線彎曲會增加平衡流量計的前后穩(wěn)定段長度，因此原開孔方式更佳。
流體流經(jīng)節(jié)流孔板后，需要一定長度的穩(wěn)定段使流動充分發(fā)展，穩(wěn)定的流場利于獲取穩(wěn)定的差壓信號，孔板流量計和平衡流量計節(jié)流孔板前后全壓分布云圖見圖4。
孔板流量計需要10D的后穩(wěn)定段來穩(wěn)定流場，而平衡流量計大約只需要1D的后穩(wěn)定段即可使流體充分發(fā)展，因此平衡流量計所需前、后穩(wěn)定段長度相比于孔板流量計可大幅縮短。平衡流量計孔徑變化后需要的后穩(wěn)定段大致為4D，說明原開孔方式更佳。
1.2.3 孔板流量計與平衡流量計阻力系數(shù)、流出系數(shù)C對比
平衡流量計在角接取壓和法蘭取壓兩種取壓方式下，圓周方向存在三個取壓位置，詳見圖5。不同取壓位置對壓力測量存在影響，以角接取壓為例，表3分別列出三種取壓位置計算結(jié)果。
計算結(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)值計算無法獲得壓力測點的穩(wěn)定性，最終取壓位置的確定尚需試驗驗證。
數(shù)值計算得到孔板流量計和平衡流量計阻力系數(shù)分別為：24.2、16.9，可見在相同β值下，平衡流量計阻力系數(shù)是孔板流量計的70%，在節(jié)能方面具備優(yōu)勢。
在量程范圍1～56m3/h內(nèi)，平衡流量計角接取壓、法蘭取壓流出系數(shù)C分別為0.202、0.235，不同取壓方式對流出系數(shù)C存在明顯影響。平衡流量計具體的取壓方式還有待試驗驗證。
平衡流量計流出系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re增大而增大，是由于平衡流量計有效減少渦流，測壓點處渦流對壓力影響遠遠小于孔板流量計，去除渦流影響后，根據(jù)流出系數(shù)計算公式，其趨勢和阻力系數(shù)變化正好相反，計算數(shù)據(jù)吻合了這種趨勢。平衡流量計流出系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re增大而增大的變化趨勢也與西安交大《多孔板流量測量的實驗研究》試驗數(shù)據(jù)相吻合[4]。平衡流量計阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)Re增大而減小，變化趨勢也與真實情況相吻合。
2 結(jié)論
數(shù)值計算表明，平衡流量計阻力系數(shù)是孔板流量計的70%，具備節(jié)能優(yōu)勢。相比與孔板流量計，平衡流量計需要的前、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測量精度。
平衡流量計流場符合設(shè)計構(gòu)想，通過不同開孔方式計算結(jié)果對比，初步驗證了開孔原則和策略的合理性。平衡流量計具體取壓方式及取壓位置有待試驗驗證。試驗?zāi)Ｐ涂梢勒掌胶饬髁坑嬘嬎懔鲌鰠^(qū)域進行設(shè)計。
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