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                      差压式孔板流量计缩径管流场数值研究
                      发?#38469;?#38388;2019-04-18

                      0引言
                      差压式流量计(DifferentialPressureFlowme-ter简称DPF)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表DPF是基于流体流动的节流原理利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量是目前生产中测量流?#23380;?#25104;熟最常用的方法之一1ݡDPF的发展历史已逾百年至今已开发出来的差压式流量计超过30多种其中应用最普遍最具代表性的差压式流量计有4种:孔板流量计经典文丘里管流量计环形孔板流量计V锥流量计(见图1)
                      差压式流量计结构图
                      关于差压式流量计的数值模拟研究已有数十年但至今很少有将数值模拟与理论经验公式相结合系统分析其内部流场的研究23ݡ文中针对差压式孔板流量计利用ANSYSCFX软件结合ISO经验计算公式进行缩径管段的流场数值研究;通过分析影响内部流场的主要因素探讨设计参数的变化规律及可能存在的问题(沉积冲蚀等)从而为工程实际提供实质性的建议与指导
                      1差压式流量计流动水力特性
                      11基本方程推导
                      对于定常流动在压力取值孔所在的两个截面(截面A和B)处满足质量守恒及能量守恒方程4ݡ在充分紊流的理想情况下流体流动连续性方程和伯努利方程分别为:


                      式中
                      ?#36873;?#23494;度kg/m3
                      D截面A处的管内径m
                      `vA`vB截面AB处的流速m/s
                      d'缩径孔倒角处内径m
                      pApB截面AB处的压力Pa
                      CACB修正系数常数项
                      Ρ局部损失阻力系数
                      由式(1)(2)基本方程可得

                      式中
                      ̡收缩系数
                      d缩径管?#25991;?#24452;m
                      ¡截面比
                      ס取压系数实际值与测量值的一个偏差修正
                      将参数变量方程组代入式(3)可得:

                      式中
                      qm质量流量kg/s
                      š流体膨胀系数
                      p差压Pa
                      D和D/2取压方式的标准孔板流出系数主要由截面比及雷诺数e决定经验计算式如下:

                      12孔板流量计
                      孔板流量计是最普遍最具代表性的差压式流量计之一作为标准节流装置的孔板流量计因其测量的标准性而得到广泛的应用主要应用领域有:石油化工电力冶金轻工等
                      计量功能的实?#36136;?#20197;质量能量守恒定律为基础其内部流场流动特性如图2所示输送介质充满管道后当流经缩径管段时流束将受节流作用局部收缩压能部分转变为动能同时形成流体加速带从而缩径孔前后便产生了明显的压降值初始流速越大节流所产生的压降值也越大故可以通过压降值的监测结合式(8)来测定流体流量的大小孔板流量计的取压方式有3种:D和D/2取压法兰取压及角接取压文中选取D和D/2取压的孔板流量计(见图3)展开其内部流场的数值模拟与理论编程计算研究
                      孔板流量计流场特性示意图
                      标准孔板流量计的D和D/2取压结构图
                      2基于ANSYSCFX的标准孔板流量计数值模拟
                      21建模算例
                      211几何建模
                      如图3标准孔板流量计的D和D/2取压结构选取Solidworks软件进行建模5ݣ建立如下模型:管内径100mm缩径孔直径40mm(截面比为04)缩径孔厚度3mm所建模型如图4所示
                      212网格划分
                      选取ICEMCFD软件对所建立的几?#25991;?#22411;进行网格划分6ݣ为了提高计算精度对缩径孔部位及管内壁边界层网格进行局部?#29992;?#21450;网格质量处理;在固液交界管壁处进行边界层网格处理(?#29992;?#31532;一层单元开始的扩大率为12;?#29992;?#24320;始增长的层数为5);同时对于管段角点处未生成理想边界层网格通过CurveNodeSpacing和CurveElementSpacing进行网格节点数划分从而生成较为理想网格其结果如图5所示

                      213前处理及求解计算
                      选取全球第一个通过ISO9001质量?#29616;?#30340;CFD商用软件CFX进行缩径管段流场数值模拟研究7ݡ在其前处理模块(CFXPre)中定义流体介质为水流量为05m3/h(此工况条件下的雷诺数为1804)采用入口定流出口定压的定义模式近壁面湍流采用标准壁面函数法CFX求解器(CFXSolver)主要使用有限体积法本模拟计算残差设定为106计算后达到稳定的收敛状态
                      214结果分析
                      经CFX后处理模块(CFXPost)处理计算结果显示:流体流经缩径孔时经节流加速作用在缩径孔下游形成一个沿轴向对称的峰值速度带在靠近管?#25991;?#22721;出现两个反向流动的涡流区(见图6);湍流动能较强区域出现在缩径孔下游并呈现出两个对称的椭圆形峰值带(见图7)缩径孔上游及缩径孔处的雷诺数分别为18304790(即此时两者的流态分别处于层流区湍流区)数值模拟的高低压取值孔压差为1356Pa利用式(9)可计算求得流出系数为06461由经验公式编程计算可得流出系数为06254两者计算误差为331%由此?#24471;?#20004;种研究方法的吻合度较好可利用ANSYSCFX数值模拟方法展开相应的研究工作

                      图5计算区域及网格划分示意
                      22标准孔板流量计流场影响因素探讨
                      利用ANSYSCFX数值模拟软件以上述所建模型为基础对标准孔板流量计缩径管段的介质流动情况展开进一步的探讨对流体流速流体粘度缩径孔板厚度及截面比4个主要影响因素进行数值模拟分析针对流出系数计算变量将模拟结果与理论公式编程计算结果进行对?#21462;?#20854;中理论编程计算依据遵循上述基本方程式(式(1)(9))

                      221不同流体流量(流速)
                      为研究流量(流速)对缩径管段流场分布的影响建立如下模型:管内径100mm缩径孔直径50mm(截面比为05)选取水作为流动介?#30465;?#32771;虑到流体可能处于不同流态的情况在层流区过渡区及紊流区分别选取3个流量值进行模拟与理论计算
                      数值模拟可求得各流量下的雷诺数高低压取压孔压降值及流出系数(见表1)计算结果表明数值模拟所求得的流出系数与理论公式编程计算值吻合度较高(特别是在层流区)误差基?#31350;?#21046;在5%以内(层流区时误差仅为15%左右)数值模拟流出系数值始终略大于编程计算值(见图8)编程计算显示随着流量的增大流出系数逐渐减小在层流区递减速度较快;模拟结果显示在层流区及紊流区流出系数随流量增大而降低在过渡区流出系数随流量的增大而升高由于过渡区流态的不确定性摩阻系数同时受到粗糙度及雷诺数的作用在本模拟工况条件下呈现出此变化规律对于其他模拟工况还需展开相关的研究论证层流区流动系数的变化规律主要取决于在该流态下雷诺数变化幅度大(跨越一个数量级)由式(9)可得雷诺数的?#26412;?#21464;化会引起流出系数的大幅度波动研究表明:流量的变化会引起流出系数的显著变化

                      222不同介质粘度(流体介质)
                      为研究介质粘度对缩径管段流场分布的影响建立如下模型:管内径100mm缩径孔直径50mm(截面比为05)流量10m3/h如表2所示选取一系列不同粘度值的典型管输流体进行数值模拟与编程计算分析计算结果表明随着粘度的增大数值模拟与编程计算结果呈现相同的变化规律随着粘度的增大流出系数较为规律地逐步上升(见图9)数值模拟流出系数值始终略大于编程计算值由于理论计算式(ISO里德哈里斯/加拉赫公式)是基于大量试验回归出的一个经验公式试验过程中在缩径孔存在污物沉积及冲蚀影响而本文数值模拟未涉及到此类问题故模拟值将略大于理论计算值两者的计算误差在5%以内在低粘度区的计算误差较小(在3%以内)研究表明:流出系数与输送介质的粘度紧密相关


                      223不同缩径孔厚度
                      为研究缩径孔厚度对缩径管段流场分布的影响建立如下模型:管内径100mm缩径孔直径50mm(截面比为05)流量10m3/h选取水作为流动介?#30465;?#25353;标准孔板流量计的设计要求此时缩径孔的厚度?#27573;?#20026;06mm以1mm为增量台阶选取7个缩径孔厚度进行数值模拟与编程计算研究如表3所示
                      计算结果表明随着缩径孔厚度的增大编程计算的流出系数基本不变这是由于对于给定的孔板流量计结构在计算流出系数时其只考虑了截面比及雷诺数不考虑缩径孔厚度的影响而数值模拟结果显示流出系数随缩径孔厚度的增大而增大(见图10)这是由于当缩径孔厚度增大时流体流经缩径孔的节流加速聚集作用?#35282;?#22312;孔口下游所形成的峰值速度带将越长由能量守恒可知此时低压取值孔的压力值将进一步下降从而使得计算压差变大故流出系数呈现出随缩径孔厚度的增大而增大的变化规律

                      224不同截面比(直径比)
                      为研究缩径孔厚度对缩径管段流场分布的影响建立如下模型:管内径100mm流量10m3/h选取水作为流动介?#30465;?#20026;涵盖?#35805;?#26631;准孔板流量计的截面比选取?#27573;?#22914;表4所示选取了015075?#27573;?#20869;的13种截面比进行数值模拟与编程计算对比分析


                      计算结果表明在编程计算中流出系数随截面比的增大而增大上升幅度较为均匀;在数值模拟中当截面比小于03时流出系数随截面比的增大而减小当截面比大于03时流出系数随截面比的增大而增大(见图11)数值模拟流出系数值始终略大于编程计算值计算误差基?#31350;?#21046;在10%以内随着截面比的增大两者误差逐渐减小在低截面比节流过程中由于缩径孔较小流体流经缩径孔时其径向分速度及紊流强度将增强为了验证这一现象如图12所示在管流中添加了一定浓度的固相颗粒追踪固相颗粒流经不同缩径孔时的运动轨迹图12中显示当截面比减小到一定值时部分固相颗粒在缩径孔下游处沿径向进行较大强度的紊流运动此现象的存在使得下游的速度带涡流带及压力分布不再那么规律从而影响流出系数的变化规律及两种研究方法的计算误差
                      23缩径管段冲蚀分析探讨
                      为研究标准孔板流量计运用于多相流领域中所存在的管段冲蚀问题建立如下模型进行探讨812:模拟示例以稀相气固两相流为基础气相选取天然气气速为10m/s球形固相颗粒直径50m密度2500kg/m3固相流量4kg/h所建管长5m管内径50mm截面比05模拟结果显示固相颗粒在缩径孔上游较为均匀地沉积于管段底部流经缩径孔受节流加速作用形成一个峰值速度带如图13所示;固相颗粒对管段的最大冲蚀量不是发生在孔板截面上而是在缩径孔下游的峰值速度带与管?#25991;?#39030;部接触部分如图14所示

                      3结论
                      (1)基于ANSYSCFX的差压式孔板流量计数值模拟可清晰直观地得到缩径管?#25991;?#37096;流场分布数值模拟的流出系数值与基于理论公式编程计算值误差小吻合度高可结合具体场合应用于工程实?#30465;?br />

                      (2)通过数值模拟详细计算研究了关于孔板流量计流出系数的4个主要影响因素:流量(流速)粘度(流体种类)缩径孔厚度及截面比(直径比)结果表明随着流量的增大流出系数逐渐减小在层流区域减小速度快;流体粘度缩径孔厚度的增大均会使得流出系数增大;当截面比较小时流出系数随其增大而减小当截面比较大时流出系数随其增大而增大
                      (3)借助ANSYSCFX数值模拟手段可以辅助发现理论公式计算所无法得到的一些现象如:当截面比小到一定程度时流体在缩径孔下游的径向速度场及湍流强度将显著增强进而影响计算精度;在气固两相流的缩径管段冲蚀模拟中可以发现管段的最大冲蚀区域不是发生在缩径孔板上而是在其下游管段的某一管内壁的顶部从而针对发?#20540;?#29616;象可以展开相应的理论?#38469;?#30740;究
                      (4)数值模拟计算流出系数值始终大于理论编程计算值可结合相关试验进一步深入研究通过模型优化或计算值修正使得理论数值模拟及试验三者相互验证相互统一

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