多孔均流式流量計的結構設計與特性仿真

文中采用 CFD 數值模擬的方法對多孔均流式流量計進行仿真研究。首先利用正交試驗法確定了其***優結構參數,然后分析了流場的特點,進而比較了管道雷諾數、等效直徑比、孔板厚度和不同流體類型對多孔均流式流量計與標準孔板流量計的性能的影響。結果表明,多孔均流式流量計孔板產生的渦流的尺寸更小,也更加均勻,且壓損系數小,流出系數更大、更穩定; 在湍流狀態下,多孔均流式孔板的流出系數與雷諾數和流體基本無關。

0.引言

流量計是常用的計量儀表,水、天然氣、油品等的生產與銷售中都需要使用流量計,而差壓式孔板流量計是***常用的類型。多孔均流式流量計是美國航空航天局( NASA) 下屬的馬歇爾航空飛行中心***早提出的 。這種新型流量計具有多個對稱的函數孔,相比于傳統的孔板流量計,它具有穩定性高、直管段要求低、壓力損失小等優點 但國內對其研究較晚,關于這方面的研究資料也十分缺乏,為此本文采用 CFD仿真的方法對多孔均流式流量計進行研究分析。

 

1.結構設計

 

在仿真計算中給定管道入口流量,再結合仿真所得的壓差,可得到流出系數的表達式

 公式1.jpg

 

式中: QV 為體積流量,m3 /s; β 為當量孔徑比,無量綱; A0 為小孔流通面積的總和,m2 ; ε 為可壓縮性系數; P 為孔板前后差壓,Pa; ρ 為被測介質密度,kg /m3 ; C 為流出系數。

 

另外,本文采用壓損系數 ξ 來描述流量計的壓降特性,壓力損失系數越小,則表明所設計的流量計的結構越合理。其定義為

 公式2.jpg

 

為了簡化設計,假設多孔均流式流量計除了中心孔之外的所有孔都均勻分布在同一圓環上,且只研究兩環的情況,如圖 1所示。

公式3.jpg

由圖可知,當等效直徑比 β、開孔個數 N、孔板厚度 E、圓

 

環上的孔直徑與中心孔直徑比 K = D1 /D2 、圓孔分布密度 Hd  =H2 /H1  確定之后,流量計的結構就基本確定了。標準孔板流

量計的等效直徑比取值范圍為 0. 2  0. 75,本文選取 β =0. 5 

為多孔均流式流量計的定型參數,以便與標準孔板流量計進行對比研究。

多孔均流式流量計的結構取決于 E、N、 Hd  的不同取值組合。采用正交試驗法,并結合 CFD 計算,得到的結果如表所示。其中流體為常溫水,流量為 QV =10 m3 /h。

公式4.jpg

其中  為各因素對應的極差,極差越大表示該因素對結果的影響越重要,可以看出:

 

( 1) 極差 R   ,即因素對壓損系數 ξ 的影響從大到小的順序是: N  E  K  Hd ;

 

( 2) 分析的結果顯示在所有 256 組正交試驗中,E = 4 mm、N=9、K=0. 7  Hd =0. 39 的組合是***優組合,即在這種組合下的壓損系數 ξ ***小,從而為***優方案。

 

2.流場特性的研究

 

為了檢驗多孔均流式流量計在均流方面的作用,在同一工況下,對標準孔板與多孔均流式孔板的仿真結果進行對比分析。流體為常溫水,雷諾數 e =1 × 105 ,采用 Fluent 軟件進行數值模擬分析。模型網格采用結構化網格,網格單元數大約為60 萬,并在孔板附近加密網格。數學模型主要包括連續性方程和動量方程,湍流模型采用 ε 模型,其中湍流強度取為0. 05。入口條件為給定流量,出口邊界條件為自由出口條件”; 壁面處為無滑移邊界條件。圖給出了標準孔板和多孔均流式孔板在 Z =0 截面上的局部流線圖。

 公式5.jpg

中可見,相對標準孔板而言,多孔均流式孔板產生的渦流的尺寸更小,也更加均勻,而且產生的射流強度小。多孔均流式孔板的上游以及下游的流動狀態很快就能恢復到穩定狀態,因此所需的下游直管段長度更短.

3 .多孔均流式與孔板流量計的對比

 

3 1 雷諾數的影響

首先研究管道雷諾數對壓損系數 ξ 的影響。將 β =0. 5、E=4 mm的標準孔板與 β =0. 5 的多孔均流式孔板進行比較,結果如圖所示。

公式6.jpg

由圖可知,在湍流狀態下,多孔均流式流量計的壓損系數更小,說明在同樣工況下,流體通過多孔均流式孔板之后的壓力損失更小。此外,隨著雷諾數的變化,其壓損系數基本保持不變,而標準孔板卻有較大波動。

 公式7.jpg

接著研究雷諾數對流出系數的影響。由圖可知,在層流和過渡流(  4 000) 狀態下,隨著雷諾數增大,多孔均流式流量計的流出系數逐漸增大,并趨于穩定。在湍流狀態下( 4 000) ,隨著雷諾數增大,其流出系數基本不變,而標準孔板的流出系數卻有較大幅度的波動。壓損系數和流出系數的穩定性對測量精度有較大影響,由此可見,多孔均流式流量計的精度高于標準孔板。

 

3 2 等效直徑比 β 對流出系數的影響

 公式8.jpg

由圖可以看出,在 β 增大時,多孔均流式孔板的流出系數值始增大,這是因為 β 越大,下游流體的渦旋和回流效應就會越小,其壓降損失就會越來越低,從而值就會越來越大;并且,當 β =0. 75 時,值已經很接近了,這說明此時的實際流量已經很接近理論流量了。而標準孔板的流出系數的變化規律則不是很明顯。

3 3 流體類型對流出系數的影響

選取工業中常用的液體工質水、甲苯、柴油以及氣體工質空氣、二氧化碳和氨氣 來研究流體類型對流出系數的影響規律 。雷諾數的變化為 2 ×104  2 ×105 ,所得結果如圖所示.

公式9.jpg

6可知,在湍流狀態下,不同類型工質的R C曲線基本重合,這說明湍流狀態下工質類型對流出系數基本沒有影響,即多孔均流式流量計可以應用于所有工質的測量,而不需要重新標定。由圖也可看出,在湍流狀態下,流出系數大小受雷諾數的影響很小,因此可以認為,在一定測量范圍內,流出系數與雷諾數無關。

 

4.結論

 

( 1) 應用正交試驗法,對多孔均流式流量計的***優化結構進行了分析,得出影響壓損系數 ξ 個因素從大到小的順序是: N  E  K  Hd ,并且得到了一組優化的結構參數;

 

( 2) 對多孔均流式孔板與標準孔板進行了數值模擬,研究了雷諾數 Re、等效直徑比 β 和不同工質對流出系數的影響,得出了多孔均流式孔板的渦流尺寸更小,耗能更低,比標準孔板性能更穩定,且流出系數的變化與工質類型基本無關,精度也更高。

 

 

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