平衡流量計(jì)流動(dòng)特性數(shù)值計(jì)算分析

孟洋　李華奇　尹濤

【摘 要】本項(xiàng)目選取DN50平衡流量計(jì)和孔板流量計(jì)為研究對(duì)象，通過(guò)CFX數(shù)值計(jì)算對(duì)比兩種流量計(jì)的流動(dòng)特性，平衡流量計(jì)孔板背面渦流明顯減少，因此阻力減小、精度提高、穩(wěn)定段縮短。本文詳細(xì)介紹了數(shù)值計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域、網(wǎng)格劃分和物理模型等內(nèi)容，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行充分分析。

【關(guān)鍵詞】平衡流量計(jì)；數(shù)值計(jì)算；DN50

【Abstract】This program researches the DN50 balanced flow meter and the orifice flow meter， and compares flowing characteristic between them by CFX. The eddy of balanced flow meter reduces obviously， therefore the resistance of balanced flow meter is lower， the precision is higher， and the steady tube is shorter than the orifice flow meter. This text detailedly introduces the numerical calculations flowing area、grid plotting、physical model and so on， and fully analyses the result of numerical calculation.

【Key words】Balanced flow meter； Numerical calculation； DN50

0 引言

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[1]。

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)[1]。

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(kāi)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(kāi)孔所遵循的原則有兩條：

1）平衡流量計(jì)開(kāi)孔面積比的平方根與普通孔板流量計(jì)直徑比β相同[2]；

2）流體流過(guò)每個(gè)孔的平均流速相等。

開(kāi)孔策略包括：開(kāi)孔數(shù)量、開(kāi)孔位置、開(kāi)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(kāi)孔圖見(jiàn)圖1（a），為了初步驗(yàn)證開(kāi)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(kāi)孔大小，見(jiàn)圖1（b），將兩種開(kāi)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[2]，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[1]。平衡流量計(jì)流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖2。

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?？装辶髁坑?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?？装辶髁坑?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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，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(kāi)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(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)孔方式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，初步驗(yàn)證了開(kāi)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)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]