摘要:針對速度分布的不對稱性對均速管流量計測量精度影響的問題，利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件，對均速管流量計的內(nèi)部流場進行了3D數(shù)值模擬。采用有限體積法，引人標準k-ensilon湍流模型對控制方程進行離散和求解，得出了均速管流量計在彎管后不同直管段位置和不同流速條件下的流場動力學(xué)參數(shù);利用得到的差壓模擬數(shù)據(jù)計算得出流量系數(shù)，并對測量精度進行了分析。
引言
　　均速管流量計是基于皮托管流量計發(fā)展起來的一種新型差壓式流量計，其目的是為了克服皮托管流量計因單點取樣而對管內(nèi)速度分布對稱性的嚴格要求。通過采用如圖1所示的在近管壁處的多點取壓方法，均速管流量計可以應(yīng)用于非對稱性流速分布管段的流量測量，適用范圍更大，測量精度也有所提高。因其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，價格低和節(jié)能的優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于冶金、石化等工業(yè)計量中。
 
　　圖2所示為均速管流最計檢測桿的橫截面，其均壓原理是涌過分布干管壁附近的多點取壓孔..將壓強引入檢測桿內(nèi)部的均壓腔，迎流面取壓孔.引人高壓(沖壓)，側(cè)面取壓孔引入低壓(靜壓)，引入的各點壓強在均壓腔內(nèi)平均后被引壓管引出。
 
　　均速管流量計測量原理遵循伯努利方程，設(shè)均速管流量計檢測桿迎流取壓孔處速度為U,(m/s)，壓力為P1(Pa)，檢測桿側(cè)流取壓孔.處的流速為U2(m/s)，壓力為P2(Pa)，忽略摩擦阻力，流體高度差等因素，可得到:
 
　　其中流量系數(shù)K由多種因素共同影響，是測量探頭速度系數(shù)、被測管道速度分布修正系數(shù)和管道安裝干擾系數(shù)三部分的乘積4。其中速度系數(shù)可看作流量計在均勻流場中流速與輸出差壓之間關(guān)系的修正;速度分布系數(shù)是管道內(nèi)處干充分發(fā)展流動時流速分布對平均速度測量影響的修正;系數(shù)則是現(xiàn)場安裝條件對流量測量影響的修正1。流量系數(shù)K的準確與否會直接影響流最測量的精度。工程應(yīng)用時都是通過實驗標定作為固定值應(yīng)用于實際測量。
　　均速管流量計取樣具有實際意義的前提是管道內(nèi)的速度分布是對稱穩(wěn)定的充分發(fā)展湍流，各個取壓孔的速度算數(shù)平均值近似等于管道截面的平均速度"，這是插入式均速流量計的測量精度取決于管道內(nèi)流速分布的特點。--般而言，完全對稱的速度分布是最理想的，但在應(yīng)用過程中受實際情況的限制，并不能保證有足夠長的直管段使流動達到充分發(fā)展，在現(xiàn)場直管段長度較短、上游又有彎管阻件導(dǎo)致流速分布復(fù)雜時，測量誤差會較大。
　　為了更深人地了解管內(nèi)流速分布特點對流量系數(shù)的影響，本文對處干彎管后不同直管段位置和不同流速條件下的均速流量計內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，并分析了管內(nèi)速度分布對均速管流量計的測量精度的影響。
1.數(shù)值模擬
1.1物理模型和數(shù)值方法
　　計算洗擇檢測桿有效長度為200mm的彈頭狀威力巴均速管流量計為物理模型;垂直于管道中心線、彎管平面插入;三對取壓孔按照切比雪夫法分布[6l;陽塞比為8.9%，可忽略檢測桿對管道內(nèi)流速的影響;工作介質(zhì)為常溫空氣，密度為1.225ke/m3，運動黏度為1.7894x10-5;彎管前直管段L0=20D，彎管后直管段長度L1=4D~11D，均速管流量計后直管段長度為L2=5D,圖3所示為計算域彎管平面示意圖，流速范圍為6~30m/s,對應(yīng)的雷諾數(shù)范圍是0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前處理軟件ICEM對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，采用非均勻網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進行優(yōu)化，檢測桿內(nèi)部空腔采用較密集的網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為0.2mm，對靠近流量計的一-段管道進行加密最小網(wǎng)格尺寸為1mm，以保證數(shù)值模擬的精度圖4是整個流場的三維仿真模型示意圖。
 
　　用Fluent流體力學(xué)軟件進行數(shù)值模擬，用有限體積法對控制方程進行離散，模型選用標準k-eDsilon湍流模型，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)法，入口條件采用Velocitv-inlet，出口條件采用Pressure-outlet。
1.2控制方程和湍流模型
　　求解各個算例的的流體動力學(xué)特性可以用流體力學(xué)基本方程14.71.
連續(xù)性方程為:
 
 
式中，Umax是管道中心速度，r是管道內(nèi)部任意.點距離管中心的距離，R是管道半徑，指數(shù)n與雷諾數(shù)Re有關(guān)。
1.4仿真結(jié)果和討論
　　在不同直管段位置和不同流速的條件下，引用標準k-ε模型，模擬得出了均速管流量計附近的速度場和壓力場。
　　圖5所示是入口流速為15m/s的條件下，直管段內(nèi)充分發(fā)展的湍流(L0=0，無彎管附件，L;=20D，L2=5D)的模擬結(jié)果。由速度云圖(圖5a)看出，在流量計迎流面上:沒有開孔.的位置，流速驟然下降并接近干零，在取壓孔處的速度雖然有所下降，但并不為零。根據(jù)充分發(fā)展湍流的速度分布可知，管中心處的速度最大，檢測桿上半部的三個取壓孔的速度分別為6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示總壓腔內(nèi)的流體不是靜止的，流體從中心附近的兩個取壓口流人，從近壁處的取壓刊.流出。檢測桿下半部的三個取壓孔的流速分別為6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上:半部分基本對稱。壓力云圖(圖5b)則顯示了檢測桿內(nèi)部壓力的差異。壓腔內(nèi)的壓力是由取壓孔引人的壓力平均之后得到的結(jié)果，總壓腔是正高壓，為184.233Pa，靜壓腔是負低壓，為-55.394Pa。
 
　　圖6給出了直管段充分發(fā)展湍流條件下，均速管流量計前0.25D處的縱軸截面上.的速度分布，可以看出在此情形下的湍流流形是對稱的、均勻的。
 
　　對干受彎管影響的湍流(Lo=20D，有彎管附件，L1=4D~11D，L2=5D)的情況，圖7給出的是入口速度為15m/s時均速管流量計處干彎管后4D位置的模擬結(jié)果的云圖。從速度云圖(圖7c)看出速度分布明顯不對稱。靠近管中心的取壓孔附近的流速分別為4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近管壁的取壓孔附近的流速為-1.123m/s、-1.339m/s;由取壓孔引入的壓力也出現(xiàn)了較大變化，總壓腔內(nèi)壓強為172.492Pa，靜壓腔為--44.958Pa。云圖也展示了速度和壓強的等值區(qū)域受彎管影響而產(chǎn)生的變化。
 
　　處干彎管后的均速管流量計前0.25D處縱軸截面上的速度分布如圖8所示�？v坐標為縱軸截面徑向t點的位置，橫坐標為各點的速度，曲線代表了均速管流量計處于彎管后不同位置時測量的流體的速度分布�？梢院苊黠@看出在彎管下游有很長一段范圍內(nèi)，速度分布是中間低，兩側(cè)高，中間的速度逐步增大，到11D處仍然是外側(cè)的速度大于內(nèi)側(cè)的速度，之后再繼續(xù)發(fā)展。
 
　　表1列出的是根據(jù)模擬的差壓數(shù)據(jù)計算得到的均速管流量計的流量系數(shù)K�？梢钥闯�，處干彎管后的均速管流量計測得的流量系數(shù)與對稱分布的充分發(fā)展湍流下得到的流量系數(shù)存在一-定的偏差，表明管內(nèi)速度分布的不均勻性對測量精度的影響，在實際應(yīng)用中應(yīng)該加以修正。
 
　　圖9是不同流速條件下，檢測桿位于彎管后4D~11D距離時的流最系數(shù)的模擬結(jié)果�？梢园l(fā)現(xiàn)，有彎管影響時的流量系數(shù)均高于充分發(fā)展湍流情形下的值，這是速度分布的不對稱性導(dǎo)致的結(jié)果。因此，在均速管流量計的應(yīng)用上，當測量位置處于彎管后一定的距離內(nèi)，應(yīng)對流量系數(shù)進行修正，否則導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。
 
2結(jié)語
　　本文對彎管后不同直管段位置和不同流速下的均速管流量計的流場進行了三維數(shù)值模擬，模擬得出了不同情況下檢測桿內(nèi)部的流動情況和管內(nèi)速度分布的不對稱性對均速管流量計測量的影響。得出了以下結(jié)論:
1)均速管流量計垂直安裝干彎管平面后,在彎管后4D~11D這段距離內(nèi)，檢測桿前縱軸截面上的速度呈現(xiàn)出“中間低，兩邊高”的規(guī)律。
2)彎管引起的管內(nèi)速度分布的不對稱性對流量測量精度的影響大，建議對彎管后11D內(nèi)安裝的流量計進行流量系數(shù)修正。

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