摘(zhāi)要:通過(guo)CFD流體軟(ruǎn)件對内(nei)錐流量(liàng)計 壓力(lì)損失進(jìn)行了數(shu)值模拟(nǐ),實驗介(jiè)質爲汽(qi)油與柴(chai)油的混(hùn)合物。内(nèi)錐流量(liàng)計和 孔(kong)闆流量(liang)計 經常(chang)使用于(yú)流體計(jì)量,在保(bao)證兩種(zhong)流量計(jì)流通面(miàn)積相✔️等(deng)的條件(jian)下,對它(ta)們的壓(ya)力損失(shī)進行了(le)比較。結(jié)果表明(ming),内錐流(liú)量計的(de)💜壓力損(sun)失僅爲(wei)孔闆流(liú)量計壓(yā)力⛷️損失(shi)的30%左右(yòu),将🤞内錐(zhuī)流量計(ji)應用于(yú)流體計(jì)量,可以(yi)起到節(jie)能降耗(hao)的作用(yong)。
0引言
　　在(zài)許多情(qing)況下,由(you)壓力損(sǔn)失所引(yǐn)起的額(e)外的耗(hao)能費用(yong)是選用(yong)❤️流量計(jì)時必須(xū)要考慮(lǜ)的一個(ge)重要因(yin)👅素。流量(liang)儀表的(de)壓力損(sǔn)失小已(yi)經是選(xuǎn)擇流量(liàng)計的🛀🏻一(yī)項重✍️要(yao)指标。由(yóu)于内錐(zhuī)流量計(jì)和孔闆(pǎn)流量計(ji)使用的(de)條件相(xiang)似,并且(qiě)使用廣(guang)泛🍉,因此(cǐ)有必要(yào)對這兩(liang)種流量(liàng)計進行(hang)壓力損(sun)失比較(jiào),以便選(xuan)出更合(hé)适的❓測(cè)量儀表(biǎo)。雖然人(ren)們對内(nei)錐流量(liàng)計和孔(kǒng)闆流量(liang)計的壓(ya)力損失(shī)進行過(guò)比較,但(dàn)目前文(wén)獻[1-2]中所(suǒ)作的比(bǐ)較存在(zài)兩個問(wen)題。第一(yi),文獻中(zhōng)多是通(tōng)過比較(jiào)兩種流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失計算(suàn)公式來(lái)對兩種(zhong)儀表👅進(jìn)行♌比較(jiào)。
　　對于孔(kong)闆流量(liang)計,它的(de)曆史較(jiào)長,有統(tong)一的國(guo)際标準(zhun),可以直(zhí)接算出(chū)壓力損(sǔn)失。對于(yú)内錐流(liu)量計,它(ta)的🔴曆史(shi)相對較(jiào)短,沒有(yǒu)統一的(de)國際标(biao)準,給出(chū)的一些(xiē)💋計算公(gōng)式也不(bu)太成熟(shú),通常計(ji)算值與(yǔ)真實值(zhi)之間存(cún)在較大(dà)的誤差(cha)。例如,内(nei)錐流量(liàng)計的生(shēng)🙇🏻産廠家(jia)即使是(shi)按照行(hang)業規範(fan)生産的(de)同一型(xing)号的内(nèi)錐流量(liang)計,其給(gěi)出的計(ji)算内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失系(xi)數也是(shi)各不相(xiàng)同的,這(zhe)就給用(yòng)公式計(jì)算壓力(li)損失帶(dai)來了誤(wu)差。第二(èr),對兩種(zhong)流量計(jì)壓力損(sǔn)失⭕比🈲較(jiào)時,并沒(mei)♍有規定(dìng)兩種流(liu)量計的(de)有效流(liu)通面積(ji)相同,所(suǒ)得到💋的(de)結果缺(que)乏說服(fu)力。基于(yú)以上兩(liang)個原因(yin),本文用(yong)CFD數值模(mó)拟的方(fang)法,計算(suàn)出内錐(zhuī)❤️流量計(jì)的壓力(lì)損失,并(bing)🔞在保證(zheng)有效流(liú)通面積(jī)的條件(jian)下對兩(liang)種流量(liang)計的🐆壓(yā)力損失(shī)⭕進行了(le)比較,并(bìng)且對兩(liang)❤️種流😄量(liang)計進行(háng)了經濟(jì)技術分(fen)析,對選(xuan)用流量(liang)計及計(jì)算内錐(zhui)流量計(jì)的能耗(hào)都有很(hen)好的參(can)考價值(zhi)。
1模型建(jian)立
1.1幾何(hé)模型和(hé)湍流模(mo)型的建(jian)立
　　建立(lì)長L=14m,内徑(jing)D=0.2m的管道(dao)模型,模(mó)拟了前(qian)錐角爲(wèi)45°,後錐角(jiao)爲💋120°的✂️V錐(zhui)體🙇🏻壓力(lì)分布情(qing)況。
　　由于(yú)内錐體(tǐ)爲旋轉(zhuan)體,具有(you)軸對稱(cheng)特性,在(zài)進行數(shù)值模拟(ni)🏒實驗⭐時(shí),所建立(li)的模型(xing)爲二維(wéi)結構,并(bing)進行了(le)簡化處(chu)理(計算(suàn)域選取(qu)一半),如(ru)圖1所示(shi)。

　　在(zai)網格的(de)剖分方(fang)面,采用(yong)了結構(gou)化網格(ge)[3-4],如大比(bi)率四邊(bian)形網格(gé)計算長(zhang)管形狀(zhuàng)流場,網(wǎng)格數量(liang)明顯減(jiǎn)少,在靠(kào)近錐體(tǐ)✂️部分的(de)網格進(jìn)行加密(mì)設置,越(yue)靠近管(guǎn)道兩端(duān),網格越(yue)稀疏。這(zhe)樣做的(de)目的是(shì)爲了保(bǎo)持網格(ge)的光滑(hua)度,從而(er)加速叠(dié)代收斂(lian)速度,避(bì)免因臨(lín)🛀🏻近單元(yuán)體積🤞或(huò)面積的(de)快🈲速變(biàn)化而導(dǎo)緻大的(de)截斷誤(wu)差,節省(sheng)計算時(shi)間。另外(wai),在相同(tóng)網格數(shù)量下,爲(wèi)更好保(bǎo)證計算(suan)精度,對(duì)流場✍️影(ying)響最重(zhong)要的部(bu)分進行(háng)了更精(jing)密的網(wang)格剖分(fèn)。圖1即是(shi)采用此(ci)方法進(jìn)行的網(wang)格剖分(fen)🔆。
　　利用RNGκ-ε[5]模(mo)型進行(hang)計算,經(jīng)物理實(shi)驗驗證(zhèng)顯示出(chū)了較好(hao)的預🎯測(cè)性。另外(wài),在近壁(bì)面區域(yù)采用标(biāo)準壁面(mian)函數法(fǎ)進行處(chu)理。利用(yòng)🤩有限體(ti)積法實(shí)現控制(zhi)方程的(de)☎️離散化(huà),在求解(jie)離散方(fang)程過程(cheng)中,采用(yong)🥰以壓力(lì)爲基💞本(ben)求解變(biàn)量的求(qiu)解🌐方法(fa),即SIMPLE算法(fa)進行求(qiu)解。差分(fen)格❤️式采(cai)用二階(jie)迎風格(ge)式。
1.2邊界(jiè)條件和(he)工作流(liú)體物性(xìng)
　　邊界條(tiáo)件包括(kuo)壁面、對(duì)稱軸、速(su)度入口(kou)和壓力(lì)出口。流(liu)體從速(sù)度入口(kou)進入,流(liú)經節流(liú)裝置,最(zui)後由壓(ya)力出口(kou)流出。
　　内(nei)錐流量(liang)計的數(shu)值模拟(nǐ)實驗介(jiè)質爲柴(chai)油與汽(qi)油的混(hun)合物,其(qi)物理性(xing)質見表(biǎo)1所示。

2内(nèi)錐流量(liang)計的壓(yā)力損失(shi)模拟實(shí)驗
　　傳統(tong)測量孔(kǒng)闆流量(liang)計壓力(lì)損失的(de)方法[6]如(ru)圖2所示(shi),分别測(ce)出、兩🏃‍♀️點(dian)之間的(de)靜壓力(lì),所得差(cha)值即爲(wèi)孔闆壓(yā)力損失(shi)。爲了使(shǐ)模拟的(de)壓力是(shi)不可恢(hui)複性壓(ya)力,P1、P2兩點(diǎn)之間的(de)距離應(yīng)盡量遠(yuan),在本模(mo)拟實驗(yàn)中管道(dào)直徑D=0.2m,P1、P2兩(liang)點之間(jian)的距離(lí)取50D,即兩(liang)個測壓(ya)點相距(jù)10m遠,模拟(ni)結果如(rú)表2所示(shi)。


3内(nei)錐流量(liang)計與孔(kong)闆流量(liàng)計壓力(lì)損失比(bǐ)較
　　對于(yu)孔闆流(liú)量計的(de)壓力損(sun)失,用(ISO5167-2:2003)給(gěi)出的計(ji)算公式(shi)進行計(jì)算,計算(suàn)結果與(yǔ)内錐流(liu)量計壓(ya)力損失(shī)的模拟(nǐ)實驗結(jié)🐉果進行(háng)比較。爲(wei)了更好(hao)地對内(nèi)錐流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi)與孔闆(pǎn)的壓力(lì)損失進(jìn)行比較(jiào),選擇了(le)✌️有效流(liu)通☎️面積(jī)相同的(de)内錐流(liu)量計和(he)孔闆流(liu)量計進(jin)行比較(jiao),這☔樣的(de)比較才(cai)有意義(yi)[7]。
　　内錐流(liu)量計錐(zhui)體最大(dà)截面圓(yuan)的直徑(jing)是dv=0.152m,流量(liàng)計的☔直(zhi)徑D=0.2m,管道(dao)🤞截面面(mian)積Sc=0.031m2,有效(xiao)流通面(mian)積爲Sv=0.013m2。将(jiāng)内錐流(liu)量🌂計的(de)有效流(liú)通面積(ji)轉換⭐爲(wèi)孔的面(miàn)積,則對(dui)應的有(yǒu)❌效孔徑(jing)🌈βv比爲

　　取(qu)孔闆流(liú)量計與(yǔ)内錐流(liú)量計有(yǒu)效孔徑(jing)比最接(jie)近📐的值(zhi)βo=0.65。根據Reader-Harris[8]給(gěi)出的流(liú)出系數(shù)的計算(suan)公式,求(qiú)得平均(jun1)流出系(xì)數C=0.61。在2003年(nian)實施的(de)孔闆流(liú)量計的(de)國際标(biao)準(ISO5167-2:2003)中,壓(yā)力損失(shī)系數的(de)計算公(gōng)式爲

将(jiāng)βo=0.65,C=0.61代人式(shì)(2),可以得(de)到K=13.37
計算(suàn)壓力損(sun)失Δpo的公(gong)式爲

将(jiāng)流體密(mì)度ρ=836.4kg/m3與K=13.37代(dài)人式(3)可(ke)以得到(dào)

圖3反映(yìng)了由式(shi)(4)計算出(chu)的在不(bú)同流速(sù)下孔闆(pan)流量計(jì)㊙️的壓力(li)損😄失曲(qu)線和内(nèi)錐流量(liang)計壓力(lì)損失的(de)實驗結(jie)果。

　　從圖(tú)3可以看(kan)出,在流(liu)通面積(ji)一定的(de)情況下(xia),孔闆的(de)☁️壓力損(sun)🍉失要大(dà)于内錐(zhui)流量計(ji),并且随(suí)着流速(su)的增加(jia)而增加(jiā)。表3列🌐出(chū)了在不(bú)同流速(sù)下,孔闆(pǎn)流量計(jì)與内錐(zhui)流量計(ji)的✌️壓力(lì)損✍️失,其(qí)中n爲孔(kong)闆流量(liàng)計與内(nei)♻️錐流量(liàng)計💁壓力(li)損失🐕的(de)比值。

4内(nei)錐流量(liàng)計與孔(kong)闆流量(liàng)計能耗(hao)的比較(jiào)
4.1計算動(dong)力與能(neng)量消耗(hào)和年耗(hao)能費
對(dui)于液體(ti),可采用(yòng)以下的(de)計算公(gōng)式[9]
P′=Δp·v·S/η
式中(zhong)P′———所需要(yao)的功率(lǜ),kW;
Δp———壓損損(sun)失,kPa;
v———工況(kuang)下的流(liu)體的速(sù)度,m/s;
S———管道(dao)的橫截(jie)面積,m2。
計(ji)算年耗(hao)能費
Co=P′。t·X
式(shi)中Co———年耗(hào)能費,元(yuan);
t———運行時(shí)間,h;
X———電價(jia),元/kW。h。
　　由于(yú)孔闆前(qián)後都有(yǒu)大旋渦(wō),在大幅(fu)值脈動(dong)壓力的(de)背景噪(zao)聲條件(jiàn)下,隻能(néng)通過縮(suō)小孔徑(jìng),提高差(chà)壓上限(xiàn)值來實(shi)現有效(xiao)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流量(liang)🏃🏻‍♂️測量。因(yin)此孔闆(pan)的壓力(li)損👅失必(bì)然增大(da)。
　　由于内(nei)錐流量(liàng)計測量(liang)壓差的(de)背景噪(zao)聲小,可(ke)以檢測(cè)出較小(xiao)的壓差(cha),因此内(nei)錐流量(liàng)計的壓(ya)損必然(ran)比孔闆(pan)的壓損(sǔn)小,年耗(hào)能費也(ye)小。
4.2舉例(li)分析
　　提(ti)到的内(nei)錐流量(liang)計與孔(kǒng)闆流量(liàng)計爲例(li)，工業電(diàn)價㊙️爲✨1元(yuan)/kW·h,做出它(tā)們的年(nián)耗能費(fei)比較圖(tu),如圖4所(suo)示。

　　從(cóng)圖中可(kě)以得到(dào),随着流(liu)速的增(zēng)加内錐(zhuī)與孔闆(pǎn)流量計(jì)🔱年☂️耗能(néng)費也逐(zhu)漸增大(da),而孔闆(pǎn)流量計(ji)的年耗(hao)能費要(yào)大于内(nèi)錐流量(liàng)計的年(nian)耗能費(fei)。這是因(yīn)爲内錐(zhuī)流量🈲計(jì)的壓🍓力(lì)損失比(bi)孔闆的(de)壓力損(sǔn)失小得(dé)多,年耗(hao)能費用(yòng)可大大(dà)減少。流(liú)量計口(kou)徑越💯大(da),流速越(yue)大,則内(nèi)錐流🌍量(liang)計節能(néng)效果越(yue)顯著,投(tóu)資回收(shou)期也🐕就(jiu)越短。
　　圖(tú)5表示的(de)是内錐(zhui)流量計(ji)相對比(bi)孔闆流(liu)量計可(ke)以節約(yuē)的年耗(hao)能費用(yòng),随着流(liu)速的增(zēng)大,節約(yuē)的費用(yong)也就越(yuè)多。
以流(liú)速v=5m/s爲例(lì),内錐流(liú)量計的(de)年節約(yue)耗能爲(wèi)17411.9元,節能(neng)效果😄是(shi)非常可(kě)觀的。

5結(jié)論
　　通過(guo)CFD數值模(mó)拟的方(fang)法,模拟(ni)了成品(pin)油管道(dao)中内錐(zhui)流量🌈計(ji)🏃‍♂️的壓力(li)損失,同(tóng)時與孔(kǒng)闆流量(liàng)計比較(jiào),得到⁉️了(le)如下結(jié)論:
(1)内錐(zhuī)流量計(jì)的壓力(lì)損失比(bi)孔闆流(liu)量計小(xiǎo),如果保(bǎo)證兩種(zhong)🈲流量計(jì)的有效(xiao)流通面(miàn)積相同(tong),那麽内(nèi)錐流量(liang)計🔴的壓(yā)力損⭐失(shi)是孔闆(pǎn)流量計(ji)的三分(fèn)之一還(hai)要小一(yi)些。
(2)通過(guò)技術經(jīng)濟分析(xī)可以明(ming)顯地看(kan)出:内錐(zhui)流量計(jì)相比與(yǔ)孔闆🤞流(liu)量計,可(kě)以節約(yuē)很多的(de)能耗,符(fu)合國家(jia)的節能(néng)減排長(zhang)期發展(zhan)方針政(zhèng)策。

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