差壓式(shi)孔闆流量計縮徑(jìng)管流場數值 發布(bu)時間:2025-12-18
0引言 差壓式(shì)流量計 (DifferentialPressureFlowme-ter,簡稱DPF)是根(gēn)據安裝于管道中(zhōng)流量檢測件産生(sheng)的差壓、已知的流(liú)🈲體條件和檢測件(jian)與管道的幾何尺(chǐ)寸㊙️來測♊量流量的(de)👅儀表。DPF是基于流體(tǐ)流動的節流原理(li),利用流體流經節(jie)流裝置時産♌生的(de)壓力差而實現流(liu)量測量,是目前生(shēng)産中測量流量最(zui)成熟、最常用🔴的方(fāng)法之一[1]。DPF的發展曆(li)史已逾百年,至今(jīn)已開發出來的差(chà)壓式流量計超過(guo)30多種,其中應用最(zuì)普遍、最具代表性(xìng)☂️的差壓❗式流量計(jì)有4種: 孔闆流量計(jì) 、經典文丘裏管流(liu)量計、 環形孔闆流(liú)量計 和 V 錐流量計(jì) (見圖1)。 關于差(chà)壓式流量計的數(shù)值模拟已有數十(shi)年,但至今很👄少有(yǒu)将💘數值模拟與理(li)論經驗公式相結(jie)合,系統分析其🔴内(nèi)部👨❤️👨流場的[2-3]。針對差(cha)壓式孔闆流量計(jì) ,利用ANSYS-CFX軟件,結合ISO經(jing)驗計算公式,進行(háng)縮徑管段的流🌈場(chang)數值;通過分析影(yǐng)響内部流場的主(zhu)要因素,探讨📱設計(jì)參數的變化規律(lǜ)及可能存在的問(wèn)題(沉積、沖蝕等),從(cóng)而爲工程實際提(tí)供實質性的建議(yi)與指導🏃🏻♂️。 1差壓式流(liu)量計流動水力特(tè)性 1.1基本方程推導(dǎo) 對于定常流動,在(zai)壓力取值孔所在(zai)的兩個截面(截面(mian)A和B)處滿足質量守(shou)恒及能量守恒方(fang)程[4]。在充分紊流的(de)理想⛹🏻♀️情況❓下,流體(tǐ)流動連續性方程(cheng)和伯努利方程分(fen)别爲: 式中 ρ———密度,kg/m3 D———截(jie)面A處的管内徑,m `v—A,`v—B———截(jie)面A,B處的流速,m/s d'———縮徑(jing)孔倒角處内徑,m pA,pB———截(jie)面A,B處的壓力,Pa CA,CB———修正(zhèng)系數常數項 ξ———局部(bù)損失阻力系數 由(you)式(1),(2)基本方程可得(dé): 式中 μ———收縮系數 d———縮(suō)徑管段内徑,m β———截面(mian)比 ψ———取壓系數,實際(ji)值與測量值的一(yī)個偏差修正 将參(can)數變量方程組代(dai)入式(3)可得: 式中 qm———質(zhì)量流量,kg/s ε———流體膨脹(zhàng)系數 Δp———差壓,Pa D和D/2取壓(ya)方式的标準孔闆(pan)流出系數主要由(yóu)截面比β及雷諾數(shù)🆚Re決定,經驗計算式(shi)如下: 1.2孔闆流量計(jì) 孔闆流量計是最(zui)普遍、最具代表性(xìng)的差壓式流量♊計(jì)之一🈲。作爲♋标準節(jiē)流裝置的孔闆流(liú)量計,因其測量的(de)标準性而得到廣(guang)泛的應用,主要應(yīng)用領域有:石油、化(huà)工、電力、冶金、輕工(gōng)等。 計量功能的實(shi)現是以質量、能量(liàng)守恒定律爲基礎(chu)。其内🔴部流場流動(dòng)特性如圖2所示。輸(shu)送介質充滿管💯道(dao)後,當流💋經縮徑管(guan)段時,流束将受節(jie)流作用局部收縮(suo),壓能部分轉變爲(wèi)動能同時形成流(liú)體加速帶🌈,從而縮(suō)徑孔前後便☀️産生(sheng)了明🔞顯的壓降值(zhí)。初始流☂️速越大,節(jiē)流所産生的壓♍降(jiang)值也越大♊,故可以(yi)通過壓降值的監(jiān)測,結合式(8)來測定(ding)☀️流體流量的大㊙️小(xiao)。孔❓闆流量計的取(qu)壓方式有3種:D和D/2取(qu)壓、法蘭取壓及角(jiǎo)接取壓。選取D和D/2取(qu)壓的孔闆流量計(ji)(見圖3)展開其内部(bu)流場的數值模拟(ni)與理論編程計算(suàn)。 2基于(yu)ANSYS-CFX的标準孔闆流量(liang)計數值模拟 2.1建模(mo)算例 2.1.1幾何建模 如(rú)圖3标準孔闆流量(liàng)計的D和D/2取壓結構(gòu),選取Solidworks軟件進行建(jian)模[5],建立如下模型(xing):管内徑100mm,縮徑孔直(zhí)徑40mm(截面比🍓爲0.4),縮徑(jìng)孔💘厚度3mm,所建模型(xíng)🧡如圖4所示。 2.1.2網格劃(huà)分 選取ICEMCFD軟件對所(suo)建立的幾何模型(xing)進行網格劃分[6],爲(wei)💚了提♉高計算精度(dù),對縮徑孔部位及(ji)管内壁邊界層網(wang)格🐉進行局部加密(mì)及網格質量處理(li);在固液交界管壁(bì)處,進行邊界層網(wǎng)格處理(從面第一(yī)層單元開始的擴(kuò)大率爲1.2;從面開始(shi)增長的層數爲5);同(tóng)時,對于☂️管段角點(dian)處未生成理想邊(bian)界層網格,通過CurveNodeSpacing和(he)CurveElementSpacing進行🚶網格節點數(shu)劃分,從而生成較(jiào)爲理想網格。其結(jie)果如圖5所示✔️。 2.1.3前處(chù)理及求解計算 選(xuan)取全球第一個通(tong)過ISO9001質量認證的CFD商(shāng)用軟件CFX進行縮徑(jing)💘管段流場數值模(mo)拟[7]。在其前處理模(mó)塊(CFX-Pre)中定義流體介(jiè)質爲水,流量爲0.5m3/h(此(cǐ)工況條件下的雷(léi)諾數爲1804),采用入口(kou)定流、出口定壓的(de)定義模式。近壁面(mian)湍流采用标準壁(bì)面函數法。CFX求解器(qi)(CFX-Solver)主要使用有限體(ti)積法,本模拟計算(suan)殘差設定爲10-6,計算(suàn)後達到穩定的收(shou)㊙️斂狀态。 2.1.4結果分析(xi) 經CFX後處理模塊(CFX-Post)處(chu)理,計算結果顯示(shì):流體流經縮徑孔(kǒng)時,經節流加速作(zuò)用,在縮徑孔下遊(you)形成一個沿軸向(xiàng)對稱的峰值速度(du)帶,在靠近管段内(nèi)壁出現兩個反向(xiàng)流動的渦流區🌂(見(jian)圖6);湍流動能✏️較強(qiáng)區域出現在縮徑(jìng)孔下遊,并呈現出(chu)兩💃🏻個對稱的橢圓(yuán)形峰值帶(見圖7)。縮(suō)徑孔上遊及縮徑(jìng)孔處的雷諾數分(fèn)别爲1830,4790(即此時兩者(zhe)的流态分别處于(yú)層流區、湍流區)。數(shù)值模拟的高低壓(yā)取值孔壓差爲13.56Pa,利(lì)用式(9)可計算求👌得(dé)流出系數爲0.6461,由經(jing)驗公式編程計算(suàn)可得流出系👅數爲(wei)0.6254,兩者計算誤差爲(wei)3.31%。由此說明兩種方(fang)法的吻合度較好(hao),可利用ANSYS-CFX數值模拟(ni)方法展開相應的(de)工作。 圖5計算區域(yu)及網格劃分示意(yi) 2.2标準孔闆流量計(ji)流場影響因素探(tan)讨 利用ANSYS-CFX數值模拟(nǐ)軟件,以上述所建(jiàn)模型爲基礎,對 标(biāo)準孔闆流量計 縮(suo)徑管段的介質流(liu)動情況展開進一(yi)步的探讨。對流體(ti)⁉️流速♈、流體粘度、縮(suō)徑孔闆厚度及截(jie)面比4個主要影響(xiang)因素進行數值模(mo)拟分析,針對流出(chū)系數計算變量,将(jiang)模拟結果與理論(lun)公式編程計算結(jié)果進行對比。其中(zhong),理論編程計算依(yī)🆚據遵循上述基本(ben)方程式(式(1)~(9))。 2.2.1不同流(liu)體流量(流速) 爲流(liú)量(流速)對縮徑管(guǎn)段流場分布的影(ying)響,建立如下模型(xíng):管内♊徑100mm,縮徑孔直(zhí)徑50mm(截面比爲0.5),選取(qǔ)水作爲✂️流動介質(zhi)✂️。考慮到流體可能(néng)處于不同流态的(de)情況,在層流區、過(guo)渡區及紊流區分(fèn)别選取3個流量值(zhí)進行模拟與理論(lùn)計算。 數值模拟可(kě)求得各流量下的(de)雷諾數、高低壓取(qǔ)壓孔🌈壓🔞降值及流(liu)出系數(見表1)。計算(suàn)結果表明,數值模(mo)拟所求得的流💚出(chu)系數與理論公式(shì)編程計算值吻合(hé)度較高(特别🤞是在(zài)層流區),誤😍差基本(ben)🔱控制在5%以内(層流(liu)區時誤差僅爲1.5%左(zuo)右),數值模拟流出(chū)系數值始終略大(da)于編程計算值(見(jiàn)💞圖8)。編程計算💔顯示(shi),随着流量的增大(dà),流出系數逐漸減(jiǎn)小⭕,在層流區遞減(jian)速度較快;模拟🙇♀️結(jie)果顯示,在層😍流區(qu)及紊流區,流出系(xi)數随流量增大而(er)降低,在過渡區,流(liu)出系數随流量的(de)增大而升高,由于(yu)過渡區流态的不(bu)确定性,摩阻系💘數(shù)同時受到粗糙度(du)及雷諾數的作用(yòng),在模拟工況條件(jiàn)下呈現出此變化(hua)規律,對于其他模(mo)拟工況還需展開(kai)相關的論證。層流(liú)區流👅動系數的變(biàn)化規律主要取決(jue)于在該流态下,雷(léi)諾數變化🥵幅度大(da)(跨越一個數量級(jí)),由🏃♂️式(9)可得,雷諾數(shù)的急劇變化會引(yin)❌起流出系數的大(dà)幅度波動。表明:流(liu)量的❌變化會引起(qi)流出系數的顯著(zhe)變化。 2.2.2不同介質粘(zhān)度(流體介質) 爲介(jie)質粘度對縮徑管(guan)段流場分布的影(yǐng)響,建立如下🔴模型(xing)㊙️:管内徑100mm,縮徑孔直(zhí)徑50mm(截面比爲0.5),流量(liang)10m3/h。如表2所示,選取一(yī)系列不同粘度值(zhi)的典型管輸流體(ti),進行數值模拟與(yu)編程計算分析。計(ji)算結果表明,随着(zhe)粘度的增大,數值(zhí)模拟與編程計算(suàn)結果呈現相同的(de)變化規律,随着粘(zhan)度的增👣大,流出系(xi)數較爲規律地📱逐(zhu)步上升(見圖🚶♀️9)。數值(zhi)模拟流出系數值(zhi)始終略大于編程(cheng)計算值,由于🏃🏻理論(lun)計㊙️算式(ISO裏德哈裏(li)斯/加拉赫公式)是(shì)基于大量試驗回(huí)歸出的一個經驗(yan)公式,試驗過程中(zhong)在縮徑孔存在污(wu)物沉積及沖蝕影(yǐng)響,而本文數值模(mo)拟未🌈涉及到此類(lei)問題,故模拟值将(jiāng)略大于理論計算(suan)值。兩者的計算誤(wù)差在5%以内,在低粘(zhān)度區⛷️的計算誤差(chà)較小(在3%以内)。表明(ming):流出系數與輸送(song)介質的粘度緊密(mi)相關。 2.2.3不同縮徑孔(kǒng)厚度 爲縮徑孔厚(hòu)度對縮徑管段流(liu)場分布的影響,建(jiàn)立如下模型:管内(nei)徑100mm,縮徑孔直徑50mm(截(jie)面比爲0.5),流量10m3/h,選取(qu)水作爲流🌈動介質(zhi)。按标準孔闆流量(liang)計的設計要求,此(cǐ)時縮徑孔的厚度(dù)範圍爲0~6mm。以1mm爲增量(liang)台階,選取7個縮徑(jing)孔厚度進行數值(zhi)模拟與⛷️編程計算(suan),如表3所示♊。 計算結(jié)果表明,随着縮徑(jing)孔厚度的增大,編(biān)程計算🆚的🐕流出系(xì)數基本不變,這是(shi)由于,對于給定的(de)孔闆👈流量計結構(gòu),在計算流出系數(shu)時其隻考慮了截(jié)面比及雷諾數,不(bu)考慮縮徑孔厚度(dù)的影☁️響。而數值模(mó)拟結果顯示,流出(chu)系數随縮徑孔厚(hòu)度的增大而增大(da)(見圖10)。這是由于,當(dāng)縮徑孔厚度增大(dà)時,流體流經👌縮徑(jing)孔的節流加速聚(ju)集作用越強,在孔(kong)口下遊所形成的(de)峰☔值速度帶将越(yue)長,由能量守恒可(ke)知,此時低壓取值(zhi)孔的壓力值将進(jin)一步下降🌈,從而使(shi)得計算壓差變大(dà),故流出系數呈現(xian)出随縮徑孔厚度(dù)的📐增大而增大的(de)變化規律🚶♀️。 2.2.4不同截(jie)面比(直徑比) 爲縮(suō)徑孔厚度對縮徑(jing)管段流場分布的(de)影響,建立如下模(mo)型:管🐇内徑100mm,流量10m3/h,選(xuan)取水作爲流動介(jiè)質。爲涵蓋一般标(biao)準孔🌂闆流🈲量計的(de)截面比選取範圍(wei),如表4所示,選取了(le)0.15~0.75範圍内的🔞13種截面(miàn)♻️比進行數值模拟(ni)與編程計算🤞對比(bǐ)分析。 計算結果表(biǎo)明,在編程計算中(zhōng),流出系數随截面(miàn)比的增大而增☂️大(da),上升幅度較爲均(jun)勻;在數值模拟中(zhong)👅,當截面比小于0.3時(shí),流出系數随截面(mian)比的增大而減小(xiao),當截㊙️面比大于0.3時(shi),流出系數随截面(miàn)比的增大而👉增大(da)(見圖11)。數值模拟流(liu)出系數值始終略(luè)大于編程計算值(zhí),計算誤差基本控(kòng)制在10%以内,随✏️着截(jie)面比的🔴增大,兩者(zhe)誤差逐漸減小。在(zai)低截面比節流過(guò)程中,由于縮徑孔(kǒng)較小,流體流經縮(suō)徑孔時,其徑向分(fen)速👈度💁及紊流強度(dù)将增強,爲了驗證(zheng)這一現象,如圖12所(suǒ)示,在管流中添加(jiā)了一定濃度的固(gù)相顆粒,追蹤固相(xiang)顆粒流經不同縮(suō)徑孔時的運動軌(guǐ)迹。圖12中顯示,當截(jié)面比減🌐小到一定(dìng)值時,部分固相顆(ke)粒在縮徑孔下遊(yóu)處沿徑向進行較(jiao)大強度🏃♂️的紊流運(yun)動。此現象的存在(zai)🏒使得下遊的速度(dù)帶、渦流帶及壓力(li)分布不再那麽規(guī)律,從而影響流出(chu)系數的變化規律(lü)✏️及兩種方法的計(jì)算誤差。 2.3縮徑管段(duan)沖蝕分析探讨 爲(wèi)标準孔闆流量計(jì)運用于多相流領(lǐng)域中所存在的管(guǎn)段沖蝕問題,建立(lì)如下模型進行探(tan)讨[8-12]:模拟示例以稀(xi)相氣固兩相流爲(wèi)基礎,氣相選取天(tiān)然氣,氣速爲10m/s,球形(xíng)固相顆粒直徑50μm,密(mì)度🐆2500kg/m3,固相流量4kg/h,所建(jian)管長5m,管内徑50mm,截面(mian)比0.5。模拟結果顯示(shì)❓,固相顆粒在縮徑(jing)孔🤞上遊較爲均勻(yun)地沉積于管段底(dǐ)部,流經縮徑孔受(shòu)節流加速作用💃🏻,形(xing)成一個峰值速度(du)帶,如圖13所🌐示;固相(xiang)顆粒對管段的最(zui)大沖蝕量不是💃發(fā)生在孔闆截面上(shang),而是在縮徑孔✏️下(xià)遊的峰值速度帶(dài)㊙️與管段内頂部接(jiē)觸部分,如圖14所示(shi)。 3結論 (1)基于ANSYS-CFX的差壓(yā)式孔闆流量計數(shù)值模拟,可清晰直(zhi)觀地得🏃🏻到縮徑管(guǎn)段内部流場分布(bù)。數值模拟的流出(chū)系數🔞值與基于理(li)論公式編程計算(suan)值誤差小、吻合度(du)高,可結合具✂️體場(chǎng)合應用于工程實(shi)際。 (2)通過詳細計算(suàn)了關于孔闆流量(liàng)計流出系數的4個(gè)主要影響❌因素:流(liu)量(流速)、粘度(流體(tǐ)種類)、縮徑孔厚度(du)及截面🐅比(直徑比(bi))。結果👅表明,随着流(liu)量的增大,流出系(xì)數逐漸減小,在層(ceng)流區域減小速度(dù)快;流體粘㊙️度、縮徑(jìng)孔厚度的增大均(jun1)會使得流出系🙇♀️數(shù)增大;當截面比較(jiao)小㊙️時,流出系數随(sui)其增大而減小,當(dāng)截面🏃♂️比較大時,流(liú)出🔅系數随其增大(da)而增大。 (3)借助ANSYS-CFX數值(zhí)模拟手段,可以輔(fǔ)助發現理論公式(shi)計算所無👨❤️👨法得到(dao)的一些現象。如:當(dang)截面比小到一定(dìng)程度時,流體在縮(suō)徑孔🤟下遊的徑向(xiang)速度場及湍流強(qiáng)度将顯著增強,進(jìn)而影響計算精度(du);在氣固兩相流的(de)縮徑管段沖蝕模(mo)🈲拟中可以發現,管(guǎn)段的最大沖蝕區(qu)域不是發生在縮(suo)徑孔闆上,而是在(zai)其下遊管⭕段的某(mǒu)一管内壁的頂部(bu)。從而針對發現的(de)現♈象可🎯以展開相(xiang)應的理論技術。 (4)數(shu)值模拟計算流出(chu)系數值始終大于(yú)理論編程計算值(zhí)。
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