摘要:針對速度(dù)分布的不對稱(chēng)性對均速管流(liu)量計 測量精度(du)影響的問題，利(lì)用計算流體力(li)學(CFD)軟件，對均速(sù)管流量計的内(nèi)部流場進行了(le)3D數值模拟。采用(yong)🔴有限體積法，引(yǐn)人标準k-ensilon湍🌏流模(mó)型對控制方程(chéng)進行離散和求(qiú)解，得出了均速(su)管流量計在彎(wān)管後不同直管(guǎn)段位置和不同(tong)🌐流速條件下的(de)流場動力學參(can)數;利用得到的(de)差壓模拟數據(jù)計算得出流量(liàng)系數♊，并對測量(liàng)精度🏃進行了分(fen)析。
引言
　　均速管(guan)流量計是基于(yú)皮托管流量計(jì)發展起來的👅一(yi)種新型 差壓式(shì)流量計 ，其目的(de)是爲了克服皮(pí)托管流量計因(yīn)單點取樣而對(duì)管内速度分布(bu)對稱性的嚴格(gé)要求。通過采用(yòng)如🌏圖1所📐示的在(zai)近⚽管壁💯處的多(duo)點取壓方法，均(jun)速管流♈量計可(ke)以應用于非對(dui)稱性流♈速分布(bù)管段的流量測(cè)量，适用範圍更(geng)大，測量精度也(yě)有所提高。因其(qi)結構簡單，安裝(zhuāng)方便，價格低和(hé)節能的優點，現(xiàn)已被廣♊泛的應(yīng)用于冶金、石化(hua)等工業計量中(zhong)。
 
　　圖2所示爲均速(sù)管流最計檢測(ce)杆的橫截面，其(qi)均壓原理是🔱湧(yǒng)過分布幹管壁(bi)附近的多點取(qǔ)壓孔..将壓強引(yin)入檢測杆内部(bù)的均壓腔，迎流(liu)面取壓孔.引人(rén)📧高壓(沖壓)，側面(mian)取壓孔引入低(dī)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓(靜壓)，引入的(de)各點壓強在均(jun1)壓腔内平均後(hou)被引💘壓管引出(chū)😘。
 
　　均速管流量計(jì)測量原理遵循(xún)伯努利方程，設(she)均速管流量計(ji)檢測杆迎流取(qu)壓孔處速度爲(wèi)U,(m/s)，壓力爲P1(Pa)，檢測杆(gan)側流取壓孔.處(chu)的流速爲U2(m/s)，壓力(lì)爲P2(Pa)，忽略摩擦阻(zǔ)力，流體高度差(cha)等因素，可得到(dào):
 
　　其中流量系數(shù)K由多種因素共(gong)同影響，是測量(liang)探頭速度💃🏻系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數(shu)、被測管道速度(du)分布修正系數(shu)和管道安裝幹(gàn)擾系數三部分(fen)🔴的乘積4。其中速(su)度系數可看作(zuo)流量計在均勻(yun)流場中㊙️流速與(yǔ)輸出差壓之間(jiān)關系的修正;速(sù)度分布系數是(shì)管道内處幹充(chōng)分發展流👨‍❤️‍👨動時(shi)流速分布對平(ping)均速♊度測量影(ying)響的修正;系數(shù)♈則是現場安裝(zhuāng)條件對流量測(ce)✨量影響的修正(zheng)1。流量🌂系數K的準(zhǔn)确與否會直接(jie)♋影響流最測量(liàng)的精度。工💁程應(ying)用時都是通過(guo)實驗标定作爲(wei)固定值應用于(yu)實際測量。
　　均速(su)管流量計取樣(yàng)具有實際意義(yì)的前提是管道(dào)💋内的😍速度分布(bu)是對稱穩定的(de)充分發展湍流(liú)，各個取壓孔的(de)速度算數平均(jun1)值近似等于管(guǎn)道截面的平均(jun1)速度"，這是🏃🏻‍♂️插入(rù)式均速流量計(ji)的測量精度取(qu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻決于管道内流(liu)速分布的特點(dian)。--般而言，完全對(duì)稱的速度分布(bu)是最理想的，但(dàn)在應用過程中(zhōng)受實際情況的(de)限制，并不能保(bao)證有足夠長的(de)直管段使流動(dòng)達到充分❤️發展(zhan)，在現場直管段(duàn)長度較短、上遊(you)又有♈彎管阻件(jiàn)導緻流速分布(bu)複雜時，測量誤(wu)差會較大👉。
　　爲了(le)更深人地了解(jie)管内流速分布(bu)特點對流量系(xi)數的影響，本文(wen)對處幹彎管後(hou)不同直管段位(wei)置和👨‍❤️‍👨不同流速(sù)條件下的均速(su)流量計内部流(liu)場進行了數值(zhi)模拟，并分🍓析了(le)管内速度分布(bù)對均速管流量(liàng)計的測量精度(du)的影響。
1.數值模(mó)拟
1.1物理模型和(hé)數值方法
　　計算(suàn)洗擇檢測杆有(you)效長度爲200mm的彈(dàn)頭狀威力巴均(jun1)速⭐管流量💃🏻計爲(wèi)物理模型;垂直(zhí)于管道中心線(xian)、彎管平面插入(ru);三對取壓孔按(àn)照切比雪夫法(fǎ)分布[6l;陽塞比爲(wei)8.9%，可忽略檢測杆(gǎn)對管道内流速(sù)的影響;工作介(jie)質爲常溫空氣(qì)，密度爲1.225ke/m3，運動黏(nian)度爲1.7894x10-5;彎管前直(zhí)管段L0=20D，彎管後直(zhí)管段長度L1=4D~11D，均速(su)管流量計後直(zhi)管段長度爲L2=5D,圖(tu)3所示爲計算域(yu)彎管平面♍示意(yi)圖，流速範圍爲(wei)♊6~30m/s,對應的雷諾數(shu)範圍是0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前(qián)處理軟件ICEM對計(ji)算區域進行網(wang)格劃分，采用⭐非(fēi)均勻網㊙️格，并對(duì)網格進行優化(hua)，檢測杆内部空(kōng)腔采用較密🌈集(ji)的網格，最小網(wang)格尺寸爲0.2mm，對靠(kào)近流量計的一(yī)-段管道進行加(jia)密最小網格尺(chǐ)寸爲1mm，以保證數(shu)值模拟的精度(dù)圖4是整個流場(chang)的三維仿真模(mó)型示意圖。
 
　　用Fluent流(liú)體力學軟件進(jìn)行數值模拟，用(yòng)有限體積法對(dui)🔆控制方🐪程🏃進🔴行(háng)離散，模型選用(yong)标準k-eDsilon湍流模型(xing)，近壁區采用标(biao)準壁面函數法(fa)，入口條件采用(yong)Velocitv-inlet，出口條件采用(yong)Pressure-outlet。
1.2控制方程和湍(tuan)流模型
　　求解各(ge)個算例的的流(liú)體動力學特性(xìng)可以用流體力(li)🎯學基本方程14.71.
連(lián)續性方程爲:
 
 
式(shì)中，Umax是管道中心(xin)速度，r是管道内(nei)部任意.點距離(lí)管中心的距離(lí)，R是管道半徑，指(zhǐ)數n與雷諾數Re有(you)關。
1.4仿真結果和(hé)讨論
　　在不同直(zhi)管段位置和不(bu)同流速的條件(jiàn)下，引用标準㊙️k-ε模(mó)型，模拟🈲得出了(le)均速管流量計(jì)附近的速度場(chǎng)和壓力場。
　　圖5所(suo)示是入口流速(su)爲15m/s的條件下，直(zhí)管段内充分發(fā)👅展的湍流(L0=0，無彎(wan)管附件，L;=20D，L2=5D)的模拟(ni)結果。由速度雲(yún)圖(圖5a)看出，在流(liu)🌐量計☔迎流面上(shang):沒有開孔.的位(wei)置，流速驟然下(xia)降㊙️并接近幹零(ling)，在取壓孔處的(de)速度雖然有所(suo)下降，但并不爲(wèi)零。根據充分發(fā)展湍流的🚩速度(du)分布🏃🏻‍♂️可知，管中(zhong)心處的速度最(zuì)大，檢測杆上半(bàn)部的三個取壓(yā)孔的速度分别(bié)爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示總壓腔(qiāng)内的流體不是(shi)靜止的，流體從(cong)中心附近的兩(liang)個取♻️壓口流人(ren)，從近壁✏️處的取(qu)壓刊.流出。檢測(ce)杆下半部的三(san)個取壓孔的流(liú)速分别爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shang):半部分基本對(dui)稱。壓力雲圖(圖(tu)🥰5b)則顯示了檢測(cè)杆内部壓力的(de)差異。壓腔内的(de)壓力是由取壓(yā)孔引人的壓力(li)平均之後得到(dào)的結果，總壓腔(qiang)是正高壓，爲184.233Pa，靜(jìng)壓腔是負低壓(yā)，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給出了直(zhi)管段充分發展(zhan)湍流條件下，均(jun1)速管流量計前(qián)0.25D處的縱軸截面(mian)上.的速度分布(bu)，可以看出在此(cǐ)情形下💜的湍流(liú)流☀️形是對稱的(de)、均勻的。
 
　　對幹受(shòu)彎管影響的湍(tuān)流(Lo=20D，有彎管附件(jiàn)，L1=4D~11D，L2=5D)的情況，圖7給🌈出(chū)的是入口速度(dù)爲15m/s時均速管流(liú)量計處幹彎管(guǎn)後4D位置的模拟(nǐ)結果的雲圖。從(cóng)速度雲圖(圖7c)看(kan)出速度♋分布明(míng)顯不對稱。靠近(jìn)管中心的取壓(ya)🈲孔附近的流✂️速(sù)分别爲4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近(jìn)管壁的取壓🍉孔(kǒng)附近的流速爲(wei)-1.123m/s、-1.339m/s;由❌取壓孔引入(ru)的壓力也出現(xiàn)了較大變化，總(zong)壓腔内壓強爲(wei)172.492Pa，靜壓腔🏃‍♂️爲--44.958Pa。雲圖(tú)也展示了速度(dù)和壓強📞的等值(zhí)區域受彎管影(ying)響而産生的變(biàn)化。
 
　　處幹彎管後(hou)的均速管流量(liàng)計前0.25D處縱軸截(jié)面上的✉️速度分(fèn)布如圖8所示。縱(zòng)坐标爲縱軸截(jié)面徑向t點的位(wèi)置，橫坐✌️标爲各(gè)點的速度，曲線(xiàn)代表了均速管(guǎn)流量計處于彎(wān)管🔱後不同位置(zhi)時測量的😄流體(tǐ)的速度🐪分布。可(kě)以很明顯看⛱️出(chu)在彎管下遊有(yǒu)很長一段範🍓圍(wéi)内，速度分布是(shì)中間低，兩側高(gao)，中間的速度逐(zhu)步增大，到11D處仍(reng)然✏️是外側的速(sù)度大于内側的(de)速💞度，之後再繼(jì)續發展。
 
　　表1列出(chū)的是根據模拟(nǐ)的差壓數據計(ji)算得到的均速(sù)管流量計的流(liú)量系數K。可以看(kan)出，處幹彎管後(hou)的均速管流量(liàng)計測得的流量(liang)系數與對稱分(fen)布的充‼️分發展(zhǎn)湍流下得到的(de)流量系🌈數存在(zai)🚶一-定的偏差，表(biǎo)明管内速度分(fen)布的不均勻性(xìng)對測量精度的(de)影響，在實際應(yīng)用中應該加以(yǐ)修正。
 
　　圖9是不同(tong)流速條件下，檢(jian)測杆位于彎管(guǎn)後4D~11D距離時的流(liu)最系數的模拟(ni)結果。可以發現(xian)，有彎管影響時(shí)的流量系數均(jun)高于充分🔞發展(zhǎn)湍流情形下的(de)值，這是速度分(fen)布的不對稱性(xing)導緻的結果💁。因(yin)此，在均速管流(liu)量計的應用上(shang)，當測量位置處(chù)于彎管後一定(ding)💁的距離内，應對(duì)流量系數進行(hang)修正，否則導緻(zhi)測量結果的偏(piān)差💞。
 
2結語
　　本文對(duì)彎管後不同直(zhi)管段位置和不(bu)同流速下的均(jun)速✨管流📧量⛷️計的(de)流場進行了三(san)維數值模拟，模(mo)拟得出了不同(tóng)情況下檢測杆(gan)内部的流動情(qíng)況和管内速度(dù)分布的不對稱(chēng)性對均速管流(liu)量計測量的✨影(yǐng)響。得出了以下(xia)結⭕論:
1)均速管流(liu)量計垂直安裝(zhuang)幹彎管平面後(hou),在彎管後🍓4D~11D這段(duan)距離内，檢測杆(gan)前縱軸截面上(shang)的速度呈現出(chu)“中間♉低，兩邊高(gāo)🌈”的規律。
2)彎管引(yin)起的管内速度(du)分布的不對稱(chēng)性對流量測㊙️量(liang)精度💃🏻的影響大(da)，建議對彎管後(hou)11D内安裝的流量(liàng)計進行流量系(xì)數修正。

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