摘(zhai)要:通過(guò)CFD流體軟(ruǎn)件對内(nei)錐流量(liàng)計 壓力(lì)損失進(jìn)行了數(shù)值模拟(nǐ),實驗介(jie)質爲汽(qi)油與柴(chai)油的混(hun)合🌈物🐅。内(nei)錐流量(liang)計和 孔(kǒng)闆流量(liàng)計 經常(chang)使用于(yu)流體計(jì)量,在保(bao)證兩種(zhong)流量計(ji)流通面(mian)積相等(děng)的條件(jiàn)下,對它(tā)們的壓(ya)力損失(shī)進行了(le)比較🔅。結(jié)果表明(míng),内錐流(liu)量計的(de)㊙️壓力損(sǔn)失僅爲(wei)孔闆流(liu)量計壓(ya)力損失(shī)的30%左右(you),将☁️内錐(zhui)流量計(jì)應用于(yú)流體計(jì)量,可以(yi)起到節(jie)能降耗(hao)的作用(yòng)。
0引言
　　在(zài)許多情(qíng)況下,由(you)壓力損(sun)失所引(yǐn)起的額(é)外的耗(hao)能費用(yong)是選用(yòng)流量計(jì)時必須(xū)要考慮(lü)的一個(gè)重要因(yīn)素。流量(liàng)儀表的(de)壓力損(sun)失小已(yǐ)經是選(xuǎn)擇流量(liàng)計的一(yī)項重要(yao)指标。由(you)于内錐(zhuī)流量⭕計(jì)和孔闆(pan)流量計(ji)使用的(de)條件相(xiang)似,并且(qie)⛷️使用廣(guang)泛,因此(ci)有必要(yao)對這兩(liǎng)種流量(liang)計進行(hang)壓力損(sun)失比較(jiào),以便選(xuǎn)出更合(he)适的測(cè)量儀表(biao)。雖然人(rén)們對内(nèi)錐流量(liàng)計和孔(kǒng)闆流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi)進行過(guo)比較❤️,但(dan)目前文(wén)獻[1-2]中所(suǒ)作的比(bi)較存在(zai)兩個問(wen)題。第一(yī),文獻中(zhong)多是通(tōng)過比較(jiao)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(jin)行⛹🏻‍♀️比較(jiao)。
　　對于孔(kong)闆流量(liang)計,它的(de)曆史較(jiao)長,有統(tǒng)一的國(guo)際标準(zhun)🏃‍♀️,可以直(zhi)接算出(chū)壓力損(sun)失。對于(yú)内錐流(liú)量計,它(tā)的曆史(shi)相對較(jiao)短,沒有(you)♌統一的(de)國際标(biāo)準,給出(chu)的一些(xie)計算公(gōng)⛱️式也不(bú)太成熟(shu),通常計(ji)算值與(yu)真實值(zhí)之間🏒存(cún)在較大(da)的誤差(chà)。例如,内(nèi)錐流量(liang)計的生(sheng)産廠家(jia)即使是(shì)按照行(háng)業規範(fàn)生産的(de)同一型(xíng)号的内(nèi)錐流量(liang)計,其給(gei)出的計(jì)算内錐(zhui)流量計(jì)的壓力(li)損失系(xì)數也🈲是(shì)各不相(xiàng)同的,這(zhe)就給用(yong)公式計(ji)算壓力(li)損失帶(dai)來了誤(wù)差。第二(er),對兩種(zhǒng)流量計(ji)壓力損(sǔn)失比較(jiao)時,并沒(méi)💔有規定(dìng)兩種流(liú)量計的(de)有效流(liú)通面積(ji)相同,所(suo)得到的(de)結果缺(quē)乏說服(fú)力。基于(yú)以上兩(liǎng)個原因(yīn),本文用(yòng)CFD數值模(mo)拟的方(fāng)法,計算(suan)出内♉錐(zhuī)流量計(jì)的壓力(lì)損失,并(bing)在保證(zheng)有效流(liu)通面積(jī)的條件(jiàn)下對兩(liǎng)種流量(liang)計的壓(ya)力損失(shī)✂️進行了(le)比較,并(bing)且對兩(liǎng)種流量(liang)計進行(hang)了經濟(jì)技術分(fen)析,對選(xuǎn)用流量(liàng)計及計(jì)算内錐(zhui)流量計(ji)⛱️的能耗(hao)都有很(hen)好的😘參(can)考價值(zhi)。
1模型建(jiàn)立
1.1幾何(hé)模型和(he)湍流模(mó)型的建(jiàn)立
　　建立(li)長L=14m,内徑(jing)D=0.2m的管道(dào)模型,模(mo)拟了前(qián)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(yu)内錐體(ti)爲旋轉(zhuǎn)體,具有(you)軸對稱(cheng)特性,在(zài)進行數(shu)🔞值模拟(ni)實驗時(shí),所建立(li)的模型(xíng)爲二維(wei)結構,并(bing)進行了(le)簡化處(chù)理(計算(suan)域選取(qu)💁一半),如(rú)圖1所示(shì)。

　　在(zai)網格的(de)剖分方(fang)面,采用(yòng)了結構(gou)化網格(gé)[3-4],如大比(bǐ)率四邊(biān)形網格(ge)計算長(zhang)管形狀(zhuàng)流場,網(wang)格數量(liang)明顯減(jian)少,在靠(kao)近錐體(tǐ)🏃🏻部分❓的(de)網格進(jìn)行加密(mi)設置,越(yue)靠近☎️管(guǎn)道兩端(duān),網格越(yuè)稀疏。這(zhe)樣做的(de)目的是(shì)爲了保(bǎo)持網格(gé)的光滑(huá)度,從而(er)加速叠(die)代收斂(lian)速度,避(bì)免因臨(lin)近單元(yuán)體積或(huò)面積的(de)快速變(biàn)化而導(dao)緻大的(de)截斷誤(wu)差,節省(sheng)計算時(shi)間。另外(wài),在相同(tong)網格數(shù)量下,爲(wei)更好保(bǎo)證計算(suàn)精度,對(dui)流場💞影(yǐng)響最重(zhòng)要的部(bu)分進行(hang)了更精(jing)密的網(wǎng)格剖分(fen)。圖1即是(shi)采用此(ci)方法進(jìn)行的網(wang)格剖分(fèn)。
　　利用RNGκ-ε[5]模(mó)型進行(háng)計算,經(jing)物理實(shi)驗驗證(zheng)顯示出(chu)了較好(hǎo)♋的預✊測(cè)性。另外(wai),在近壁(bì)面區域(yu)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(shi)現控制(zhi)方程的(de)離散化(hua),在求解(jie)離散方(fāng)程過程(chéng)中,采用(yong)以壓力(lì)爲基本(běn)求解變(bian)量的求(qiu)解方法(fǎ),即SIMPLE算法(fa)進行求(qiú)解。差分(fen)格式采(cǎi)用二階(jiē)迎風格(ge)式。
1.2邊界(jie)條件和(hé)工作流(liú)體物性(xing)
　　邊界條(tiao)件包括(kuò)壁面、對(dui)稱軸、速(su)度入口(kǒu)和壓力(li)出口🐆。流(liú)體從速(sù)度入口(kou)進入,流(liu)經節流(liu)裝置,最(zuì)後由壓(yā)力出口(kou)流出。
　　内(nei)錐流量(liàng)計的數(shù)值模拟(nǐ)實驗介(jiè)質爲柴(chái)油與汽(qì)油的混(hun)合物,其(qí)物理性(xìng)質見表(biǎo)1所示。

2内(nei)錐流量(liang)計的壓(yā)力損失(shī)模拟實(shí)驗
　　傳統(tong)測量孔(kǒng)闆流量(liàng)計壓力(li)損失的(de)方法[6]如(rú)圖2所示(shi),分别測(cè)出、兩點(diǎn)之間的(de)靜壓力(li),所得差(cha)值即爲(wèi)孔闆🐉壓(yā)力損失(shi)。爲了使(shi)模拟的(de)壓力是(shi)不可恢(hui)複性壓(ya)力,P1、P2兩點(dian)之間的(de)距離應(ying)盡量遠(yuan),在本模(mo)拟實驗(yàn)中管道(dao)直徑D=0.2m,P1、P2兩(liang)點之間(jian)的距離(li)取50D,即兩(liang)個測壓(yā)點相距(jù)10m遠,模👣拟(nǐ)結果如(rú)表2所示(shì)。


3内(nei)錐流量(liang)計與孔(kong)闆流量(liàng)計壓力(li)損失比(bǐ)較
　　對于(yú)孔闆流(liú)量計的(de)壓力損(sun)失,用(ISO5167-2:2003)給(gei)出的計(ji)算公式(shì)進行😘計(ji)算,計算(suan)結果與(yu)内錐流(liú)量計壓(ya)力損失(shī)的模拟(nǐ)實驗結(jié)🐕果進行(hang)比較。爲(wèi)了更好(hǎo)地對内(nèi)錐流量(liàng)計的壓(ya)力💞損失(shī)與孔闆(pan)的壓力(lì)損✔️失進(jìn)行比較(jiao),選擇了(le)有效流(liú)通面積(jī)相同的(de)内錐流(liu)量計和(he)孔🔞闆流(liu)量計進(jìn)行比較(jiao),這樣的(de)比較才(cai)有意義(yì)[7]。
　　内錐流(liú)量計錐(zhui)體最大(da)截面圓(yuán)的直徑(jìng)是dv=0.152m,流量(liàng)計的直(zhí)徑D=0.2m,管道(dao)👅截面面(miàn)積Sc=0.031m2,有效(xiào)流通面(mian)積爲Sv=0.013m2。将(jiāng)内錐流(liú)量計的(de)有效流(liú)通面積(jī)轉換爲(wèi)孔的面(mian)積,則對(dui)應的有(yǒu)效孔徑(jing)βv比爲

　　取(qu)孔闆流(liú)量計與(yu)内錐流(liu)量計有(yǒu)效孔徑(jìng)比最接(jiē)近🙇‍♀️的值(zhi)βo=0.65。根據Reader-Harris[8]給(gei)出的流(liu)出系數(shù)的計算(suàn)公式,求(qiú)得平均(jun)✂️流出系(xi)數C=0.61。在2003年(nián)實施🏃‍♀️的(de)孔闆流(liu)量計的(de)國際标(biāo)準(ISO5167-2:2003)中,壓(ya)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(suan)壓力損(sǔn)失Δpo的公(gong)式爲

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

圖3反映(yìng)了由式(shì)(4)計算出(chū)的在不(bú)同流速(su)下孔闆(pǎn)流量☀️計(ji)的壓力(li)損失曲(qu)線和内(nei)錐流量(liàng)計壓力(lì)損失的(de)實驗結(jié)果。

　　從圖(tú)3可以看(kan)出,在流(liu)通面積(jī)一定的(de)情況下(xià),孔闆的(de)壓㊙️力✂️損(sǔn)♊失要大(da)于内錐(zhui)流量計(ji),并且随(suí)着流速(sù)的增加(jia)而增加(jiā)。表3列出(chū)了在不(bu)同流速(sù)下,孔闆(pan)流量計(jì)與内錐(zhui)流量計(jì)的壓力(lì)損😘失,其(qí)中✉️n爲孔(kong)闆流量(liàng)計與内(nèi)錐流量(liang)計👈壓力(lì)損失的(de)比值。

4内(nèi)錐流量(liang)計與孔(kǒng)闆流量(liàng)計能耗(hào)的比較(jiao)
4.1計算動(dòng)力與能(neng)量消耗(hào)和年耗(hao)能費
對(duì)于液體(tǐ),可采用(yong)以下的(de)計算公(gong)式[9]
P′=Δp·v·S/η
式中(zhong)P′———所需要(yào)的功率(lǜ),kW;
Δp———壓損損(sǔn)失,kPa;
v———工況(kuang)下的流(liú)體的速(sù)度,m/s;
S———管道(dao)的橫截(jie)面積,m2。
計(jì)算年耗(hao)能費
Co=P′。t·X
式(shì)中Co———年耗(hao)能費,元(yuán);
t———運行時(shi)間,h;
X———電價(jia),元/kW。h。
　　由于(yu)孔闆前(qian)後都有(you)大旋渦(wō),在大幅(fu)值脈動(dong)壓力的(de)背景噪(zào)聲條件(jian)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(xiào)的流量(liang)測量。因(yīn)此孔闆(pǎn)的壓力(li)損失必(bì)然增大(da)。
　　由于内(nèi)錐流量(liang)計測量(liang)壓差的(de)背景噪(zao)聲小,可(kě)以檢測(ce)出較小(xiao)的❌壓差(cha),因此内(nei)錐流量(liàng)計的壓(yā)損必然(rán)比孔闆(pan)的壓損(sun)小,年耗(hao)❤️能費🏃‍♂️也(ye)小。
4.2舉例(lì)分析
　　提(tí)到的内(nei)錐流量(liàng)計與孔(kǒng)闆流量(liang)計爲例(lì)，工業電(diàn)價爲1元(yuan)/kW·h,做出它(ta)們的年(nián)耗能費(fei)比較圖(tu),如圖4所(suǒ)示。

　　從(cong)圖中可(kě)以得到(dao),随着流(liu)速的增(zeng)加内錐(zhui)與孔闆(pǎn)流量計(ji)年耗🌈能(neng)費也逐(zhú)漸增大(da),而孔闆(pǎn)流量計(jì)的年耗(hao)能費要(yao)大于内(nèi)錐流量(liang)計的年(nian)耗能費(fèi)。這是因(yīn)爲内錐(zhuī)流量計(ji)的壓力(lì)損失比(bi)孔闆的(de)壓力損(sǔn)失小得(de)多,年耗(hao)能費用(yong)可大大(da)減少。流(liu)量計口(kou)徑越大(da),流速越(yue)大,則内(nei)錐流量(liàng)計節能(néng)效果越(yue)顯著,投(tóu)資回收(shōu)期也就(jiu)越短。
　　圖(tu)5表示的(de)是内錐(zhuī)流量計(ji)相對比(bǐ)孔闆流(liu)量計可(ke)以🐆節約(yuē)的年耗(hào)能費用(yong),随着流(liú)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(li),内錐流(liu)量計的(de)年節約(yuē)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(guò)CFD數值模(mó)拟的方(fāng)法,模拟(nǐ)了成品(pin)油管道(dao)中内錐(zhuī)流量計(jì)的壓力(lì)損失,同(tong)時與孔(kong)闆流量(liang)計比較(jiao),得到了(le)如下結(jié)論:
(1)内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失比(bi)孔闆流(liu)量計小(xiao),如果保(bao)證兩種(zhǒng)流量📧計(ji)的有效(xiào)流通面(mian)積相同(tóng),那麽内(nèi)錐流量(liàng)計的壓(ya)💞力損失(shī)是孔闆(pǎn)流量計(ji)的三分(fen)之一還(hái)要小一(yī)些。
(2)通過(guò)技術經(jing)濟分析(xi)可以明(ming)顯地看(kan)出:内錐(zhuī)流量計(ji)相比與(yu)孔闆流(liu)量計,可(kě)以節約(yue)很多的(de)能耗,符(fu)合國📐家(jiā)的節能(néng)減排長(zhǎng)期發展(zhan)🔞方針政(zheng)策。

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