差壓式(shì)孔闆流量計縮徑(jing)管流場數值 發布(bu)時間:2025-12-15
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(liu)體條件和檢測件(jian)與管道的幾何尺(chi)寸來測量流量的(de)儀表。DPF是基于流體(ti)流動的節流原理(li)✌️,利用流‼️體流經節(jiē)流裝置時産生的(de)壓力差而實現🌍流(liú)量測量,是目前生(sheng)産中測量流量最(zui)成💃🏻熟、最常用🏃🏻的方(fang)法之一[1]。DPF的發展曆(li)史已逾百年,至今(jin)已開發出👣來的差(chà)壓式流量計超過(guò)30多種,其中應用最(zui)普遍、最具代表性(xìng)的差壓💰式流量👉計(ji)有4種: 孔闆流量計(jì) 、經典文丘裏管流(liu)量計、 環形孔闆流(liu)量計 和 V 錐流量計(ji) (見圖1)。 關于差(cha)壓式流量計的數(shu)值模拟已有數十(shí)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(jīng)驗計算公式,進行(háng)縮徑管段的流場(chǎng)數值;通過分析影(yǐng)響内部流場的主(zhǔ)要因素,探讨設計(ji)參數的變化規律(lǜ)及可能存在的問(wen)題(沉積、沖蝕等),從(cóng)㊙️而爲工☀️程實際🌈提(tí)供實💃質性的建議(yì)與指導。 1差壓式流(liu)量計流動水力特(te)性 1.1基本方程推導(dǎo) 對于定常流動,在(zài)壓力取值孔所在(zai)的兩個截面(截面(miàn)A和B)處滿☀️足🔞質量守(shǒu)恒及能量守恒方(fāng)程[4]。在充分紊流的(de)理想♻️情況🈲下,流體(ti)流動連續性方程(cheng)和伯努利方程分(fèn)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(jié)面A,B處的流速,m/s d'———縮徑(jìng)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(yóu)式(1),(2)基本方程可得(de): 式中 μ———收縮系數 d———縮(suo)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(zhi)量流量,kg/s ε———流體膨脹(zhàng)系數 Δp———差壓,Pa D和D/2取壓(yā)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(ji) 孔闆流量計是最(zuì)普遍、最具代表性(xing)的差壓式流量計(ji)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(hua)工、電力♈、冶金、輕工(gōng)等。 計量功能的實(shí)現是以質量、能量(liang)守恒定律爲基礎(chǔ)。其内🛀🏻部流場流動(dong)特性如圖2所示。輸(shu)送介質充滿管道(dao)後,當流經縮徑管(guǎn)段時,流束将受節(jiē)流作用局部收縮(suo),壓能部分轉變爲(wei)動能同時形成流(liu)體加速帶,從而縮(suō)徑孔前後便産生(shēng)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(yǐ)通過壓降值的監(jiān)測🈲,結合式(8)來測定(ding)🤩流體流量的大小(xiǎo)。孔闆流量計的取(qu)壓方式有3種:D和D/2取(qǔ)壓、法蘭取壓及角(jiao)接取壓。選取D和D/2取(qǔ)壓的孔闆流量計(jì)(見圖3)展開其内部(bu)流場的數值模拟(nǐ)與🚩理論編程計算(suàn)。 2基于(yu)ANSYS-CFX的标準孔闆流量(liàng)計數值模拟 2.1建模(mó)算例 2.1.1幾何建模 如(ru)圖3标準孔闆流量(liang)計的D和D/2取壓結構(gou),選取Solidworks軟件進行建(jian)模[5],建立如下模型(xíng):管内徑100mm,縮徑孔直(zhi)徑40mm(截面比爲0.4),縮🍓徑(jing)孔厚度3mm,所建模型(xing)如圖4所示。 2.1.2網格劃(hua)分 選取ICEMCFD軟件對所(suo)建立的幾何模型(xíng)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(wǎng)格進行局部加密(mi)及網格質量處理(lǐ);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(kuo)大率爲1.2;從面開始(shǐ)增長的層數爲5);同(tong)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(jiao)爲理想網格。其結(jie)果如圖5所示🍓。 2.1.3前處(chu)理及求解計算 選(xuǎn)取全球第一個通(tōng)過ISO9001質量認證的CFD商(shang)用軟件CFX進行縮😍徑(jìng)管段流場數值模(mó)拟[7]。在其前處理模(mó)塊(CFX-Pre)中定義🈲流體介(jie)質🏃♂️爲水,流量爲0.5m3/h(此(ci)工況條件下的雷(lei)諾數爲🔱1804),采用入✂️口(kou)定流、出口定壓的(de)定🐅義模式🔱。近壁面(miàn)湍流采用标準壁(bì)面函數法。CFX求解器(qì)✂️(CFX-Solver)主要使用有限體(tǐ)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(xī) 經CFX後處理模塊(CFX-Post)處(chù)理,計算結果顯示(shì):流體流經縮徑孔(kǒng)⛱️時,經節流加速作(zuo)用,在縮徑孔下遊(yóu)形成一個沿軸向(xiàng)👄對稱的峰值速度(dù)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(qiang)區域出現在縮徑(jing)孔下遊,并呈現出(chu)兩個對稱的橢圓(yuán)形峰㊙️值帶(見圖7)。縮(suo)徑孔上遊及縮徑(jing)孔處的雷諾數分(fen)别爲1830,4790(即此時兩者(zhě)的流态分别處🤩于(yú)層流區、湍流區)。數(shu)值模拟的高低壓(ya)取值孔壓差爲13.56Pa,利(li)🏃🏻♂️用式(9)可計算求得(de)⭐流出系數爲0.6461,由經(jing)㊙️驗公式編程計算(suan)可得流出系數爲(wèi)0.6254,兩者💞計算誤差爲(wèi)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(nǐ)方法展開相應的(de)工作。 圖5計算區域(yu)及網格劃分示意(yì) 2.2标準孔闆流量計(jì)流場影響因素探(tan)讨 利用ANSYS-CFX數值模拟(ni)軟件,以上述所建(jian)模型爲基礎,對 标(biao)準孔闆流量計 縮(suō)徑管段的介質流(liú)動情況展開進一(yī)步的探讨。對流體(tǐ)流速、流🔆體粘度、縮(suō)徑孔闆厚度及截(jié)面比4個主要影響(xiang)因素進行數值模(mó)拟分析,針對流出(chū)系數計算變量,将(jiang)模拟結果與理論(lùn)公式編程✊計算結(jie)果進行對比。其中(zhong),理論編程計算依(yi)據遵循上述基本(ben)方程式(式(1)~(9))。 2.2.1不同流(liú)體流量(流速) 爲流(liu)量(流速)對縮徑管(guan)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(qu)水作爲㊙️流動🌈介質(zhì)。考慮到流🏃♀️體可能(neng)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(zhi)進行模拟與理論(lun)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(mó)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(zai)層流區),誤差基本(běn)⛷️控制在5%以内(層流(liú)區時誤差僅爲1.5%左(zuǒ)右),數值模拟流出(chū)系數值始終略大(dà)于編程計算值(見(jiàn)圖8)。編程計算顯示(shi),随着流量的增大(da),流出系數逐漸減(jian)小,在層流區遞減(jiǎn)㊙️速度較快;模拟結(jié)果顯示,在層流區(qu)及紊流區,流出系(xì)數随流量增大而(ér)降低,在過渡區,流(liu)出系數✊随流量的(de)增大而升高,由于(yú)過渡區流态的不(bú)确定性,摩阻系😄數(shù)同時受到粗糙度(dù)及雷諾數的作用(yong),在模拟工況🐪條件(jian)下呈現出此變化(huà)規律,對于其他模(mó)拟工況還需展🏒開(kāi)相關的論證。層流(liu)😍區流動系數的變(bian)化規律🈲主要取決(jué)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(qǐ)流出系數的顯著(zhe)變化。 2.2.2不同介質粘(zhan)度(流體介質) 爲介(jiè)質粘度對縮徑管(guǎn)段流場分布的影(ying)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(yǔ)編程計算分析。計(jì)算結果表明,随着(zhe)粘度的增大,數值(zhí)模拟與編程計算(suan)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(zhí)始終略大于編程(chéng)計算👉值,由于理論(lùn)計算式(ISO裏德哈裏(lǐ)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(ying)🙇🏻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(wu)差在5%以内,在低粘(zhan)度區的計算誤差(chà)較小(在3%以内)。表明(míng):流出系數與輸🐉送(sòng)介質的💋粘度緊密(mi)相關。 2.2.3不同縮徑孔(kong)厚度 爲縮徑孔厚(hòu)度對縮徑管段流(liú)場分布的影響,建(jiàn)立如下模型:管♉内(nèi)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(zhì)。按🚶标準孔闆流量(liàng)計的設計要求,此(cǐ)時縮徑孔的🙇♀️厚度(du)範圍爲0~6mm。以1mm爲增量(liang)台階,選取7個♋縮徑(jìng)孔厚🐉度進行數值(zhí)模拟與♍編程計算(suan),如表3所示⛱️。 計算結(jie)果表明,随着縮徑(jìng)孔厚度的增大,編(biān)程計算的流出系(xi)數基本不變,這是(shi)由于,對于給定的(de)孔闆✏️流量計結構(gou),在❄️計算流出系數(shu)時其隻考慮了截(jié)面比及雷諾數,不(bú)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(hou)度的增大而增♌大(dà)(見圖10)。這是由于,當(dāng)縮徑孔厚度增大(dà)🛀時,流體流經縮徑(jìng)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(yuè)長,由能量守恒可(ke)知,此時低壓取值(zhí)孔的壓力🌂值将進(jìn)一步下降💋,從而使(shǐ)得計算壓差變大(da),故流出系數呈現(xiàn)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(jié)面比(直徑比) 爲縮(suō)徑孔厚度對縮徑(jìng)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(xuǎn)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(wéi),如表4所示,選取了(le)0.15~0.75範🤟圍内的13種截面(mian)比進行數值模拟(ni)與編程計算對比(bi)分析。 計算結果表(biao)明,在編程計算中(zhōng),流出系數随截面(miàn)比的✍️增大🔆而增大(dà),上升幅度較爲均(jun)勻;在數值模拟中(zhōng)🈲,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(shí),流出系數随截面(miàn)比的增大而⭐增大(dà)(見圖11)。數值模拟流(liú)出系數值始終略(lue)大于編程計算值(zhí),計算誤差基本控(kong)🌈制在10%以内,随着截(jié)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(fèn)速度及紊流強度(du)将增🔴強,爲了驗證(zhèng)這一現象,如圖12所(suǒ)示,在管流中添加(jiā)了一定濃度的固(gu)相顆粒,追蹤固🏃相(xiàng)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(ding)值時,部分固相顆(ke)粒在縮徑孔下遊(yóu)處沿徑向進行較(jiào)大強🐇度的紊流運(yun)動。此現象的存在(zài)使得下遊的速度(du)帶、渦流帶及壓力(lì)分布不再那麽規(guī)律,從而🔅影響流出(chū)系數的變化規律(lǜ)🛀🏻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(wei)标準孔闆流量計(jì)運用于多相流領(ling)域中所存在的☂️管(guan)段沖📞蝕問題,建立(li)如下模型進行探(tàn)讨[8-12]:模拟示例以稀(xi)相氣固兩相流爲(wei)☔基礎,氣相選取天(tiān)然氣,氣速爲10m/s,球形(xing)固相顆粒直徑50μm,密(mì)度2500kg/m3,固相流量4kg/h,所建(jiàn)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(jìng)孔♋上遊較爲均勻(yún)地沉積于管段底(di)部,流經縮徑孔受(shòu)節流加速作用,形(xing)成一個峰值⁉️速度(dù)帶,如圖13所示;固相(xiàng)顆粒對管段的✏️最(zuì)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(zhí)觀地得⛱️到縮徑管(guǎn)段内部流場分布(bù)。數值模拟的流出(chu)系數值與基于✍️理(lǐ)論公式編程計算(suan)值誤差小、吻合度(dù)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(ti)種類)、縮徑孔厚度(dù)及截面比(直徑比(bǐ))。結果表明,随着流(liu)量的增大,流出系(xì)數逐漸減小,在層(céng)🈲流區域減小速度(du)快;流體粘度、縮徑(jìng)孔厚度的增大均(jun)會使得流出系數(shu)增大;當👈截面比較(jiào)小時,流出系數随(sui)其增大而減小,當(dāng)截面比較大時,流(liu)出系數随其增大(dà)💃🏻而增大。 (3)借助ANSYS-CFX數值(zhí)模拟手段,可以輔(fu)助發現理論公式(shì)計算所無法得到(dào)的一些現象。如:當(dang)截面比小到一定(ding)程度時,流體在縮(suo)徑孔下遊的徑向(xiàng)速度場及湍流強(qiang)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(mó)拟中可以發現,管(guǎn)段的最大沖蝕區(qū)域不是⁉️發生在縮(suo)徑孔闆上,而是在(zai)其下遊管段的某(mou)一管🐉内壁的頂部(bù)。從而🆚針對發現的(de)現象可以展開相(xiàng)應的理論技術🥵。 (4)數(shù)值模拟計算流出(chū)系數值始終大于(yu)理論編程計算值(zhí)。
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