摘要:針(zhēn)對速度(dù)分布的(de)不對稱(chēng)性對均(jun1)速管流(liu)量計 測(ce)量精度(du)影響的(de)問題，利(lì)用計算(suàn)流體力(li)學(CFD)軟件(jiàn)，對均♊速(sù)💞管流量(liàng)🔆計的内(nèi)部流場(chang)進行了(le)3D數值模(mó)拟。采用(yòng)有限體(ti)積法，引(yin)🤩人标準(zhǔn)k-ensilon湍流模(mo)型對控(kong)制方程(chéng)進行離(lí)散和求(qiú)解，得出(chu)了均速(su)管流量(liang)計在彎(wān)管後不(bú)同直管(guan)段位置(zhi)和不同(tong)流速條(tiáo)件下的(de)流場動(dòng)力學參(cān)數;利用(yòng)得到的(de)差壓模(mó)拟數據(ju)計算得(de)出流量(liàng)系數，并(bìng)對測量(liàng)精度💁進(jìn)行了分(fèn)析。
引言(yán)
　　均速管(guǎn)流量計(ji)是基于(yu)皮托管(guan)流量計(jì)發展起(qi)來的一(yī)種新型(xíng) 差壓式(shì)流量計(ji) ，其目的(de)是爲了(le)克服皮(pí)托管流(liú)量計因(yin)單點取(qǔ)樣而對(dui)🌈管内速(sù)度分布(bù)對稱性(xing)的嚴格(gé)要求。通(tong)過采用(yong)如💜圖1所(suǒ)示的在(zài)近管壁(bì)處的多(duō)點取壓(ya)方法，均(jun1)速管流(liú)量計可(kě)以應用(yòng)于非對(dui)稱性流(liu)速分布(bu)管段的(de)流量測(cè)量，适用(yòng)💜範圍更(geng)大，測量(liang)精度也(ye)有所提(tí)高。因其(qi)結構簡(jian)單，安裝(zhuang)方便，價(jià)格低和(he)節能的(de)優🏃點，現(xian)已被廣(guǎng)♋泛的應(ying)用于冶(yě)金、石化(hua)等工業(ye)計量中(zhong)。
 
　　圖2所示(shi)爲均速(su)管流最(zui)計檢測(cè)杆的橫(heng)截面，其(qí)均壓原(yuán)理👣是湧(yǒng)過💰分布(bu)幹管壁(bì)附近的(de)多點取(qǔ)壓孔..将(jiang)壓強引(yin)入檢測(ce)杆🙇🏻内部(bù)🚶‍♀️的均壓(ya)腔，迎流(liú)面取壓(yā)孔.引人(ren)高壓(沖(chong)壓)，側面(mian)取壓孔(kong)引入低(dī)壓(靜壓(ya))，引入的(de)各點壓(yā)強在均(jun)壓腔内(nèi)平均後(hou)被引壓(ya)管引出(chu)。
 
　　均速管(guan)流量計(jì)測量原(yuán)理遵循(xun)伯努利(lì)方程，設(shè)均速管(guan)🔴流量計(ji)檢測杆(gan)迎流取(qǔ)壓孔處(chu)速度爲(wei)U,(m/s)，壓力爲(wei)P1(Pa)，檢測杆(gan)側流取(qu)壓孔.處(chu)的流速(su)爲U2(m/s)，壓力(li)爲P2(Pa)，忽略(lue)摩擦阻(zu)力，流體(ti)高度差(cha)等因素(sù)♍，可得到(dào):
 
　　其中流(liu)量系數(shu)K由多種(zhǒng)因素共(gòng)同影響(xiǎng)，是測量(liàng)探頭🤩速(sù)度系數(shù)、被測管(guǎn)道速度(dù)分布修(xiū)正系數(shù)和管道(dào)安裝幹(gàn)擾系數(shù)三❄️部分(fen)的乘🈲積(jī)4。其中速(su)度系數(shu)可看作(zuo)㊙️流量計(jì)在均勻(yun)流場中(zhōng)流速與(yu)🔱輸出差(cha)壓之間(jian)關系的(de)修正;速(sù)度分布(bu)系💜數是(shì)管道内(nèi)處幹充(chong)分發展(zhan)流動時(shí)流速分(fèn)布對平(ping)均速度(du)測量影(yǐng)響的修(xiū)正;系數(shu)則是現(xiàn)場安🔱裝(zhuang)🏃‍♀️條件對(dui)流量測(ce)量影響(xiǎng)的修正(zhèng)1。流量系(xi)數K的準(zhǔn)确與否(fou)❓會直接(jie)影響流(liú)最🤩測量(liang)的精度(du)。工程應(ying)用時都(dou)是通過(guo)實驗标(biao)定作爲(wei)固定值(zhí)應用于(yú)實際測(ce)量。
　　均速(su)管流量(liàng)計取樣(yang)具有實(shí)際意義(yi)的前提(ti)是管道(dao)㊙️内的速(su)度分布(bù)是對稱(cheng)穩定的(de)充分發(fa)展湍流(liu)，各個🔞取(qǔ)壓🏃‍♂️孔的(de)速度算(suàn)數🌈平均(jun1)值近似(sì)等于管(guǎn)道截面(miàn)的平均(jun)速度"，這(zhè)是插入(ru)式均速(su)流㊙️量計(ji)的測量(liàng)精度取(qǔ)決于管(guǎn)道内流(liú)速分布(bù)的特點(diǎn)。--般而言(yan)，完全對(dui)稱的⛱️速(su)度分布(bu)是最理(lǐ)想的，但(dan)在應用(yong)過程中(zhong)受實際(jì)情‼️況的(de)限制，并(bing)⚽不能保(bǎo)證有足(zú)夠🆚長的(de)直管段(duan)使流動(dòng)達到充(chong)分發展(zhǎn)，在現場(chang)直🌍管段(duàn)長度👣較(jiao)短、上遊(you)又有彎(wan)💚管阻件(jiàn)導緻流(liu)速分布(bù)複雜時(shí)，測量💋誤(wu)🔞差會較(jiào)大。
　　爲了(le)更深人(ren)地了解(jie)管内流(liú)速分布(bù)特點對(duì)流量系(xi)數的影(yǐng)響，本㊙️文(wén)對處幹(gan)彎管後(hòu)不同直(zhi)管段位(wèi)置和不(bú)同👣流速(sù)🚶‍♀️條件下(xia)的均速(su)流量計(ji)内部流(liú)場進行(háng)了數值(zhí)模拟，并(bing)分🔞析了(le)管内速(sù)度分布(bù)對均速(sù)管流量(liang)計的測(ce)量精度(du)的影響(xiǎng)。
1.數值模(mó)拟
1.1物理(li)模型和(hé)數值方(fāng)法
　　計算(suan)洗擇檢(jiǎn)測杆有(you)效長度(dù)爲200mm的彈(dan)頭狀威(wēi)力巴均(jun1)速管流(liu)量計爲(wei)物理模(mo)型;垂直(zhí)于管道(dào)中心線(xiàn)、彎管平(píng)面🏃‍♂️插入(rù);三對取(qu)壓❓孔按(an)照切比(bǐ)雪夫法(fǎ)分布[6l;陽(yáng)塞比爲(wèi)8.9%，可忽略(lue)檢測杆(gan)對♍管道(dào)内流速(su)的影響(xiang);工作介(jiè)🏃質爲常(cháng)溫空氣(qi)，密度爲(wei)1.225ke/m3，運動黏(nián)度爲1.7894x10-5;彎(wan)管前直(zhí)管段L0=20D，彎(wan)管後直(zhí)管✍️段長(zhǎng)度L1=4D~11D，均速(su)管流量(liang)計後直(zhí)管段長(zhang)度爲L2=5D,圖(tu)3所示爲(wei)計算域(yu)彎管平(píng)面示意(yì)圖，流速(sù)範圍爲(wèi)6~30m/s,對應的(de)雷諾數(shu)範圍是(shi)0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前(qian)處理軟(ruǎn)件ICEM對計(ji)算區域(yu)進行網(wang)格劃分(fèn)，采用非(fei)均勻網(wǎng)格，并對(dui)網格進(jìn)行優化(hua)，檢測杆(gan)内部空(kōng)腔采用(yòng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻較密集(ji)的網格(ge)，最小網(wǎng)格尺寸(cun)爲0.2mm，對靠(kào)近流量(liang)計的一(yi)-段管道(dao)進行加(jia)密最小(xiao)網格尺(chǐ)寸爲1mm，以(yi)保證數(shù)值模拟(nǐ)的精度(du)圖4是整(zheng)個流場(chang)的三維(wei)仿真模(mó)型示意(yì)圖。
 
　　用Fluent流(liú)體力學(xue)軟件進(jin)行數值(zhi)模拟，用(yong)有限體(ti)積法對(dui)❗控制方(fang)程😘進行(háng)離散，模(mó)型選用(yong)标準k-eDsilon湍(tuān)流模型(xing)，近壁㊙️區(qū)采用标(biao)準壁面(mian)函數法(fa)，入口條(tiao)件采用(yong)Velocitv-inlet，出口條(tiáo)件采用(yòng)Pressure-outlet。
1.2控制方(fang)程和湍(tuān)流模型(xíng)
　　求解各(gè)個算例(li)的的流(liu)體動力(li)學特性(xing)可以用(yong)流體力(li)學基📧本(ben)方🐇程14.71.
連(lián)續性方(fāng)程爲:
 
 
式(shi)中，Umax是管(guan)道中心(xīn)速度，r是(shi)管道内(nèi)部任意(yì).點距離(li)管中心(xin)的♊距🌈離(li)，R是管道(dao)半徑，指(zhi)數n與雷(léi)諾數Re有(you)關。
1.4仿真(zhen)結果和(he)讨論
　　在(zai)不同直(zhi)管段位(wèi)置和不(bu)同流速(sù)的條件(jian)下，引用(yong)标準🔞k-ε模(mó)型，模拟(nǐ)得出了(le)均速管(guan)流量計(ji)附近的(de)速度場(chang)和壓力(lì)場🔴。
　　圖5所(suǒ)示是入(rù)口流速(sù)爲15m/s的條(tiao)件下，直(zhí)管段内(nèi)充分發(fa)展⚽的湍(tuān)流👄(L0=0，無彎(wan)管附件(jiàn)，L;=20D，L2=5D)的模拟(nǐ)結果。由(you)速度雲(yún)圖(圖5a)看(kàn)出，在流(liu)量計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼迎(ying)流面上(shàng):沒有開(kāi)孔.的位(wèi)置，流速(su)驟✨然下(xia)降并接(jie)近幹零(ling)，在取壓(yā)孔處的(de)速度雖(sui)然有所(suo)下降，但(dan)并不爲(wei)零。根據(ju)充分發(fā)🈲展湍流(liú)的💘速度(du)分布🌈可(kě)知，管中(zhong)心處的(de)速度最(zuì)✊大，檢測(cè)杆上半(bàn)部的三(san)個取壓(ya)孔的速(sù)度分别(bie)爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示(shì)總壓腔(qiāng)内的流(liú)體不是(shi)靜止的(de)，流體從(cong)中🌈心附(fu)近的兩(liǎng)個取㊙️壓(yā)口流人(rén)，從近壁(bì)處的取(qu)壓刊.流(liu)出。檢測(cè)杆下半(bàn)部的三(sān)個取壓(ya)孔的流(liu)速分别(bie)爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shang):半部分(fen)基本對(duì)稱。壓力(lì)雲圖(圖(tú)🔴5b)則顯示(shì)了檢測(cè)杆内部(bù)壓力的(de)差異。壓(ya)腔内的(de)壓力是(shi)由取壓(ya)孔💋引人(ren)的壓力(li)🈲平均之(zhi)後得到(dao)的結果(guǒ)，總壓腔(qiāng)是正高(gāo)壓，爲184.233Pa，靜(jing)壓腔✔️是(shì)負‼️低壓(ya)，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給(gei)出了直(zhi)管段充(chong)分發展(zhǎn)湍流條(tiáo)件下，均(jun)速管流(liu)量計前(qian)0.25D處的縱(zong)軸截面(miàn)上.的速(su)度分布(bù)，可以看(kàn)出在此(ci)情形下(xia)🐕的湍流(liu)流形是(shi)對稱的(de)、均勻的(de)。
 
　　對幹受(shòu)彎管影(yǐng)響的湍(tuan)流(Lo=20D，有彎(wan)管附件(jian)，L1=4D~11D，L2=5D)的情況(kuàng)，圖7給出(chu)的是入(rù)口速度(du)爲15m/s時均(jun1)速管流(liu)量計處(chù)幹彎管(guǎn)後4D位置(zhì)的模拟(ni)結果的(de)雲圖。從(cóng)速度雲(yún)圖(圖7c)看(kàn)出速度(dù)分布明(ming)⭐顯不對(dui)稱。靠近(jìn)管中心(xīn)💁的取壓(yā)孔附近(jìn)的流速(su)分别爲(wei)4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近(jin)管壁的(de)取壓孔(kǒng)附近的(de)🈲流速爲(wei)-1.123m/s、-1.339m/s;由取壓(yā)孔引入(ru)的壓力(li)也出現(xiàn)了較大(da)變🔴化，總(zong)壓腔内(nèi)壓強爲(wèi)172.492Pa，靜壓腔(qiāng)爲--44.958Pa。雲圖(tu)也展示(shì)了速度(du)和壓強(qiang)的等♻️值(zhí)區域受(shou)彎管影(yǐng)響而産(chan)生的變(biàn)化。
 
　　處幹(gàn)彎管後(hou)的均速(su)管流量(liang)計前0.25D處(chu)縱軸截(jie)面上的(de)速度分(fen)布♉如圖(tu)8所示。縱(zòng)坐标爲(wei)縱軸截(jié)面徑向(xiàng)t點的位(wei)置🈲，橫坐(zuò)🔴标爲各(ge)點的速(sù)🏃‍♀️度，曲線(xiàn)代表了(le)均速管(guan)流🌈量計(ji)處于彎(wān)管後不(bu)同位置(zhi)時💃測量(liang)的🔴流體(tǐ)的速度(du)分布。可(kě)以很明(ming)顯看出(chu)在彎管(guan)🐉下遊有(you)很♻️長一(yī)段範🛀圍(wéi)内，速度(dù)分布是(shì)中間低(di)，兩側高(gao)，中間的(de)速度逐(zhu)步增大(da)，到11D處仍(reng)然是外(wai)側的速(su)度大于(yu)内側的(de)速度，之(zhī)後再繼(ji)續發展(zhǎn)。
 
　　表1列出(chu)的是根(gen)據模拟(nǐ)的差壓(yā)數據計(ji)算得到(dao)的均🧑🏽‍🤝‍🧑🏻速(su)管流量(liang)計♌的流(liú)量系數(shù)K。可以看(kan)出，處幹(gàn)彎管後(hou)的均速(sù)管流量(liàng)計測得(de)的流🈲量(liang)系數與(yǔ)對稱分(fen)布的充(chōng)分發展(zhǎn)湍流下(xia)🤟得到的(de)流量系(xi)數存在(zài)一-定的(de)偏差，表(biao)明管内(nei)速度分(fèn)布的不(bu)均勻性(xìng)對測量(liàng)精度的(de)影🏃🏻‍♂️響，在(zai)實際應(ying)用中應(ying)該加🚩以(yǐ)修正。
 
　　圖(tú)9是不同(tóng)流速條(tiáo)件下，檢(jiǎn)測杆位(wèi)于彎管(guan)後4D~11D距離(lí)時的流(liu)最☂️系數(shu)的模拟(ni)結果。可(ke)以發現(xian)，有彎管(guǎn)影響時(shí)的流量(liang)系數均(jun)🌈高于充(chōng)分發展(zhǎn)湍流情(qíng)形下的(de)值，這是(shi)速度分(fen)布的🥵不(bú)對稱性(xing)導緻的(de)結果。因(yīn)此，在均(jun1)速管流(liú)量計的(de)應用上(shang)，當測量(liàng)位置處(chu)于彎管(guǎn)後一定(ding)的距離(li)内，應對(duì)流量系(xì)數進行(hang)修正，否(fou)則導緻(zhì)測量結(jie)果的偏(pian)差。
 
2結語(yǔ)
　　本文對(dui)彎管後(hou)不同直(zhi)管段位(wei)置和不(bu)同流速(sù)下的均(jun1)速管流(liú)🔞量🔴計的(de)流場進(jin)行了三(san)維數值(zhi)模拟，模(mó)拟得出(chū)了不🏃🏻‍♂️同(tóng)情況下(xia)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼檢測杆(gan)内部的(de)流動情(qíng)況和管(guǎn)内速度(du)分布的(de)不對稱(cheng)性對均(jun1)速管流(liu)量計測(cè)量的影(ying)響。得出(chū)了以下(xià)結🌂論:
1)均(jun)速管流(liú)量計垂(chuí)直安裝(zhuang)幹彎管(guǎn)平面後(hou),在彎管(guan)後👈4D~11D這🏃🏻段(duàn)🈲距離内(nèi)，檢測杆(gan)前縱軸(zhóu)截面上(shàng)的速度(dù)呈現出(chū)👌“中間低(dī)，兩邊高(gao)”的規律(lü)。
2)彎管引(yin)起的管(guǎn)内速度(dù)分布的(de)不對稱(cheng)性對流(liú)量測🈚量(liàng)精度的(de)影響大(da)，建議對(dui)彎管後(hòu)11D内安裝(zhuang)的流量(liàng)計🐉進行(hang)流量系(xi)數修正(zhèng)。

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