摘(zhai)要:針(zhen)對速度分(fen)布的不(bu)對(dui)稱性對均速管(guan)流量(liang)計 測量精度影(ying)響的(de)問題(ti)，利用(yong)計算流(liu)體力學(xue)(CFD)軟件(jian)，對(dui)均(jun)速管(guan)流量計的内部(bu)流場進(jin)行了3D數(shu)值模拟。采(cai)用有(you)限體(ti)積(ji)法，引人(ren)标準k-ensilon湍(tuan)流(liu)模型對控(kong)制(zhi)方程進(jin)行離散和求解(jie)，得出了均速管(guan)流量計在(zai)彎管後不(bu)同(tong)直(zhi)管段(duan)位置(zhi)和不(bu)同流(liu)速條(tiao)件(jian)下的流(liu)場動力學參數(shu);利用(yong)得到(dao)的差(cha)壓模(mo)拟(ni)數據計(ji)算得(de)出(chu)流(liu)量系(xi)數，并對測量精(jing)度進行了(le)分析(xi)。
引言(yan)
　　均速管流(liu)量計(ji)是基(ji)于皮(pi)托管流量(liang)計發展起來的一種(zhong)新型 差(cha)壓(ya)式流(liu)量計(ji) ，其目的是(shi)爲了克服皮托(tuo)管流(liu)量(liang)計因單(dan)點取樣而對管(guan)内速(su)度分布對(dui)稱性(xing)的嚴(yan)格要(yao)求。通(tong)過采用如(ru)圖1所(suo)示的在近管壁(bi)處(chu)的多點(dian)取壓方(fang)法(fa)，均速(su)管流(liu)量計可以(yi)應用于非對稱性流(liu)速(su)分布管(guan)段的(de)流量(liang)測量(liang)，适用(yong)範(fan)圍(wei)更大(da)，測量精度也有所提高(gao)。因(yin)其結(jie)構簡(jian)單，安裝方便，價格(ge)低和節(jie)能的優點(dian)，現已被廣(guang)泛(fan)的應用(yong)于冶金(jin)、石(shi)化等(deng)工業計(ji)量(liang)中。
 
　　圖(tu)2所示(shi)爲均(jun)速管流最(zui)計(ji)檢測杆(gan)的橫截面，其均(jun)壓原理是湧過(guo)分布(bu)幹管壁附近的(de)多點(dian)取壓(ya)孔..将壓強(qiang)引入檢測(ce)杆(gan)内部的(de)均壓腔，迎(ying)流面(mian)取壓(ya)孔.引人高(gao)壓(沖壓)，側面取(qu)壓孔(kong)引入低壓(ya)(靜壓)，引(yin)入(ru)的各(ge)點壓(ya)強在(zai)均壓(ya)腔内平(ping)均後被引壓(ya)管引(yin)出。
 
　　均(jun)速管流量計測量原理遵循伯(bo)努利方程，設均(jun)速管(guan)流量(liang)計檢(jian)測杆(gan)迎流(liu)取壓孔處(chu)速度爲U,(m/s)，壓(ya)力爲(wei)P1(Pa)，檢測杆側(ce)流取壓(ya)孔(kong).處的(de)流速爲U2(m/s)，壓(ya)力爲(wei)P2(Pa)，忽略(lue)摩擦阻力(li)，流體高度(du)差等(deng)因素，可得到:
 
　　其(qi)中流量系(xi)數K由多種(zhong)因素共同(tong)影響(xiang)，是測(ce)量探(tan)頭速(su)度系數、被(bei)測管道速(su)度分布修(xiu)正系數和(he)管道安裝(zhuang)幹擾(rao)系數(shu)三(san)部分的(de)乘積(ji)4。其中(zhong)速度(du)系數(shu)可看(kan)作流(liu)量計在(zai)均(jun)勻流(liu)場中(zhong)流速與輸(shu)出差壓之間關系的(de)修正;速度(du)分布系數是管(guan)道内(nei)處幹(gan)充分(fen)發展流動時流(liu)速分(fen)布(bu)對平均(jun)速度測(ce)量(liang)影響(xiang)的修(xiu)正(zheng);系數則(ze)是現場安裝條(tiao)件對流(liu)量(liang)測量(liang)影響(xiang)的修正1。流量系(xi)數(shu)K的準确(que)與否(fou)會直(zhi)接影(ying)響流最測量的(de)精度。工程應用時都是通過實(shi)驗标定(ding)作(zuo)爲固(gu)定值(zhi)應(ying)用(yong)于實(shi)際測(ce)量。
　　均(jun)速管流量(liang)計取樣具(ju)有實際(ji)意義的(de)前提(ti)是(shi)管(guan)道内(nei)的速度分(fen)布是對稱(cheng)穩定(ding)的充(chong)分發展(zhan)湍(tuan)流，各(ge)個取壓孔的速(su)度算數平(ping)均值近似(si)等(deng)于管道(dao)截面的(de)平(ping)均速(su)度"，這(zhe)是插入式(shi)均速流量計的(de)測量(liang)精度取決(jue)于管道内流速分布(bu)的特點。--般(ban)而言，完全對稱(cheng)的速(su)度(du)分布是(shi)最理想的(de)，但在(zai)應用過程中受(shou)實際情況的限(xian)制，并(bing)不能保證(zheng)有足(zu)夠長(zhang)的直管段使流(liu)動達(da)到充(chong)分(fen)發(fa)展，在(zai)現場(chang)直管段長(zhang)度較短、上遊又(you)有彎(wan)管阻件導(dao)緻流速分布複(fu)雜時(shi)，測(ce)量誤差(cha)會較(jiao)大。
　　爲了更(geng)深人(ren)地了解管(guan)内流速分(fen)布特點對(dui)流量系數(shu)的影響，本(ben)文對(dui)處幹彎(wan)管(guan)後不(bu)同直(zhi)管段位置(zhi)和不(bu)同流速條(tiao)件下的均(jun)速流(liu)量計(ji)内(nei)部(bu)流場(chang)進行了(le)數(shu)值模(mo)拟，并分析了管(guan)内速(su)度分(fen)布對(dui)均速管(guan)流(liu)量計(ji)的測量精(jing)度的影響。
1.數(shu)值模拟(ni)
1.1物理模型和數值方(fang)法
　　計(ji)算洗(xi)擇檢(jian)測杆(gan)有效長度爲200mm的彈頭(tou)狀威力巴(ba)均速管流(liu)量計(ji)爲物(wu)理模型;垂(chui)直于管道中(zhong)心線、彎(wan)管平(ping)面插(cha)入;三(san)對取(qu)壓(ya)孔按照(zhao)切比雪夫(fu)法分(fen)布[6l;陽(yang)塞比爲8.9%，可(ke)忽略檢(jian)測(ce)杆對管道(dao)内流速的(de)影響;工(gong)作(zuo)介質(zhi)爲常(chang)溫空氣，密(mi)度爲1.225ke/m3，運動(dong)黏度爲1.7894x10-5;彎(wan)管前直管(guan)段L0=20D，彎(wan)管(guan)後(hou)直管段長(zhang)度L1=4D~11D，均(jun)速管(guan)流量計後(hou)直管(guan)段長(zhang)度爲(wei)L2=5D,圖3所(suo)示爲計算域彎管平(ping)面示意圖(tu)，流速範圍爲6~30m/s,對(dui)應的(de)雷諾數範(fan)圍是0.822x105~4.11x105.
 
　　利用(yong)前處(chu)理軟(ruan)件ICEM對計算(suan)區域(yu)進行(hang)網格(ge)劃分(fen)，采用非均(jun)勻網格(ge)，并對網(wang)格進(jin)行(hang)優化，檢(jian)測杆内(nei)部(bu)空腔采用較密集的(de)網格(ge)，最(zui)小網格(ge)尺寸爲(wei)0.2mm，對靠近(jin)流量(liang)計的(de)一-段(duan)管道進行加密(mi)最小網(wang)格(ge)尺寸爲1mm，以保證數值(zhi)模拟的精(jing)度圖4是整個流場的(de)三維仿真模型(xing)示意圖(tu)。
 
　　用(yong)Fluent流體(ti)力學軟(ruan)件進行(hang)數值模(mo)拟(ni)，用有(you)限體積(ji)法(fa)對控制方程進行離(li)散，模型(xing)選用标(biao)準k-eDsilon湍流模型，近(jin)壁區(qu)采用(yong)标準(zhun)壁面函數法，入(ru)口條件采用Velocitv-inlet，出口條(tiao)件采用Pressure-outlet。
1.2控(kong)制方程和湍流模型
　　求解各個(ge)算例的(de)的流體(ti)動力學特性可(ke)以用(yong)流體(ti)力學(xue)基本(ben)方程14.71.
連續(xu)性方(fang)程(cheng)爲:
 
 
式中(zhong)，Umax是管(guan)道(dao)中(zhong)心速(su)度，r是(shi)管道(dao)内部(bu)任意(yi).點距離管(guan)中心的(de)距(ju)離，R是管道(dao)半徑(jing)，指數(shu)n與雷諾數(shu)Re有關(guan)。
1.4仿真(zhen)結(jie)果(guo)和讨(tao)論
　　在(zai)不同(tong)直管(guan)段位置(zhi)和(he)不同(tong)流速的條(tiao)件下(xia)，引用标準k-ε模型(xing)，模拟得出(chu)了均速管(guan)流量計附(fu)近的速度(du)場和(he)壓力(li)場。
　　圖5所示(shi)是入口流(liu)速爲(wei)15m/s的條件下，直管(guan)段内(nei)充(chong)分(fen)發展(zhan)的湍(tuan)流(L0=0，無彎管(guan)附件，L;=20D，L2=5D)的(de)模(mo)拟結(jie)果。由速度雲圖(tu)(圖5a)看出(chu)，在(zai)流量(liang)計迎流面上:沒(mei)有開孔.的位置(zhi)，流速驟(zhou)然(ran)下降(jiang)并接(jie)近(jin)幹(gan)零，在(zai)取壓(ya)孔(kong)處的速(su)度雖然有所下降，但并不爲零(ling)。根據充分(fen)發展(zhan)湍流的速(su)度分(fen)布可(ke)知，管中心(xin)處的(de)速度最大(da)，檢測杆上(shang)半部(bu)的三個取(qu)壓孔(kong)的速度分(fen)别爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示(shi)總壓腔内(nei)的流體不是靜(jing)止的(de)，流(liu)體從中(zhong)心附近的兩個取壓(ya)口(kou)流人，從(cong)近壁處的取壓(ya)刊.流(liu)出(chu)。檢(jian)測杆(gan)下半部(bu)的(de)三個取壓(ya)孔的(de)流速(su)分别(bie)爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與(yu)上:半部分(fen)基本對稱(cheng)。壓力(li)雲圖(圖5b)則(ze)顯示了(le)檢測杆(gan)内部(bu)壓力(li)的差(cha)異。壓腔(qiang)内的壓(ya)力是(shi)由取(qu)壓孔(kong)引人(ren)的壓(ya)力平(ping)均之(zhi)後(hou)得(de)到的(de)結果(guo)，總壓腔是(shi)正高壓，爲(wei)184.233Pa，靜壓(ya)腔是(shi)負(fu)低壓，爲(wei)-55.394Pa。
 
　　圖6給出(chu)了(le)直管段充(chong)分發展湍(tuan)流條件下(xia)，均速管流(liu)量計前0.25D處(chu)的縱軸截面上.的速(su)度分布，可(ke)以看(kan)出(chu)在(zai)此情(qing)形下的(de)湍(tuan)流流(liu)形是對稱的、均(jun)勻的(de)。
 
　　對(dui)幹受彎(wan)管影響的(de)湍流(liu)(Lo=20D，有彎(wan)管附(fu)件，L1=4D~11D，L2=5D)的(de)情況，圖(tu)7給出的(de)是入(ru)口速度爲(wei)15m/s時均速管(guan)流量計處(chu)幹彎管後(hou)4D位置(zhi)的模(mo)拟結果的雲(yun)圖。從速(su)度雲圖(tu)(圖7c)看出(chu)速度(du)分(fen)布(bu)明顯(xian)不對(dui)稱(cheng)。靠(kao)近管中心(xin)的取(qu)壓孔(kong)附近(jin)的流(liu)速分(fen)别爲(wei)4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠(kao)近管(guan)壁的取壓(ya)孔附(fu)近的(de)流速(su)爲-1.123m/s、-1.339m/s;由(you)取壓孔引入的(de)壓力也出(chu)現了(le)較大變化(hua)，總壓(ya)腔内壓(ya)強(qiang)爲172.492Pa，靜(jing)壓腔爲--44.958Pa。雲(yun)圖也展示了速度和(he)壓強(qiang)的等(deng)值區(qu)域受(shou)彎管影響(xiang)而産(chan)生的(de)變化。
 
　　處幹(gan)彎管後的(de)均速管流量計(ji)前0.25D處縱軸(zhou)截面(mian)上的速度(du)分布(bu)如圖(tu)8所(suo)示。縱坐(zuo)标爲縱軸截面(mian)徑向(xiang)t點的位置(zhi)，橫坐(zuo)标爲(wei)各點的速(su)度，曲(qu)線代(dai)表了(le)均速(su)管流(liu)量計(ji)處(chu)于彎管(guan)後不(bu)同(tong)位置時測量(liang)的流(liu)體的(de)速度(du)分(fen)布(bu)。可以(yi)很明(ming)顯看出在(zai)彎管下遊(you)有很(hen)長一(yi)段範(fan)圍内(nei)，速度分布(bu)是中間低(di)，兩側(ce)高，中(zhong)間的速度(du)逐步(bu)增大(da)，到11D處(chu)仍然(ran)是外(wai)側的(de)速度大于(yu)内(nei)側(ce)的速(su)度，之後再(zai)繼續(xu)發展(zhan)。
 
　　表1列出的(de)是根(gen)據(ju)模(mo)拟的(de)差壓(ya)數據計算(suan)得到的均(jun)速管(guan)流量計的流量(liang)系數K。可以(yi)看出(chu)，處幹(gan)彎管後的(de)均速(su)管流量計(ji)測得的(de)流量系(xi)數與對稱(cheng)分布的充(chong)分發展湍(tuan)流下(xia)得到的流(liu)量系(xi)數(shu)存在一(yi)-定的偏(pian)差(cha)，表明(ming)管内(nei)速(su)度分布(bu)的不(bu)均勻(yun)性對(dui)測量精(jing)度的影(ying)響，在(zai)實(shi)際(ji)應用(yong)中應(ying)該加(jia)以修(xiu)正。
 
　　圖(tu)9是不同流速條(tiao)件(jian)下，檢測(ce)杆位(wei)于彎管後(hou)4D~11D距離時的流最(zui)系數的模拟結果。可(ke)以發現，有(you)彎管影響(xiang)時的流量系(xi)數(shu)均高(gao)于充分發(fa)展湍(tuan)流情(qing)形(xing)下的值(zhi)，這是速度(du)分布(bu)的不對(dui)稱性導(dao)緻的結(jie)果(guo)。因此(ci)，在均(jun)速管(guan)流量(liang)計的(de)應(ying)用(yong)上，當測量位(wei)置處于(yu)彎管(guan)後一定的距離(li)内，應對流(liu)量系數(shu)進(jin)行修(xiu)正，否(fou)則導緻測(ce)量結(jie)果(guo)的偏差(cha)。
 
2結語
　　本(ben)文對彎(wan)管後(hou)不(bu)同直管(guan)段位置和不同(tong)流速(su)下的(de)均速管流(liu)量計的流(liu)場進(jin)行(hang)了(le)三維數值(zhi)模(mo)拟，模拟(ni)得出了不(bu)同情(qing)況下(xia)檢測(ce)杆内(nei)部的流動(dong)情況和管内(nei)速(su)度分(fen)布的不對(dui)稱性(xing)對均(jun)速管(guan)流量(liang)計測(ce)量(liang)的(de)影響(xiang)。得出了以下結(jie)論:
1)均速(su)管(guan)流量計垂直安裝幹(gan)彎管(guan)平(ping)面(mian)後,在彎管後4D~11D這(zhe)段距(ju)離内，檢(jian)測(ce)杆前(qian)縱軸截(jie)面(mian)上的(de)速度呈(cheng)現出“中(zhong)間低，兩邊高”的(de)規律(lü)。
2)彎管(guan)引起(qi)的管(guan)内速度分(fen)布的不(bu)對(dui)稱性(xing)對流(liu)量測量精(jing)度的(de)影響(xiang)大，建(jian)議對(dui)彎管後11D内(nei)安裝的流量計進行(hang)流量系數(shu)修正。

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