一種對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)設(shè)計(jì) 發(fā)布時(shí)間:2019-02-18
摘要:因多種工況條件無法滿足測量精度要求,傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍受到一定限制;诙嗫渍髌骱蜆(biāo)準(zhǔn)孔板的流量測量原理,提出一種對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法。然后對該流量計(jì)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值計(jì)算與仿真分析,結(jié)果表明多孔孔板差壓式流量計(jì)測量精度較標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)提高1倍以上,永久壓力損失減小約1/3。最后進(jìn)行實(shí)流試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,多孔孔板流量計(jì)比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置具有明顯的優(yōu)勢,其適應(yīng)性更好。此設(shè)計(jì)方法可為多孔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考。 0引言 流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石油石化、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及人民生活的諸多領(lǐng)域。尤其在能源危機(jī)的后經(jīng)濟(jì)時(shí)代,流量計(jì)量的重要性日益突出。相比其它流量計(jì),傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)因結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重復(fù)性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用,但只有在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)條件下,才能準(zhǔn)確地測量流量。然而,工程實(shí)際應(yīng)用中,很多工況條件不能滿足上述要求,從而無法達(dá)到所需要的測量精度(雷諾數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)中推薦的雷諾數(shù)范圍、測量介質(zhì)中混有泥沙等)進(jìn)而限制了其應(yīng)用范圍。 為了改善上述缺點(diǎn),非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)得到快速發(fā)展和進(jìn)一步的應(yīng)用;诓顗涸淼亩嗫卓装辶髁坑(jì)不但繼承了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn),且能夠平衡調(diào)整流場,明顯減少渦流、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動(dòng)能的損失,是目前應(yīng)用最為廣泛的一種非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)。但在國內(nèi),多孔孔板流量計(jì)的相關(guān)核心技術(shù)研究相對較少,實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計(jì)流量計(jì),缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的指導(dǎo),在一定程度上遠(yuǎn)未達(dá)到用戶之首選。 綜上所述,針對多孔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化國內(nèi)已有一些研究,但缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,不利于工程應(yīng)用。 結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板聯(lián)合使用的測量原理,提出一種對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與仿真分析。與標(biāo)準(zhǔn)孔板對比分析其流出系數(shù)及永久壓力損失等性能指標(biāo),分析結(jié)果說明了其優(yōu)越性。最后通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。此設(shè)計(jì)方法可為多孔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供一定的參考。 1多孔孔板流量計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是使用最早、應(yīng)用最廣泛的一種差壓式流量計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高等特點(diǎn)。其測量原理為對于充滿管道的流體,當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí),流體介質(zhì)將會(huì)在節(jié)流件處形成局部收縮,因而流速增加,靜壓力降低,于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了一定的壓差。流體流量愈大,產(chǎn)生的壓差愈大,這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程和伯努利方程,定常流體的體積流量可以通過如下公式表示[8]: 式中:C為流出系數(shù),無量綱;β為等效直徑比,無量綱;D為孔板直徑;Δp為壓差,單位為Pa;qv為體積流量,單位為m3/s;ρ為流體介質(zhì)密度。 多孔孔板流量計(jì)具有對稱多孔結(jié)構(gòu),是目前最先進(jìn)的差壓式流量計(jì)之一。相比傳統(tǒng)差壓式流量計(jì),不僅結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、適用面廣,還具有精度高、直管段要求低、量程比寬、永久壓損小等優(yōu)點(diǎn)。 多孔孔板流量計(jì)的測量原理基于能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。流量檢測時(shí),所測介質(zhì)在通過多孔節(jié)流整流器的同時(shí)進(jìn)行流體整流,減小節(jié)流裝置后形成的渦流,形成較穩(wěn)定的紊流,從而使引壓管路能夠獲取到較穩(wěn)定的差壓信號(hào),并進(jìn)一步通過伯努利方程計(jì)算得出工藝所需體積流量、質(zhì)量流量等參數(shù)[12-14]。 2對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在工程實(shí)際應(yīng)用中,每個(gè)多孔流量計(jì)都要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計(jì),其開孔面積、節(jié)流孔的大小、節(jié)流孔的具體形狀、節(jié)流孔個(gè)數(shù)及排列方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)均會(huì)對多孔孔板流量計(jì)的性能產(chǎn)生影響。由于缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的指導(dǎo),在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。對于不同的測量函數(shù)孔的數(shù)量、如何分布函數(shù)孔以及函數(shù)孔的結(jié)構(gòu)等無疑是最主要的設(shè)計(jì)參數(shù),目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量原理,提出并設(shè)計(jì)流量計(jì)的孔板結(jié)構(gòu)為在節(jié)流板中心一個(gè)圓孔的基礎(chǔ)上,對稱分布數(shù)量不等的圓孔,如圖1所示,均勻分布的圓孔的總的面積和標(biāo)準(zhǔn)孔板的面積相等。 當(dāng)介質(zhì)流過圓孔時(shí),流體被平衡調(diào)整,渦流被最小化,形成近似理想流體,通過取壓裝置和變送器,可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào),根據(jù)伯努利方程計(jì)算出流體的流量: 式中:Q為介質(zhì)流量,單位為m3/h;K為儀表系數(shù);Y為膨脹系數(shù);Δp為差壓值,單位為Pa;ρ為介質(zhì)工況密度,單位為kg/m3。 基于以上對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法,以孔板管徑80mm、等效直徑比0.45、測量介質(zhì)為常溫水的條件進(jìn)行研究。首先建立多孔孔板流量計(jì)的計(jì)算模型,如圖2所示。參照流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊建立流量計(jì)的幾何尺寸,在流量計(jì)測量的上下游部分設(shè)計(jì)有一定的直管段來確保流量計(jì)在測量的時(shí)候流體的流場處于一種均勻穩(wěn)定的狀態(tài)并使因節(jié)流而被破壞的流場能夠恢復(fù)到節(jié)流前的狀態(tài)。 3多孔孔板流量計(jì) 依據(jù)流量計(jì)的設(shè)計(jì)尺寸,在Creo3.0中建立其三維計(jì)算模型,取板前4D、板后8D的流場區(qū)域作為計(jì)算域,并將其導(dǎo)入ICEM專用劃分網(wǎng)格軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格的劃分采用全六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法,對計(jì)算域進(jìn)行局部加密以保證計(jì)算精度,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。 由于多孔孔板流量計(jì)的流場情況較為復(fù)雜,對湍流模型的要求較高,本文采用工程上常用的Standardk-ε湍流模型,其方程式表述如下[15]: 式中:k是湍流動(dòng)能;ε是湍流耗散率;ρ是流體密度;μ是流速;μt是湍流粘度;Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能。C1ε、C2ε、C3ε是常量,分別為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09,σk、σε是k方程和ε方程的湍流prandtl數(shù),分別為σk=1.0、σε=1.3。 設(shè)置入口條件為速度入口(velocity-inlet),出口為自由發(fā)展出流(outflow),以各項(xiàng)參數(shù)的殘差小于0.00001為收斂標(biāo)準(zhǔn),分別計(jì)算0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等幾種入口流速下流量計(jì)的流場特性。文中給出幾種典型流速條件下的計(jì)算結(jié)果,如圖4所示。 由圖4可以看出,入口流速在0.2~7m/s時(shí)多孔孔板流量計(jì)下游速度匯聚趨勢明顯,相比于標(biāo)準(zhǔn)孔板其壁面回流區(qū)較小,但隨入口流速不斷增大回流區(qū)長度隨之增大,變化范圍為0.5D~1.2D。由此可見,多孔孔板流量計(jì)尾流流場能夠快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。板前死區(qū)較小,且隨流速增大而逐漸增大。 通過Fluent求解計(jì)算獲得孔板前后的差壓值,進(jìn)而得到流量計(jì)的永久壓力損失。取壓口設(shè)置為上下游取壓口距離孔板上下游端面的距離為0.04m,通過在Fluent中定義相應(yīng)取壓面,分別求取上下游取壓面的平均壓力值,獲得壓差值和永久壓力損失值如下表1所示。不同入口流速下,標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)和多孔孔板流量計(jì)的永久壓力損失的對比情況如表1和圖5所示。 由表1和圖5可以看出,隨著入口流速的不斷增大,多孔孔板流量計(jì)的永久壓力損失呈逐漸增大的趨勢;相比于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì),由于渦流的減少,多孔孔板流量計(jì)具有更小的永久壓力損失,永久壓力損失較標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置降低約1/3。 圖6所示為不同流速下,多孔孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的流出系數(shù)對比曲線。由圖6可知,多孔孔板流量計(jì)的流出系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)有明顯提高,同時(shí)隨著流速的變化流出系數(shù)能夠保持良好的穩(wěn)定性。 為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的多孔孔板差壓流量計(jì)的性能指標(biāo),和標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置進(jìn)行了實(shí)流試驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)場使用反饋情況,其性能指標(biāo)對比如表2所示。 4結(jié)論 以管徑80mm、節(jié)流比β=0.45的多孔孔板為對象,通過對不同入口流速下的多孔孔板流量計(jì)進(jìn)行分析,得出此種流量計(jì)節(jié)流件前后產(chǎn)生的渦流大大降低,無需很長的直管段整流,顯著提高了測量精度;永久壓力損失由于渦流的減少較標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置降低了約1/3。試驗(yàn)對比分析表明,多孔孔板流量計(jì)比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置具有明顯的優(yōu)勢,其適應(yīng)性更好。
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