摘要:研究基于差壓式流量計的大氣總懸浮顆粒物采樣器流量仿真問題,應(yīng)用FLUENT流體仿真軟件,對空氣經(jīng)過孔板前后的壓力.和速度進行仿真研究。仿真初始條件為空氣密度1.29kg/m3,入口速度100L/min,溫度22℃,大氣壓101.325kPa,在上述工況下得到了空氣經(jīng)過流量計的壓力分布云圖、速度流線圖以及在10~90L/min流速區(qū)間內(nèi)的差壓數(shù)值。氣體從錐形孔板經(jīng)過時壓力減小,流經(jīng)流量計下端部時流量增大,從而產(chǎn)生了孔板前后的壓差,孔板入口流速60L/min時,壓差很小,會影響采樣泵的線性控.制。該研究對于應(yīng)用流體仿真軟件對大氣總懸浮顆粒物采樣器流量差壓式孔板流量計特性的研究提供了方向,不同流速差壓的研究對孔板流量計結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。
0引言
總懸浮顆粒物采樣器指能夠采集空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于100μm顆粒物的采樣器。其基本原理是使一-定體積的空氣恒速通過已知質(zhì)量的濾膜時,懸浮于空氣中的顆粒物被阻留在濾膜上,根據(jù)濾膜增加的質(zhì)量和通過濾膜的空氣體積,確定大氣中總懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度總懸浮顆粒物采樣器空氣流量計算的精度是影響設(shè)備的核心技術(shù)指標(biāo),其中差壓式流量計取壓性能直接關(guān)系到空氣流量的換算。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計是差壓式流量計中為典型的一種結(jié)構(gòu),由取壓裝置、孔板和流裝置構(gòu)成,如圖1所示。
本研究應(yīng)用CFD軟件對空氣流過孔板進行流場分析,觀察差壓式流量計內(nèi)部的空氣速度和壓力分布對后期孔板流量計的優(yōu)化設(shè)計有理論支撐作用。
1差壓式孔板流量計計量原理
當(dāng)流體經(jīng)過管道內(nèi)的孔板時,會造成流體的局部收縮,從而使流體的瞬時速度增大,在孔板的前后變形成了壓差。在總懸浮顆粒物采樣器中,當(dāng)環(huán)境空氣從上而下經(jīng)過孔口時,由于具有一定的流速,形成一定的負(fù)壓狀態(tài),產(chǎn)生了一個與空氣流量的平方根成正比的壓差。壓差經(jīng)硅膠管連接到壓差傳感器上,產(chǎn)生與壓差信號成比例的電信號,經(jīng)過軟件計算處理顯示出氣體流量。
流量方程式是從伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)而來,如下所示:
式中:Q0為差壓口處氣體流量,L/min,標(biāo)定介質(zhì)為空.氣;α為流量系數(shù),與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比m、雷諾數(shù)Re、孔口邊緣銳度、管壁粗糙度等因素有關(guān);對于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,α的值可從有關(guān)手冊中查出(附);對于非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,α值要由實驗方法確定,且確定的α值只能應(yīng)用在一定的條件下;ξ為膨脹修正系數(shù),與孔板前后壓力的相對變化量、介質(zhì)的等熵指數(shù)、孔口截面積與管道截面積之比等因素有關(guān),對氣體來說,通常在0.9~1.0,當(dāng)p2/P1的值接近于1時,膨脹修正系數(shù)接近于1;A。為孔口內(nèi).截面積,m2;△p為壓差信號,Pa,等同于流量傳感器的.信號值;pr為流量計前壓力,絕對壓力,Pa;T,為流量計前溫度,絕對溫度,K;ρ為節(jié)流裝置.上游取壓口的氣體密度,kg/m3,ρ=MPr/RTr。
2孔板流量計內(nèi)部流場數(shù)字仿真
2.1創(chuàng)建幾何模型
使用三維軟件建立總懸浮顆粒物采樣器差壓式孔板流量計的三維幾何模型[3]如圖2所示�？装迳隙撕拖露说墓懿恐睆綖�20mm,孔板上端管長為20mm,下端管長為30mm。由于該幾何模型整個為回轉(zhuǎn)體,為減少計算量,簡化實體模型如圖3所示。
用四邊形網(wǎng)格計算管形流場,靠近孔板椎體的網(wǎng)格密度明顯較密,管道端部的網(wǎng)格明顯稀疏,從而保證網(wǎng)格的光滑度,加快計算的迭代收斂速度,避免臨近單元體積的快速跌變所引起的截斷誤差孔板流量計網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。
2.2流體仿真分析
差壓式孔板流量計模擬仿真介質(zhì)為環(huán)境空氣,密度為1.29kg/m3,設(shè)定入口速度為5.31m/s,溫度為22℃,大氣壓為101.325kPa。設(shè)定了仿真介質(zhì)和初始條件后,對湍流模型進行選擇,差壓式孔板流量計在仿真模擬中,流體流場入口速度為5.31m/s,用雷諾系數(shù)公式進行計算:
Re=pvd/η(2)
式中:Re為雷諾數(shù);ρ為密度,kg/m3;D為流速,m/s;d為特征長度(內(nèi)徑),mm;η為動力黏性系數(shù),Pa.s。
將設(shè)定條件代人式(2)得:Re=7611,由于7611>2300,所以差壓式流量計管道內(nèi)的氣體流動歸屬于湍流,仿真中選擇湍流模型進行計算。
對空氣在設(shè)定工況的基礎(chǔ)上進行流體分析仿真,得到差壓式孔板流量計管道內(nèi)壓力和速度的分布情況'51,如圖5~6所示。
圖5中,顏色深淺代表壓力的大小分布情況,單位.為Pa。從圖中可以得出,氣體流入流量計孔板上端管道部分,由于氣泵抽氣產(chǎn)生負(fù)壓,壓力值大概在-3.422X104--3.443x104Pa,氣體流入錐形孔板瞬間,壓力急速減小,壓力減小范圍在-3.443x104--3.518x104Pa,經(jīng)過孔板后壓力維持在-3.507x104~-3.497x104Pa。氣體從錐形孔板經(jīng)過時壓力減小,流經(jīng)流量計下端部時流量增大,從而產(chǎn)生了孔板前后的壓差,環(huán)境空氣經(jīng)過差壓式孔板時,由于孔板的阻隔瞬間形成高壓狀態(tài),孔板的錐角處圓角處理,空氣流過孔板椎孔處壓力有一-定程度的增大。流體仿真得到的流量計個管道速度分布情況如圖6所示,單位為m/s。如圖所示,氣體流入流量計孔板上端瞬間,產(chǎn)生了一個回轉(zhuǎn)對稱性的速度場,中心軸線處速度最大,氣體在差壓式流量計管壁處碰撞后產(chǎn)生回旋,速度降低并產(chǎn)生壓降,在錐形孔處由于錐角做圓角處理后,平緩過渡,氣體速度有不同程度的增大。氣體流入孔板前速度范圍大概在0.2754~1.913m/s,流人孔板瞬間,速度增大,管道軸心處速度最高可達(dá)3.799m/s,經(jīng)過孔板后速度范圍大概在1.913~3m/s,并向管壁處速度遞減從而在管壁處形成回旋產(chǎn)生低壓。氣體未經(jīng)過錐形孔板前速度變化明顯較小,經(jīng)過孔板后速度明顯增大,在管道軸心處速度數(shù)值最大。
2.3.差壓式孔板流量計差壓分析
孔板壓力損失是孔板.上端測得壓力與孔板下端測得壓力數(shù)值之差,差壓數(shù)據(jù)穩(wěn)定性是控制泵的關(guān)鍵條件[7-8]。參考100L/min的仿真條件,將入口速度調(diào)整至10~90L/min,每10L/min作為一次步長,流體仿真后得到流速、動壓、靜壓和差壓的數(shù)據(jù),如表1所示。
3結(jié)束語
本文根據(jù)差壓式孔板流量計的計量原理,應(yīng)用FLUENT軟件對空氣流過孔板進行流場分析,得到了空氣經(jīng)過流量計的壓力分布云圖、速度流線圖以及在10~90L/min流速區(qū)間內(nèi)的差壓數(shù)值,得出如下結(jié)論:
(1)通過初始條件分析和計算雷諾數(shù)R�？芍�,差壓式流量計管道內(nèi)的氣體流動歸屬于湍流,仿真中選擇湍流模型進行計算;
(2)氣體從錐形孔板經(jīng)過時壓力減小,流經(jīng)流量計下端部時流量增大,從而產(chǎn)生了孔板前后的壓差,孔板入口流速60L/min時,壓差很小,會影響采樣泵的線性控制,在錐形孔處由于錐角做圓角處理,空氣流過孔板椎孔處壓力和速度有不同程度的增大;
(3)分析差壓式流量計內(nèi)部的空氣速度和壓力分布,為后期孔板流量計的提供了依據(jù)。
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