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  發(fā)布時(shí)間:2017-02-27

孔板流量計(jì)瞬時(shí)孔流系數(shù)研究

  在流體機(jī)械瞬態(tài)流動(dòng)的過程中,需要對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行測(cè)試.電磁流量計(jì)在測(cè)量快速變化的流量時(shí),其轉(zhuǎn)換器的信號(hào)處理時(shí)間普遍超過0.2s,需要經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)才能達(dá)到要求[5];渦輪流量計(jì)在測(cè)試小流量的瞬時(shí)變化時(shí),存在強(qiáng)烈的非線性問題.而在許多場(chǎng)合,孔板流量計(jì)能較好地用于瞬態(tài)流量的測(cè)試.
  基于CFD技術(shù),通過改變流量﹑直徑比﹑孔板厚度和流體介質(zhì)等,對(duì)孔板內(nèi)部穩(wěn)定流動(dòng)進(jìn)行了研究.采用CFD技術(shù)研究了方形孔和圓形孔板流量計(jì)在測(cè)量濕夭然氣時(shí)的異同;對(duì)錐體流量計(jì)的孔流系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬;對(duì)周期性波動(dòng)的流量流經(jīng)孔板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析后指出,孔板前后壓差呈現(xiàn)非線性,且滯后于流量的變化,稱之為“渦慣性”.
  鑒于目前未見有對(duì)孔板流量計(jì)在測(cè)量流量加速瞬態(tài)過程的相關(guān)研究,為了從內(nèi)流角度揭示壓差滯后于流量變化的原因,考妞到采用試驗(yàn)測(cè)量較為困難,文中采用CFD方法分別對(duì)穩(wěn)態(tài)和加速過程的孔流系數(shù)進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè),重點(diǎn)分析孔流系數(shù)與流動(dòng)狀態(tài)瞬時(shí)轉(zhuǎn)變間的聯(lián)系,為實(shí)現(xiàn)采用孔板流量計(jì)測(cè)量瞬時(shí)流量提供參考。
1物理模型和數(shù)值方法
1.1基本理論
  孔板流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì).對(duì)于不可壓流體的水平管流動(dòng),忽略管壁摩擦阻力損失,根據(jù)流體的連續(xù)性和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化可得

1.2模型﹑網(wǎng)格和邊界條件
  圖1為孔板流量計(jì)的物理模型示意.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的安裝,圖1a中,上下游直管段長(zhǎng)分別取10D和5D作為穩(wěn)定直管段.其中上下游管內(nèi)徑D取100mm,孔板厚度δ取3mm.
  流量從0以恒定加速度增長(zhǎng),如圖1b所示;測(cè)壓點(diǎn)的位置示于圖1c.

  為了準(zhǔn)確捕捉孔板前后流場(chǎng)的變化情況,首先在壁面附近劃分了邊界層網(wǎng)格,邊界層第1層厚度為0.1mm,共10層,高度增長(zhǎng)因子為1.1;其次,用與孔板等孔徑的圓柱面作為分界面,對(duì)內(nèi)部流域進(jìn)行切割,并對(duì)該邊界面附近劃分同上的邊界層網(wǎng)格,其內(nèi)部區(qū)域采用蝶形網(wǎng)格劃分;最后,在邊界層設(shè)置好的基礎(chǔ)上,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方式完成其余部分的網(wǎng)格劃分.
  圖2給出了孔板附近的網(wǎng)格分布.以常溫狀態(tài)下液態(tài)水作為流體介質(zhì),動(dòng)量﹑湍動(dòng)能和湍流耗散率方程的離散選擇二階迎風(fēng)格式,壓力和速度耦合選用SIMPLE算法,穩(wěn)態(tài)和加速條件下的湍流模型分別采用Realizablek-ε和RealizableDES模型.穩(wěn)態(tài)和加速過程的進(jìn)口均采用速度進(jìn)口邊界條件,流體加速曲線見圖1b,管壁為無(wú)滑移壁面邊界條件.
孔板流量計(jì)附近三維網(wǎng)格圖
  由于流速不斷增大,考妞采用變時(shí)間步長(zhǎng)的方式以提高迭代過程的經(jīng)濟(jì)性,時(shí)間步長(zhǎng)△t與時(shí)刻t采用式(1)的關(guān)系式:

  流場(chǎng)求解軟件為L(zhǎng)inux平臺(tái)下的Fluent6.3,采用曙光1800工作站上的8個(gè)IntelXeon處理器(3.2GHz)進(jìn)行并行計(jì)算,穩(wěn)態(tài)迭代4000次約需2h,瞬態(tài)迭代250個(gè)時(shí)間步約需22h.
2結(jié)果分析
2.1孔流系數(shù)和壓降
  圖3給出了孔流系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果,Realiza-blek-ε模擬的穩(wěn)態(tài)孔流系數(shù)C0與ISO試驗(yàn)回歸曲線[10]的最大誤差在3%以內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)k-ε的最大誤差達(dá)6%[6].
  對(duì)于流量Q≤0.6m3/h,C0隨流量的增加緩慢下降,之后保持在0.63左右.與C0不同的是,C從0開始隨流量的增大而增大,并逐漸向C0靠近,直至Q≥3.5m3/h后才達(dá)到C0的水平.C在時(shí)間上滯后于C0.圖4中△p-Q曲線顯示,Q≤3.0m3/h時(shí),加速過程孔板前后壓降高于同等流量下穩(wěn)態(tài)壓降;Q≥3.0m3/h后,瞬態(tài)壓降才降為穩(wěn)態(tài)水平.

2.2速度和壓力場(chǎng)分析
  從內(nèi)流角度分析導(dǎo)致第2.1節(jié)中C和C0不同的原因,圖5和圖6分別給出并對(duì)比了相同流量下穩(wěn)態(tài)和加速過程中流經(jīng)孔板前后流體的速度和壓力場(chǎng).對(duì)于Q≤3.0m3/h穩(wěn)態(tài)條件,孔板后方始終可觀察到一個(gè)被拉長(zhǎng)的主渦和孔板右上方的小渦,流動(dòng)的損失較大,同時(shí)表明流場(chǎng)中已形成穩(wěn)定的流動(dòng)通道,動(dòng)能和壓能的轉(zhuǎn)化已達(dá)到平衡,流動(dòng)的損失(長(zhǎng)漩渦)也趨于穩(wěn)定,并且壓差隨流量的增大而穩(wěn)定增大.
  加速過程中孔板后方的漩渦是逐漸形成的:小流量時(shí)流動(dòng)較為平穩(wěn),流體不斷被加速的流體向下游推動(dòng),漩渦來(lái)不及形成,流動(dòng)的損失較小;隨著流量的不斷加大,孔板后方開始出現(xiàn)流動(dòng)分離(約在Q>1.1m3/h時(shí));當(dāng)流量進(jìn)一步加大,孔板后方出現(xiàn)了較大的漩渦.加速前期,壓力沿整個(gè)管道逐漸向下游傳播,壓能傳播的距離較長(zhǎng),沒有在短距離內(nèi)快速轉(zhuǎn)換為動(dòng)能.
經(jīng)上述分析可以認(rèn)為,導(dǎo)致加速前期C和C0之間差異的內(nèi)流原因是,漩渦形成的滯后以及加速前期壓力能沒有在短距離內(nèi)全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.
  隨著流量的增大,孔板后方出現(xiàn)了明顯的漩渦,漩渦中心附近區(qū)域即為低壓區(qū).雖然孔流系數(shù)和壓降的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)值分別相互接近,然而由于流體仍然處于加速階段,因此流動(dòng)狀態(tài)(漩渦的形狀和位置)和壓力分布與穩(wěn)態(tài)條件相比,仍然存在較大差異.


3結(jié)論
  通過CFD技術(shù),實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)和加速流體流經(jīng)孔板后流場(chǎng)的數(shù)值模擬,得到了孔流系數(shù)﹑流場(chǎng)和壓力的模擬結(jié)果,主要概括為:
1)穩(wěn)態(tài)孔流系數(shù)C0的數(shù)值預(yù)測(cè)值與ISO試驗(yàn)回歸曲線十分接近,Realizablek-ε比標(biāo)準(zhǔn)k-ε的C0預(yù)測(cè)值更接近ISO試驗(yàn)回歸曲線,誤差分別為3%和6%;
2)加速過程,C隨流量的增大逐漸增大并靠近穩(wěn)態(tài)C0;加速前期,壓差高于穩(wěn)態(tài)水平,隨著流量的不斷增大,瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)壓差相互接近.3)導(dǎo)致加速前期C和C0之間差異的內(nèi)流原因是,漩渦形成的滯后以及加速前期壓力能沒有在短距離內(nèi)全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.文中內(nèi)容可為利用孔板流量計(jì)測(cè)量瞬時(shí)流量提供參考依據(jù),為流體機(jī)械內(nèi)部非定常流動(dòng)等特殊問題的提供基本保障.今后的工作將圍繞流量波動(dòng)﹑階躍和突減等其他瞬態(tài)狀況.

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