譚　強，尹震飚，郭振新

(中煤科工集團重慶研究院，重慶　400037)

0　引言

均速管流量計是根據(jù)流體總壓與靜壓的差計算出流體的速度從而計算出流量的，由于其具有永久壓損小、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、能夠適用于大管道的測量等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場[1-2]。

但是伴隨著均速管壓損小的優(yōu)點，帶來的缺點則是輸出的靜壓小[3]。尤其當(dāng)管道內(nèi)流體的流速較低時，若不選用精度很高的微差壓變送器，流量測量的精度將得不到保證。這在一定程度上限制了均速管流量計的使用。

實踐表明：均速管取壓孔形狀對輸出靜壓的大小有一定的影響，通過優(yōu)化取壓孔形狀可以獲得更大的靜壓輸出。但目前這方面還少有研究。為此，重點針對取壓孔倒角的角度和深度，運用數(shù)值模擬方法來研究其對輸出靜壓的影響，并通過試驗進行驗證，從而獲得更優(yōu)的取壓孔形狀。

1　控制方程

流體視為不可壓縮流體。求解流體的需滿足如下方程[4-5]。

連續(xù)性方程

▽v=0

動量守恒方程

式中：vi為流體的速度矢量，vi為流體平均速度分量；p為流體壓力；ρ為流體密度；υ0為流體運動粘性系數(shù)。

式中：σij為克羅內(nèi)克符號；vt為流體的湍流運動粘性系數(shù)。

能量方程

以上方程右邊的前3項分別描述了熱傳導(dǎo)、組會擴散和粘性耗散帶來的能量輸運。

因工業(yè)上流體的流速較快，一般為湍流流動。為了準確模擬湍流需應(yīng)用湍流模型。在多種湍流模型中由B．E．Launder，D．B．Spalding等提出標準k-ε模式能很好地模擬工程中的湍流形式并降低成本和節(jié)約時間[6]。湍流的k-ε模型應(yīng)滿足的湍動能k和耗散率ε方程：

2　數(shù)值幾何模型

為了重點研究取壓孔形狀對均速管輸出靜壓的影響，建立了僅有一個取壓孔的簡化模型。如圖1所示，該取壓管壁厚3 mm，內(nèi)徑12 mm，外徑18 mm，總長度為60 mm．其中H為壁厚，d2為孔徑，h1為倒角深度，α為倒角角度。計算完成后，將取壓管內(nèi)部距離邊緣5 mm位置的2個點(圖1中A、B點)的靜壓平均值做為取壓管的輸出靜壓值。

圖1　取壓管結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)文獻[7]可知，孔徑的合理取值為4～6 mm[7]，因此主要研究孔徑d2取5 mm，壁厚H取3 mm時，倒角深度h1及倒角角度α的不同取值時對均速管輸出靜壓的影響。

利用Fluent流體力學(xué)軟件進行數(shù)值模擬，選用3d雙精度求解器求解，求解模型選用非耦合隱式算法。流體采用不可壓縮理想氣體，啟用能量方程，計算方法選用密度中心算法。

3　數(shù)值仿真數(shù)據(jù)分析

3．1倒角深度對輸出靜壓值的影響

保持取壓孔倒角角度不變，通過改變錐形取壓孔的開口深度，建立計算模型并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格為四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并在邊界上細化，以保證計算的準確性及考慮管壁的作用，如倒角深度為3 mm時的網(wǎng)格橫截面圖如圖2所示。

圖2　倒角深度為3 mm時取壓孔橫截面網(wǎng)格圖

保持倒角角度在30°和60°時不變，分別改變倒角的深度，在Fluent中將入口速度設(shè)置為20 m/s，對以上網(wǎng)格進行數(shù)值模擬并求解。在位置A、位置B及其平均值如表1及表2所示。

表1　不同深度的均速管內(nèi)部靜壓值(30°倒角)

表2　不同深度的均速管內(nèi)部靜壓值(60°倒角)

由以上可知，在取壓孔的角度不變的情況下，倒角深度增加后，均速管的內(nèi)產(chǎn)生靜壓值增大。這是因為，隨著倒角深度的增加，孔周圍更多流體的動壓會轉(zhuǎn)化為均速管內(nèi)的靜壓，從而能提高均速管的輸出靜壓。

3．2倒角角度對輸出靜壓值的影響

根據(jù)以上研究結(jié)論可知，要得到最大的輸出靜壓值，倒角深度h1應(yīng)取最大值。但是h1應(yīng)小于等于壁厚H，因此取h1等于壁厚的基礎(chǔ)上研究取壓孔的倒角角度對輸出靜壓值的影響。

通過選取不同的倒角角度的取壓孔在不同的風(fēng)速條件下進行數(shù)值模擬，得到靜壓平均值與角度的關(guān)系如表3所示。

表3　不同倒角角度在不同風(fēng)速下的輸出靜壓

由表3可知，在不同的風(fēng)速條件下，規(guī)律是一致的。即角度為30°時，其輸出的靜壓值最大。因此在實際設(shè)計時應(yīng)在倒角深度等于壁厚的情況下，倒角角度為30°。

4　試驗驗證

4．1試驗方法

為了驗證以上數(shù)值模擬的正確性，設(shè)計了實驗對數(shù)值模擬得到的結(jié)論進行驗證。實驗設(shè)計了幾個不同角度的取壓孔，其參數(shù)(包含壁厚，內(nèi)外徑，角度等)與數(shù)值模擬中綜合考慮時的參數(shù)一致。

將均速管放置于直徑為600 mm的圓形風(fēng)筒中。風(fēng)筒總長13 m，其中測試段前直管段長度為5 m，后直管段長度為8 m．動力源為變頻器40～50 Hz控制的負壓風(fēng)機，布置于測試段后方。風(fēng)筒入口為錐形進口，管道的流量參照GB/T 1236-2000的要求，在進口處利用錐形進口測定[8]。實驗中環(huán)境氣壓和溫度由空盒氣壓計測量。均速管內(nèi)靜壓由軟管引出后使用補償式微壓計測量。

4．2試驗結(jié)果及分析

調(diào)整變頻器頻率分別在40 Hz、45 Hz、50 Hz時，根據(jù)測量的流量及管道直徑可以計算出3個不同風(fēng)速，在此3個不同風(fēng)速條件下的實驗結(jié)果如表4所示。

表4　實驗驗證數(shù)據(jù)表

注：由于取壓管位于抽風(fēng)機前端，所以表4中所測靜壓值為負值。

將計算所使用的數(shù)值模型的入口風(fēng)速設(shè)定為13．45 m/s，此時管道外部的壓強為106．5 Pa，數(shù)值模擬結(jié)論如表5所示。

表5　風(fēng)速為13．45 m/s時，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

從數(shù)值模型的計算結(jié)果與與實驗數(shù)據(jù)對比知，當(dāng)數(shù)值模型的風(fēng)速設(shè)置為13．45 m/s時，計算的差壓值與實驗風(fēng)速為13．45 m/s所測到的差壓值接近，說明文中所使用的數(shù)值模型與實際能較好的相符。

將實驗結(jié)果做成曲線，如圖3所示。

圖3　不同風(fēng)速時角度與靜壓曲線圖

從以上實驗數(shù)據(jù)及曲線可以清楚的看出，無論在何種風(fēng)速下，當(dāng)開口角度為30°時，其輸出靜壓值最大。這與數(shù)值模型得到的結(jié)論是一致的。因此，實驗及數(shù)值模擬都說明當(dāng)均速管的錐進口的角度為30°時，能得到最大的輸出靜壓值。

5　結(jié)論

通過實驗驗證及Fluent數(shù)值模擬可以得到以下幾個結(jié)論：

(1)在取壓孔的倒角角度不變的情況下，增加倒角深度能增大均速管的輸出靜壓值。

(2)倒角深度一定的條件下，隨著倒角角度的增大，取壓孔輸出的靜壓值先增大，后減小，30°時最大。

(3)為了得到均速管最大的輸出靜壓值，可在倒角深度等于取壓管壁厚的情況下，將倒角角度加工為30°。

通過以上研究可知：通過改變?nèi)嚎椎慕Y(jié)構(gòu)可以增大均速管的輸出靜壓，這能在一起程度上拓寬均速管流量計的適用范圍。若能結(jié)合孔的分布、孔的大小等多方面改變均速管的結(jié)構(gòu)，則能更大的提高均速管的輸出靜壓，從而拓寬均速管流量計的使用范圍。

參考文獻：

[1]張濤，趙兵，徐英．新型均速管流量計的設(shè)計與研究．化工自動化及儀表，2004(4)：52-54．

[2]周?。髁績x表及其選型．儀表技術(shù)與傳感器，2001(10)：42-43．

[3]張迎春，蘇中地，熊玉亭．均速管流量計流量系數(shù)的修正方法研究．中國計量學(xué)院學(xué)報，2010(1)：20-25．

[4]齊利曉，孫立軍，張濤．均速管流量傳感器二維仿真方法．天津大學(xué)學(xué)報，2011(9)：774-779．

[5]熊玉亭，張迎春，蘇中地．風(fēng)洞校驗均速管的速度分布修正系數(shù)研究．中國計量學(xué)院學(xué)報，2010(1)：26-31．

[6]彭珍瑞，盧海林．電容式靶式流量計的研究與仿真．儀表技術(shù)與傳感器，2013(3)：40-43．

[7]劉天敦．均速管流量計標準化問題的探討．化肥設(shè)計，1985(5)：49-56．

[8]GB/T 1236—2000工業(yè)通風(fēng)機 用標準化風(fēng)道進行性能試驗．