基于CFD的非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的數(shù)值模擬

趙奇，牛志娟,楊雪峰

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065)

摘要：為了獲得一種在性能和節(jié)能方面都較優(yōu)的非標(biāo)準(zhǔn)孔板，以計算流體力學(xué)(CFD)為工具，模擬了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計與一類兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的內(nèi)部流場，并探究了兩大類孔板分別在β=d/D為0.5和0.7時的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，并與由Reader-Harris/Gallagher(1998)公式計算出的流出系數(shù)進行比較。結(jié)果表明：數(shù)值模擬的結(jié)果與按理論公式計算的結(jié)果相差較小，反映了模擬結(jié)果的正確性,比較兩類孔板的模擬結(jié)果可知，兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板具有低臨界雷諾數(shù)，永久壓降低等優(yōu)點。因此模擬結(jié)果為孔板的理論分析和實驗研究提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：非標(biāo)準(zhǔn)孔板；計算流體力學(xué)；孔板流量計；數(shù)值模擬；流出系數(shù)；低臨界雷諾數(shù)

中圖分類號：TH814`+.5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0453-04

Abstract：In order to obtain a kind of the non-standard orifice flowmeter that has good performance, the author simulated the flow field of the standard orifice flowmeter and a class of two channels non-standard orifice flowmeter based on computational fluid dynamics (CFD). And the regular that the discharge coefficient of the two categories of orifice changing with the Reynolds number in β= 0.5 and β=0.7 are obtained. The results show that the numerical simulation results only have a slight difference compared with the theoretical results. So it show that the reliability of the numerical simulation. According to the calculated results,the two channels,non-standard orifice plate with many advantages.compared with the standard orifice plate, such as , low critical Reynolds number, low permanent pressure drop etc. And the simulation results can provide the reference for the theoretical analysis and experimental research of orifice plate.

收稿日期2014-10-31修訂稿日期2014-12-04

作者簡介：趙奇(1990~)，女，碩士研究生，研究方向為流量計量技術(shù)。

Numerical Simulation of the Non-standard Orifice Flowmeter based on CFD

ZHAO Qi,NIU Zhi-juan，YANG Xue-feng

(College of Chemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Key words：the non-standard orifice;computational fluid dynamics(CFD);orifice flowmeter;numerical simulation;discharge coefficient;low critical reynolds number

以節(jié)流裝置為檢測件的差壓式流量計稱之為節(jié)流式差壓流量計,孔板流量計因其具有耐用，安裝簡便，無移動部件,并在極惡劣的條件下都能使用等眾多優(yōu)點，成為目前應(yīng)用最多的一種差壓式流量計[1]?？装辶髁坑嫺鶕?jù)其是否按照標(biāo)準(zhǔn)文件的要求來進行設(shè)計、制造、安裝和使用被分為標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計和非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計兩大類[2]。標(biāo)準(zhǔn)孔板成熟程度高，無需實流校準(zhǔn)，但由于現(xiàn)場工況極其復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計往往不能完全滿足要求，故出現(xiàn)了各類非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計[3]。為了獲得性能較優(yōu)的非標(biāo)準(zhǔn)孔板，在最近的數(shù)十年里，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種新型結(jié)構(gòu)的孔板并研究了它們的相關(guān)性能。如Ann Mclver[4]研究了V型內(nèi)錐流量計流出系數(shù)的穩(wěn)定性；Shanfang Huang[5]等人通過實驗研究了孔板厚度，開孔率，上游直管段長度等對多孔流量計流出系數(shù)的影響；鐘偉[6]等提出了一種紡錘體流量計，并通過Fluent數(shù)值分析了其特殊結(jié)構(gòu)對流體流動的作用等。在這一背景下，本文以計算流體力學(xué)(CFD)為工具，分別分析了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計和兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的內(nèi)部流場，探究了不同類型孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，比較了不同孔板對前后直管段的要求的差異，從而為非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的設(shè)計與發(fā)展提供一定依據(jù)，并提高測量的準(zhǔn)確性。

圖1　兩類孔板結(jié)構(gòu)簡圖

1理論基礎(chǔ)

1.1　孔板流量計

圖1中的(a)、(b)分別為標(biāo)準(zhǔn)孔板,兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板及管道的簡圖。由于這兩類孔板都是因為流體通過孔板時因流通面積的突然收縮而加速，導(dǎo)致孔板前后產(chǎn)生壓力差，故它們都可以通過測定孔板前后的壓差來計算管道中的流量[7]，它們唯一的區(qū)別就是最小流通截面不一樣。在已知有關(guān)參數(shù)的條件下，根據(jù)流動流體的連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系。其基本公式為

(1)

式中Qv——體積流量/m3·s-1；

C——流出系數(shù)；

β——直徑比；

d——工作條件下節(jié)流孔直徑/m；

Δp——差壓/Pa；

ρ——流體密度/kg·m-3。

1.2　計算流體動力學(xué)

計算流體動力學(xué)(Computional Fluid Dynamics)，簡稱為CFD，主要是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對含有流體流動和對流傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)來進行分析[8]。CFD最大的優(yōu)點是它不受物理模型和實驗?zāi)Ｐ偷南拗?，能夠給出全部流場范圍內(nèi)的詳細信息，并能夠模擬出實驗所不能達到的條件等優(yōu)點[9]。故CFD技術(shù)廣泛應(yīng)用于模擬流體的流動，并為其理論分析和實驗研究提供新的思路。

2數(shù)值模擬

2.1　建模,網(wǎng)格劃分

利用孔板軸對稱性的特性，在圓柱坐標(biāo)系下建立它們1/2的實體模型，取壓方式采用D-D/2取壓,截面積比是指開孔截面積與管道截面積之比(見表1、表2)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的安裝要求,孔板前直管段長度為10D，后直管段長度為5D。本文所用的流體介質(zhì)為常溫的液態(tài)水。

表1標(biāo)準(zhǔn)孔板尺寸

孔板編號截面積比(A0/A1)d/mmD/mm1#0.25501002#0.4970100

表2兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板尺寸

孔板編號截面積比(A0/A1)r1/mmr2/mmr3/mmD/mm3#0.4917.530.5431004#0.4917.538.5491005#0.498.7521.25401006#0.49513371007#0.4952040100

為了獲取孔板前后詳細的流場變化情況，首先在壁面附近劃分邊界層網(wǎng)格，并對靠近孔板的網(wǎng)格進行局部加密,離孔板越遠，網(wǎng)格越稀。

圖2　網(wǎng)格劃分圖

2.2　邊界條件及模型的求解

該模型的邊界條件包括速度入口、壓力出口，軸對稱邊界以及無滑移的壁面邊界。本文選用Standard k-ε湍流模型，并在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(Standard Wall Function)進行處理。在求解離散方程組的壓力速度耦合時選擇了SIMPLE算法，動量和湍流動能分別采用的是二階迎風(fēng)與一階迎風(fēng)的差分格式。該模型的控制方程為

·u=0

(2)

·(ρuui)=

(3)

(4)

(5)

式中k——湍動能;

ε——湍動耗散率;

Gk——由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

3結(jié)果分析

3.1　流出系數(shù)C

流出系數(shù)C定義為通過孔板的實際流量值與理論流量值的比值，它與管道內(nèi)雷諾數(shù)的大小、截面積比，取壓方式以及管道情況等眾多因素有關(guān)[10]。在選用孔板流量計時，應(yīng)保證它的測量范圍落在流出系數(shù)C為常數(shù)的范圍內(nèi)，這樣才能確保流量測量的準(zhǔn)確性。因此流出系數(shù)C是評價孔板流量計性能至關(guān)重要的參數(shù)[11]。在GBT 2624-2006中流出系數(shù)C用Reader-Harris/Gallagher(1998)公式[12]進行計算

(6)

式中β——直徑比；

ReD——根據(jù)D計算出的雷諾數(shù)。

在實際的應(yīng)用中，孔板的臨界雷諾數(shù)越小，它的測量范圍就越寬。故可以改變這類兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板中心的流通截面和周邊的環(huán)形流通截面的尺寸以及位置來確定最優(yōu)形狀的孔板，使得臨界雷諾數(shù)盡可能的小，以增大流出系數(shù)的常數(shù)區(qū)范圍。在圖3中幾種非標(biāo)準(zhǔn)孔板的流出系數(shù)都比相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)孔板大，并且某些尺寸的非標(biāo)準(zhǔn)孔板的流出系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)孔板能在較小的雷諾數(shù)下達到穩(wěn)定，這說明它們有更寬的應(yīng)用范圍。而編號4#的孔板具有最小的臨界雷諾數(shù),使得它在低雷諾數(shù)下測量時也有較高的重復(fù)性。

圖3　β=0.7的孔板流出系數(shù)的比較圖

3.2　速度流場與壓力流場

通過Fluent模擬了幾種不同孔板前后的流場變化，由模擬結(jié)果可知流束經(jīng)過不同孔板后速度都明顯增大，當(dāng)距離孔板一段距離后速度恢復(fù)正常，壓力相應(yīng)降低。根據(jù)孔板流量計的工作原理可知這是由于管道流通截面積的突然縮小，迫使流體的部分壓力能轉(zhuǎn)換為動能。經(jīng)計算可得，編號3#，5#，6#，7#孔板比相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)孔板的永久壓降分別降低了8.71%，12.81%，10.99%，10.1%，4#孔板卻升高了7.67%。

從圖4可以看出兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板后的流場更為穩(wěn)定，壓力恢復(fù)更快，這可能是因為周邊的環(huán)形流通截面起到了整流的作用，從而減少了孔板后渦流的形成和紊流的摩擦、振動。并且4#孔板壓力恢復(fù)得最快，對直管段的要求最低，故能省去大量的管道費用。因此這類孔板既能在管道費用方面減少開支，并且還能降低能量耗費，是一類節(jié)能的非標(biāo)準(zhǔn)孔板。

圖4　β=0.7的孔板中心軸線上壓力分布曲線圖

圖5中孔板的永久壓降在雷諾數(shù)為103到106的區(qū)間范圍內(nèi)增加的非常緩慢，當(dāng)雷諾數(shù)大于106后，孔板的永久壓降急劇上升，這說明孔板流量計在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)工作時比較經(jīng)濟。經(jīng)計算還可知孔板下游壓力恢復(fù)點離孔板上游端面的距離Z在雷諾數(shù)較小時隨著雷諾數(shù)的增加而不斷變大，當(dāng)雷諾數(shù)達到一定數(shù)值時，壓力恢復(fù)點的距離便維持在一個穩(wěn)定值。

標(biāo)準(zhǔn)孔板的流線圖前直管段速度分布較均勻，之后所有流體集中到唯一的中心孔,從而導(dǎo)致在孔板下游靠近壁面附近的區(qū)域有一個被拉長的漩渦。兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板在前直管段的流線與標(biāo)準(zhǔn)孔板的一樣，但當(dāng)流束流經(jīng)非標(biāo)準(zhǔn)孔板后被分成兩股射流，不僅在近壁面有回流區(qū)而且在環(huán)形流通截面與中心孔道流通截面之間也有漩渦的存在，但總體來說兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板的漩渦少于標(biāo)準(zhǔn)孔板的?？装宓膲毫p失之所以很高主要是因為這些渦流的能量耗散所造成的[13]，故兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓力損失較標(biāo)準(zhǔn)孔板的小。而近壁面回流區(qū)與射流之間的回流區(qū)的大小主要取決于中心孔與周邊環(huán)形截面的尺寸。

4結(jié)論

在本文中，通過CFD模擬了一類兩通道的非標(biāo)準(zhǔn)孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板的運動流場，并通過改變非標(biāo)準(zhǔn)孔板中心孔和周邊環(huán)形流通截面的尺寸與位置，確定了這類孔板的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。探究了孔板的流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系，由模擬結(jié)果可知兩通道非標(biāo)準(zhǔn)孔板既能在管道費用方面減少開支，又能降低能量耗費，故這類孔板較標(biāo)準(zhǔn)孔板能節(jié)約較大的運行成本，并且某些性能在一定程度上優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)孔板。在實際應(yīng)用中我們可根據(jù)不同的需求選擇不同的孔板。

參考文獻

[1]侯祥松.電爐煉鋼冶煉周期中煙氣熱力學(xué)特性的變化規(guī)律[J].冶金能源，2010，29(1)：28-31.

[2]周何.電爐余熱鍋爐熱力計算軟件的開發(fā)[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

[3]楊彬，沈士興，王方榮,等.電弧爐余熱鍋爐設(shè)計[J].工業(yè)鍋爐，2011(3):20-23.

[4]曹先常.電爐煙氣余熱回收利用技術(shù)進展及其應(yīng)用[C].無錫:第4屆中國金屬學(xué)會青年論文集，2008:418-423.

[5]楊振國，劉青，謝銀幕.電爐流程中熱管式余熱回收[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2011，33(10)：87-92.

[6]何立波.煉鋼電爐余熱發(fā)電技術(shù)[J].工業(yè)爐，2013，35(2)：16-18.

[7]陳興衛(wèi).低溫?zé)崴l(fā)電用正壓外殼型無刷勵磁汽輪發(fā)電機的設(shè)計[J].大電機技術(shù)，2014(3)：22-25.

[8]陶務(wù)純.50 t煉鋼電弧爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用[J].工業(yè)加熱，2012，41(3)：56-59.

[9]劉改娟.100 t電爐煙氣余熱回收實踐[J].冶金動力，2008，29(5)：36-39.

[10]趙欽新，周屈蘭，譚尊厚,等.余熱鍋爐研究與設(shè)計[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[11]李冬慶，張華，米靜,等.轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)及其參數(shù)選擇[J].熱力發(fā)電，2008，37(11)：5-11.