曹慧哲， 劉子齊， 趙天利， 朱繼光

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，哈爾濱 150006；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150006；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100073；4.哈爾濱計(jì)量檢定測(cè)試院,哈爾濱 150036）

0 引言

準(zhǔn)確測(cè)量流量是能源計(jì)量過程中的重要一環(huán)，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到企業(yè)和用戶的現(xiàn)實(shí)利益，備受關(guān)注。在生產(chǎn)工藝過程中，流量時(shí)刻處于變化中，其測(cè)量影響因素繁多，主要有溫度、壓力、工藝過程和管路布置等。流量傳感器在設(shè)計(jì)定型、型式檢驗(yàn)、出廠實(shí)驗(yàn)、定期檢定等過程中均需要在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，目前多利用穩(wěn)壓罐來(lái)提供穩(wěn)壓穩(wěn)流的標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行相關(guān)溯源。故文中對(duì)利用壓縮空氣吸收壓力脈動(dòng)，并設(shè)置橫隔板板均流的穩(wěn)壓罐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題進(jìn)行研究。

天津大學(xué)通過水泵變頻調(diào)速和系統(tǒng)恒壓節(jié)流等流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行管路實(shí)驗(yàn)，研究穩(wěn)壓罐相應(yīng)工況下的穩(wěn)流效果，并采用純液相穩(wěn)態(tài)模擬與分析了四種不同結(jié)構(gòu)的橫隔板式穩(wěn)壓罐內(nèi)流場(chǎng)［1，2］。目前對(duì)穩(wěn)壓罐內(nèi)部流動(dòng)情況的分析多集中于CFD模擬，探究不同入口速度和罐體邊界條件下蓄能式和隔板式穩(wěn)壓罐純液相流場(chǎng)的速度及壓力分布［3］；在理論分析穩(wěn)壓罐內(nèi)部氣體容積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、脈動(dòng)頻率等對(duì)穩(wěn)壓性能的影響基礎(chǔ)上，變化流動(dòng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)研究其對(duì)穩(wěn)流效果的影響［4］；江蘇省計(jì)量院簡(jiǎn)化設(shè)置了二維穩(wěn)壓罐模型，在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流體參數(shù)進(jìn)行了大量研究，對(duì)穩(wěn)壓罐內(nèi)部壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)等信息進(jìn)行了分析和討論［5-9］。趙天利［10］建立三維穩(wěn)壓罐模型，對(duì)不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其湍流粘度、流量波動(dòng)、速度分布等重要信息。

文中利用Fluent軟件對(duì)布置了三層橫隔板的穩(wěn)壓罐進(jìn)行數(shù)值模擬，主要對(duì)不同孔口直徑的穩(wěn)壓罐穩(wěn)流效果和速度場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況模擬，對(duì)不同方案的穩(wěn)流效果進(jìn)行了分析，詳細(xì)描述了內(nèi)部流場(chǎng)的發(fā)展過程和變化規(guī)律，通過模擬為穩(wěn)壓罐橫隔板孔口均流布置方案及下游管道流量傳感器安裝測(cè)試位置的選取提供基礎(chǔ)性參考。

1 穩(wěn)壓罐瞬態(tài)模型建立與結(jié)果分析

1.1 模型建立與邊界條件

穩(wěn)壓罐三維建模參數(shù)如圖1所示，穩(wěn)壓罐內(nèi)豎擋板及橫隔板厚度為10mm。橫隔板上均勻的孔口使得流動(dòng)更加均勻，罐內(nèi)上部氣空間可容納管路夾氣，并有效地吸收液體的湍動(dòng)動(dòng)能，緩沖液體脈動(dòng)，增大穩(wěn)壓效果。為深入研究橫隔板上的孔徑設(shè)置對(duì)穩(wěn)流效果的影響，文中建立了四種不同橫隔板孔徑均流方案，對(duì)方案1和方案2進(jìn)行瞬態(tài)模擬，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表1。

圖1 橫隔板式穩(wěn)壓罐結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

表1 橫隔板孔徑設(shè)置方案 mm

穩(wěn)壓罐內(nèi)初始時(shí)刻下部為液體，上部為氣空間，液面高度設(shè)置為1650mm，進(jìn)水管道和出水管道長(zhǎng)度分別設(shè)置為5倍、20倍直管段，考慮到模擬簡(jiǎn)化，進(jìn)出水管道均設(shè)為滿管流。上游管道入口設(shè)置為脈動(dòng)速度入口，流量條件為Q=500+25sin（100πt）；壓力出口為絕對(duì)壓力470721Pa；計(jì)算過程不考慮傳熱影響，將計(jì)算域內(nèi)所有壁面均設(shè)為絕熱壁面。流體物性中水采用75℃的物性參數(shù)，空氣設(shè)為理想氣體。

1.2 模擬結(jié)果與分析

1.2.1 罐體內(nèi)部流量波動(dòng)

以流量波動(dòng)系數(shù)來(lái)評(píng)估穩(wěn)流效果，已知入口處流量波動(dòng)系數(shù)為5%。將出口管段2倍直徑位置處設(shè)為監(jiān)測(cè)面。由表2可知，經(jīng)過穩(wěn)壓罐后，監(jiān)測(cè)面處流量波動(dòng)系數(shù)陡降為0.09%和0.11%，可見上述孔口布置方案的都能夠起到均流和穩(wěn)壓的作用，特別是方案1對(duì)流量和壓力波動(dòng)的衰減和吸收更佳。

表2 監(jiān)測(cè)面流量最值及波動(dòng)系數(shù)

以方案2為例分析來(lái)流液體后穩(wěn)壓罐內(nèi)液面震蕩過程，從圖2中可看出來(lái)流液體后30s內(nèi)穩(wěn)壓罐液面的波動(dòng)過程。t=0時(shí)刻，此時(shí)尚未進(jìn)水，穩(wěn)壓罐內(nèi)上側(cè)氣相空間內(nèi)充滿氣體，液面平穩(wěn)。入口進(jìn)水后，t=0.5s時(shí)刻，水流擠壓上側(cè)氣相空間使其體積減小，呈入口側(cè)液面升高而出口側(cè)液面降低。t=1s時(shí)刻，氣相空間體積增大，入口側(cè)液面有所下降而出口側(cè)液面明顯上升，氣液交界面中心處向下凹陷。t=1.5s時(shí)刻，氣相空間體積進(jìn)一步增大，出口側(cè)液面再次下降，氣液交界面中心處存在一凹陷，但兩側(cè)趨勢(shì)均為“左高右低”。t=2s時(shí)刻，氣相空間體積再次減小，出口側(cè)液面回升，氣液交界面變化趨勢(shì)較緩，總體趨勢(shì)為“中心低，兩側(cè)波浪狀”。液體流動(dòng)過程中，穩(wěn)壓罐內(nèi)處于動(dòng)態(tài)變化過程中，內(nèi)部流體震蕩幅度較大。

圖2 不同時(shí)刻的空氣體積分?jǐn)?shù)

t=30s時(shí)，穩(wěn)壓罐內(nèi)液體逐漸趨近于準(zhǔn)靜態(tài)，液面震蕩幅度逐漸衰減，管路中的流體進(jìn)入穩(wěn)壓罐后，內(nèi)部液面震蕩周期約為2s，未見氣泡。從圖2模擬結(jié)果中可知，外來(lái)液體流入后沖擊穩(wěn)壓罐內(nèi)流體，內(nèi)部液面產(chǎn)生震蕩，過程中水體多次擠壓氣空間，氣相空間的反復(fù)壓縮與膨脹吸收了來(lái)流液體的湍動(dòng)動(dòng)能，達(dá)到穩(wěn)壓穩(wěn)流的目的。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)A設(shè)置于穩(wěn)壓罐軸心線距封頭頂端250mm處。由圖3可知，該點(diǎn)壓力在420～530kPa之間波動(dòng)，隨著時(shí)間推進(jìn)，穩(wěn)壓罐的穩(wěn)壓作用越來(lái)越明顯，氣相空間壓力波幅逐漸減小，18s后壓力波動(dòng)已小于70Pa，可認(rèn)為此時(shí)系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)置穩(wěn)壓罐的目的。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的壓力逐時(shí)衰減

根據(jù)湍流粘度的相關(guān)定義可知，隨著湍流粘度的增加，流動(dòng)過程的湍動(dòng)強(qiáng)度逐步增加，此時(shí)流動(dòng)的穩(wěn)定性越差。氣液兩相的湍流粘度有較大差別，液相湍流粘度更大。

圖4中可清晰地觀察到氣液分界面，在出口區(qū)域處，方案1湍流粘度更小，其湍動(dòng)強(qiáng)度更小，流體擾動(dòng)更小，穩(wěn)流效果更好。

圖4 不同孔徑布置時(shí)罐內(nèi)流動(dòng)的湍流粘度

1.2.2 下游出水管道速度分布

經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)流后，液體流量波動(dòng)大幅減小，但流量傳感器在出口管道的具體安裝位置仍需考慮。當(dāng)穩(wěn)壓罐內(nèi)液體向罐體出水口匯聚時(shí)，由于過流斷面突然縮小，流線曲率急變，附近流場(chǎng)湍動(dòng)劇烈，圖4的方案2中非常明顯。

由圖5、圖6可知，在1倍管徑處，出水管道水平方向（E-E ）流體流速以管道中心為軸線大體呈現(xiàn)出軸對(duì)稱分布規(guī)律，垂直方向（F-F ）下側(cè)區(qū)域流速更高，不具備對(duì)稱性，其原因在于流體進(jìn)入出水管道時(shí)受壓差和重力驅(qū)使。顯然1倍管徑處不能作為流量測(cè)試點(diǎn)，在10倍管徑處，流體經(jīng)長(zhǎng)距離管段流動(dòng)發(fā)展，一定程度上減輕了不對(duì)稱性，但并未完全達(dá)到均勻流。

圖5 出水管道上不同徑向截面速度分布

圖6 不同孔徑布置下出水管道縱向截面速度分布

總之，出水管道橫向截面上流速呈軸對(duì)稱分布，縱向截面上流速分布發(fā)生偏移。多數(shù)流量計(jì)應(yīng)在充分發(fā)展的湍流狀態(tài)下測(cè)量，且有壓管流的流速應(yīng)呈均勻流，據(jù)上述原則，穩(wěn)壓罐出水管道10倍管徑以內(nèi)不宜設(shè)置流量傳感器。

2 穩(wěn)壓管穩(wěn)態(tài)模型建立與結(jié)果分析

2.1 模型建立與邊界條件

由瞬態(tài)模擬結(jié)果可知，出水管道的流量波動(dòng)系數(shù)極小，流場(chǎng)參數(shù)基本保持穩(wěn)定，上部氣空間穩(wěn)定，液面波動(dòng)較小。因瞬態(tài)模擬計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，故在進(jìn)行孔口設(shè)置優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬時(shí)，僅關(guān)注罐內(nèi)液體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬結(jié)果。文中對(duì)前文四種孔徑設(shè)置方案進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，穩(wěn)態(tài)模型中液位高度H=1790mm，不考慮氣空間，其他模型參數(shù)設(shè)置與圖1一致。穩(wěn)壓罐上游設(shè)置為2.5m/s的恒定速度入口，其余參數(shù)同前。

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 穩(wěn)壓罐內(nèi)流量波動(dòng)

監(jiān)測(cè)面B為出水管道2倍管徑處的過流斷面。由圖7可知，在方案1和方案2中，由于第一層橫隔板孔徑較大且各層橫隔板孔徑不同，流過第一層橫隔板后流體未達(dá)到穩(wěn)定時(shí)即進(jìn)入第二層橫隔板，此時(shí)流體再次被孔口打散，隔板間隔空間上速度非常不均勻。在方案3和方案4中，由于橫隔板孔徑較小且孔口分布均勻，能夠有效的對(duì)過流斷面上的流動(dòng)進(jìn)行均流。上述分析充分說(shuō)明，相同尺寸小孔徑的橫隔板設(shè)計(jì)方案能夠?qū)α黧w有較好的均流效果，避免了橫隔板間流體相互摻混的情況。

圖7 不同孔徑布置的罐內(nèi)速度場(chǎng)

橫隔板上的孔徑尺寸會(huì)對(duì)流體混合程度產(chǎn)生影響，而流體的混合程度又與流體運(yùn)動(dòng)軌跡、旋渦分布等相關(guān)，那么孔徑尺寸的設(shè)計(jì)就會(huì)影響到出口的液體湍流粘度。觀察圖8垂直擋板右側(cè)以及出口區(qū)域，方案1與其他方案相比湍流粘度較高，這說(shuō)明方案1此處有旋渦生成，流體湍動(dòng)程度顯著增強(qiáng)，并不利于出水管道流體的穩(wěn)定。方案4中罐內(nèi)的下部區(qū)域產(chǎn)生了旋渦區(qū)，相比之下方案4中流體湍流粘度小，湍動(dòng)程度低，更趨于穩(wěn)定。

圖8 不同設(shè)計(jì)方案的罐體內(nèi)部湍流粘度圖

由圖9可知，湍流粘度大小順序?yàn)榉桨?、2、3和4，說(shuō)明方案4穩(wěn)壓罐湍流粘度最小，壓力脈動(dòng)衰減更強(qiáng)，穩(wěn)流效果最好，與其他方案相比，可以在距離較近、時(shí)間較短的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓穩(wěn)流的目的。

圖9 不同設(shè)計(jì)方案的出水管道湍流粘度圖

2.2.2 下游出水管道速度分布

由圖10可知，在1倍管徑處，管道過流斷面處流速分布非常不對(duì)稱性，斷面的下側(cè)區(qū)域流速高于上側(cè)區(qū)域的流速。在10倍管徑處，與1倍管徑處相比，整體速度分布情況較好，四種方案的流速分布中，上側(cè)區(qū)域流速增加較為明顯，下側(cè)區(qū)域流速普遍減小。方案4速度分布呈現(xiàn)出軸對(duì)稱分布趨勢(shì)，但其他方案的下側(cè)流速仍明顯高于上側(cè)流速，速度分布沒有軸對(duì)稱分布趨勢(shì)。根據(jù)下游出水管道速度分布情況可知方案4可以更快更近更好的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)流的目的。

圖10 不同設(shè)計(jì)方案的出水管道流速分布圖

3 結(jié)語(yǔ)

文中使用Fluent軟件建立三維橫隔板式穩(wěn)壓罐模型，在瞬態(tài)工況下對(duì)兩相流脈動(dòng)速度入口情況進(jìn)行了模擬，在穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)液相恒定速度入口情況下的孔口布置方案進(jìn)行優(yōu)化模擬，研究結(jié)果如下：

（1） 兩相流瞬態(tài)模擬結(jié)果顯示，在5%的入口流量波動(dòng)系數(shù)時(shí)，方案1和方案2的監(jiān)測(cè)面B流量波動(dòng)系數(shù)分別為0.09%、0.11%，說(shuō)明適當(dāng)減小橫隔板孔徑，可降低出口區(qū)域的湍流粘度，削弱湍流動(dòng)能，強(qiáng)化穩(wěn)流效果。

（2） 穩(wěn)態(tài)模擬優(yōu)化中采用恒定速度入口，對(duì)4種孔徑分布方案進(jìn)行計(jì)算，分析孔徑對(duì)穩(wěn)壓罐穩(wěn)流效果的影響，方案4孔徑相同且最小，此時(shí)出水管道的湍流粘度最小，斷面速度分布最優(yōu)，相比于其他方案效果更好。