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)量檢定測試院,哈爾濱 150036）

0 引言

準(zhǔn)確測量流量是能源計(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［1，2］。目前對穩(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)研究其對穩(wěn)流效果的影響［4］；江蘇省計(jì)量院簡化設(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，對穩(wěn)壓罐內(nèi)部壓力場和速度場等信息進(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軟件對布置了三層橫隔板的穩(wěn)壓罐進(jìn)行數(shù)值模擬，主要對不同孔口直徑的穩(wěn)壓罐穩(wěn)流效果和速度場進(jìn)行評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況模擬，對不同方案的穩(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度分別設(shè)置為5倍、20倍直管段，考慮到模擬簡化，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)來評估穩(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)測面。由表2可知，經(jīng)過穩(wěn)壓罐后，監(jiān)測面處流量波動(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對流量和壓力波動(dòng)的衰減和吸收更佳。

表2 監(jiān)測面流量最值及波動(dòng)系數(shù)

以方案2為例分析來流液體后穩(wěn)壓罐內(nèi)液面震蕩過程，從圖2中可看出來流液體后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較緩，總體趨勢為“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試點(diǎn)，在10倍管徑處，流體經(jīng)長距離管段流動(dòng)發(fā)展，一定程度上減輕了不對稱性，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，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，能夠有效的對過流斷面上的流動(dòng)進(jìn)行均流。上述分析充分說明，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

橫隔板上的孔徑尺寸會對流體混合程度產(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)出軸對稱分布趨勢，但其他方案的下側(cè)流速仍明顯高于上側(cè)流速，速度分布沒有軸對稱分布趨勢。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

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)測面B流量波動(dòng)系數(shù)分別為0.09%、0.11%，說明適當(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4種孔徑分布方案進(jìn)行計(jì)算，分析孔徑對穩(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。