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平衡流量計流動特性數(shù)值計算分析

本項目選取DN50平衡流量計和孔板流量計為研究對象,通過CFX數(shù)值計算對比兩種流量計的流動特性,平衡流量計孔板背面渦流明顯減少,因此阻力減小、精度提高、穩(wěn)定段縮短。本文詳細介紹了數(shù)值計算流場區(qū)域、網(wǎng)格劃分和物理模型等內(nèi)容,對計算結(jié)果進行充分分析。

1 引言

由于平衡流量計相比于孔板流量計具備精度高、量程比寬、前、后穩(wěn)定段短、壓損低、長期穩(wěn)定、耐贓污、適用性廣等多項優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用到美國天然氣、煉油、氣體行業(yè)、化工廠、鋼鐵廠、發(fā)電廠等各個行業(yè)，是一種具有廣闊應用前景的節(jié)能儀表。

傳統(tǒng)節(jié)流裝置只有一個流體流通孔徑，孔兩邊的死區(qū)產(chǎn)生大量的渦流消耗流體的動能，會導致很大的壓力損失，隨機和雜亂渦流所形成的噪聲引起取壓點信號波動，使測量線性度和重復性降低，單孔結(jié)構(gòu)需要很長的前、后穩(wěn)定段來整理流場和恢復壓力。

平衡流量計對傳統(tǒng)節(jié)流裝置進行了極大的改進，變單孔為多孔結(jié)構(gòu)，具有能平衡調(diào)節(jié)流場的顯著特征。平衡流量計設計有多個函數(shù)孔徑，能巧妙實現(xiàn)流體平衡測量，明顯減少渦流的形成、降低死區(qū)效應、減少流體動能的損失、降低渦流帶來的取壓點信號波動。

本文采用數(shù)值計算方法對平衡流量計內(nèi)部流動特性進行研究，并與孔板流量計內(nèi)部流動特性進行對比，檢驗其在平衡調(diào)節(jié)流場及流量測量方面的性能優(yōu)勢，以CFX為設計工具開展平衡流量計前期研究，為試驗模型設計奠定基礎(chǔ)。

2.數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型和條件

平衡流量計節(jié)流板上開孔所遵循的原則有兩條：

1）平衡流量計開孔面積比的平方根與普通孔板流量計直徑比β相同2）流體流過每個孔的平均流速相等。

開孔策略包括：開孔數(shù)量、開孔位置、開孔大小，具體選取需要根據(jù)DN值、β值調(diào)整。

設計確定DN50、β=0.5的平衡流量計節(jié)流板開孔圖見圖1a，為了初步驗證開孔原則及策略的合理性，在保持β值不變前提下，改變多孔板開孔大小，見圖1b,將兩種開孔方式計算結(jié)果進行比較。

選取DN50平衡流量計和DN50孔板流量計為研究對象，直徑比β都取為0.5，節(jié)流板厚度依照孔板流量計設計標準都取為2.5mm，由于孔板流量計只是作為對比研究，簡化節(jié)流板中心孔φ25，其末端不倒角。平衡流量計節(jié)流孔板從中心到邊緣共布置三排孔，孔板前后均為DN50直管段，節(jié)流孔板孔邊緣結(jié)構(gòu)為直角，實現(xiàn)雙向測量，不易磨損，β值可長期保持不變，大大延長檢定周期，節(jié)省檢定費用。平衡流量計流場計算區(qū)域。

在確定了計算區(qū)域后進行計算網(wǎng)格劃分。在CFX10.0前處理軟件ICEM中給出了多種可用的網(wǎng)格形式，有四面體網(wǎng)格、三棱柱體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格等?？装辶髁坑嫼推胶饬髁坑嬃鲌鰠^(qū)域均采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，提高工作效率。根據(jù)內(nèi)部流道尺寸相應的設定四面體網(wǎng)格大小，針對一般工程計算，保證流道截面沿直徑方向劃分10個網(wǎng)格節(jié)點即可保證計算精度，以此為網(wǎng)格劃分方法在整個流場區(qū)域內(nèi)合理的設定網(wǎng)格大小?？装辶髁坑嫼推胶饬髁坑嫻?jié)流孔板處的網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果影響***為敏感，這兩處的網(wǎng)格劃分適當加密。

網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響是很大的，所以對于網(wǎng)格需要特別進行敏感性分析，本研究主要通過在孔板流量計和平衡流量計節(jié)流孔板區(qū)域加密網(wǎng)格進行比較，討論網(wǎng)格對計算結(jié)果的敏感性分析。對于孔板流量計，由于內(nèi)部流場較紊亂、渦流較多，因此網(wǎng)格細化對于計算收斂沒有作用，為了節(jié)省計算時間，***終數(shù)據(jù)處理采用網(wǎng)格較粗、計算達到收斂的結(jié)果。平衡流量計網(wǎng)格加密前后計算均達到收斂，網(wǎng)格加密前后計算結(jié)果對比見ICEM完成幾何造型和網(wǎng)格劃分后，再進入CFX10.0-Pre中，進行流體物性參數(shù)和邊界條件的定義，同時確定計算物理模型。選取常溫下的水（25℃）作為流體介質(zhì)，參考壓力設定為1.0MPa，其密度、粘度采用CFX數(shù)據(jù)庫中對應默認值。進行邊界條件定義時，所有未的面均作無滑移固體表面處理，入口面和出口面需要特別，入口邊界條件給定為入口平均流速，計算工況見表2。入口湍流強度采用中等強度5%；出口邊界條件給定為等壓面，其值取為0Pa。

由于計算流量覆蓋范圍對應流體流動狀態(tài)均為湍流，且流道結(jié)構(gòu)無特殊性，計算物理模型選取常用的k-ε雙方程湍流模型。在對一階迎風收斂與高精度收斂計算結(jié)果對比后，發(fā)現(xiàn)差壓計算結(jié)果***大偏差不超過3%，數(shù)值計算收斂方式均采用一階迎風（upwind），收斂殘差為1×10-4。

表2 數(shù)值計算給定入口邊界條件工況表

入口流速(m/s) 體積流量(m3/h) 雷諾數(shù)

0.15 1.06 8.4E+03

0.3 2.12 1.7E+04

0.6 4.24 3.4E+04

1.2 8.48 6.7E+04

2.4 16.96 1.3E+05

4.8 33.91 2.7E+05

6.0 42.39 3.4E+05

8.0 56.52 4.5E+05

2.2 計算結(jié)果與分析

2.2.1 平衡流量計節(jié)流孔板流速分布

通過后處理程序CFX10.0-Post對計算結(jié)果進行分析處理，平衡流量計入口流速2.4m/s工況下，從內(nèi)到外1、2、3排孔的孔內(nèi)平均流速分別為9.5m/s、9.6 m/s、9.6 m/s，因此平衡流量計節(jié)流孔板開孔方式滿足平衡流量計設計原則：即流體流過每個孔的平均流速相等。節(jié)流孔板開孔方式無需調(diào)整，可直接應用于試驗模型設計。

孔徑變化后從內(nèi)到外1、2、3排孔的孔內(nèi)平均流速分別為9.75m/s、9.64 m/s、9.43 m/s，通過比較得出：多孔板孔徑變化會直接影響到流速分布。原開孔方式更佳。

2.2.2 孔板流量計與平衡流量計流動特性對比

流量計節(jié)流孔板前后的渦流會導致差壓測量波動性較大和重復性不佳，進而影響流量計測量精度。在流量計入口流速2.4m/s工況下，計算得到的孔板流量計和平衡流量計節(jié)流孔板前后渦流圖見圖3。由圖3可見，相比于孔板流量計，平衡流量計節(jié)流孔板變一孔為多孔后，渦流明顯減少，死區(qū)范圍縮小，流線也隨之平坦，這些變化有利于獲取高質(zhì)量差壓信號，巧妙實現(xiàn)流體平衡測量，提高流量計測量精度。流量計多種入口流速工況計算結(jié)果對比表明：流線和漩渦大小不隨流量計流量大小變化而變化，因此無論流量大小，差壓測量受渦流影響不可避免。

平衡流量計孔徑變化后渦流增加，且流線明顯更為彎曲。渦流增加對差壓測量產(chǎn)生不利因素，流線彎曲會增加平衡流量計的前后穩(wěn)定段長度，因此原開孔方式更佳。

流體流經(jīng)節(jié)流孔板后，需要一定長度的穩(wěn)定段使流動充分發(fā)展，穩(wěn)定的流場利于獲取穩(wěn)定的差壓信號，孔板流量計和平衡流量計節(jié)流孔板前后全壓分布云圖見圖4。

（孔徑變化）

（原始孔徑）

圖4 孔板流量計和平衡流量計全壓分布云圖

由圖4可見，孔板流量計需要10D的后穩(wěn)定段來穩(wěn)定流場，而平衡流量計大約只需要1D的后穩(wěn)定段即可使流體充分發(fā)展，因此平衡流量計所需前、后穩(wěn)定段長度相比于孔板流量計可大幅縮短。平衡流量計孔徑變化后需要的后穩(wěn)定段大致為4D，說明原開孔方式更佳。

2.2.3 孔板流量計與平衡流量計阻力系數(shù)、流出系數(shù)C對比

平衡流量計在角接取壓和法蘭取壓兩種取壓方式下，圓周方向存在三個取壓位置，詳見圖5。不同取壓位置對壓力測量存在影響，以角接取壓為例，表3分別列出三種取壓位置計算結(jié)果。

取壓位置 孔板前壓力(Pa) 孔板后壓力(Pa) 差壓(Pa

A 54600.1 -11153.6 65753.7

B 50168.4 -14922.5 65090.9

C 54582.0 -11164.2 65746.3

計算結(jié)果表明A、C取壓位置壓力基本相等，B取壓位置壓力不等，但A、B、C位置得到的差壓基本一致，由于數(shù)值計算無法獲得壓力測點的穩(wěn)定性，***終取壓位置的確定尚需試驗驗證。

選取A取壓位置計算出平衡流量計流出系數(shù)及阻力系數(shù)，計算阻力系數(shù)的參考截面為流量計入口DN50圓形截面，平衡流量計所有工況計算結(jié)果見表4。

阻力系數(shù)計算公式為：

流出系數(shù)計算公式為：

體積流量(m3/h) 角接取壓 法蘭取壓 前2D后2D

取壓

 差壓(Pa) 流出

系數(shù) 差壓(Pa) 流出

系數(shù) 差壓(Pa) 阻力系數(shù)

1.06 265 0.199 199 0.230 199 17.8

2.12 1047 0.200 783 0.232 786 17.5

4.24 4137 0.202 3082 0.234 3094 17.2

8.48 16450 0.202 12216 0.235 12259 17.1

16.96 65753 0.202 48744 0.235 48857 17.0

33.91 263508 0.202 195432 0.235 195711 17.0

42.39 410441 0.203 302888 0.236 302960 16.9

56.52 729374 0.203 537997 0.236 537943 16.9

數(shù)值計算得到孔板流量計和平衡流量計阻力系數(shù)分別為：24.2、16.9，可見在相同β值下，平衡流量計阻力系數(shù)是孔板流量計的70%，在節(jié)能方面具備優(yōu)勢。

在量程范圍1～56m3/h內(nèi)，平衡流量計角接取壓、法蘭取壓流出系數(shù)C分別為0.202、0.235，不同取壓方式對流出系數(shù)C存在明顯影響。平衡流量計具體的取壓方式還有待試驗驗證。

平衡流量計流出系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re增大而增大，是由于平衡流量計有效減少渦流，測壓點處渦流對壓力影響遠遠小于孔板流量計，去除渦流影響后，根據(jù)流出系數(shù)計算公式，其趨勢和阻力系數(shù)變化正好相反，計算數(shù)據(jù)吻合了這種趨勢。平衡流量計流出系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re增大而增大的變化趨勢也與西安交大《多孔板流量測量的實驗研究》試驗數(shù)據(jù)相吻合。平衡流量計阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)Re增大而減小，變化趨勢也與真shi情況相吻合。

3 .結(jié)論

數(shù)值計算表明，平衡流量計阻力系數(shù)是孔板流量計的70%，具備節(jié)能優(yōu)勢。相比與孔板流量計，平衡流量計需要的前、后穩(wěn)定段更短，流線更平坦，且流經(jīng)節(jié)流孔板產(chǎn)生的渦流大幅減少，這些因素能有效提高平衡流量計測量精度。

平衡流量計流場符合設計構(gòu)想，通過不同開孔方式計算結(jié)果對比，初步驗證了開孔原則和策略的合理性。平衡流量計具體取壓方式及取壓位置有待試驗驗證。試驗模型可依照平衡流量計計算流場區(qū)域進行設計。