差壓式(shì)孔闆流量計(ji)縮徑管流場(chǎng)數值 發布時(shí)間:2025-12-15
0引言 差壓(yā)式流量計 (DifferentialPressureFlowme-ter,簡(jian)稱DPF)是根據安(an)裝于管道中(zhōng)流量檢測件(jiàn)産生的差壓(yā)、已知的流體(ti)條件和檢測(ce)件與管道的(de)幾何尺寸來(lai)測量流量的(de)儀表。DPF是基🏃于(yu)流體流動的(de)節流原理,利(li)用流體流經(jing)節流裝置時(shí)産生的壓🚩力(li)差而實現流(liú)量測量,是目(mu)前生産中測(ce)量流量最成(chéng)熟、最常用的(de)方法之一[1]。DPF的(de)發展曆史已(yi)逾百年,至今(jin)已開發出來(lái)的差壓式🤩流(liú)量計超過30多(duō)種,其中應用(yong)最普遍、最具(jù)代表性的差(chà)壓式流量計(ji)有4種: 孔闆流(liú)量計 、經典文(wén)丘裏管流量(liàng)計、 環形孔闆(pan)流量計 和 V 錐(zhui)流量計 (見圖(tú)1)。 關(guan)于差壓式流(liú)量計的數值(zhi)模拟已有數(shù)十年,但至今(jin)很少有将數(shù)值模拟與理(lǐ)論經驗公式(shi)相結合,系📞統(tong)分析其内部(bu)流場的[2-3]。針對(dui)差壓式孔闆(pǎn)流量計 ,利用(yong)ANSYS-CFX軟件,結合ISO經(jīng)驗計算公式(shì),進行縮徑管(guan)段的流場數(shu)值;通過分析(xi)影響内部流(liu)場的主要因(yīn)素,探讨設計(jì)參數的變化(hua)規律及可能(néng)存在的問題(ti)(沉積、沖蝕等(děng)),從🈲而爲工程(chéng)實際提供實(shí)質性的建議(yi)與指導。 1差壓(ya)式流量計流(liu)動水力特性(xìng) 1.1基本方程推(tuī)導 對于定常(cháng)流動,在壓力(lì)取值孔所在(zài)的兩個截面(mian)(截⭐面🍉A和B)處👉滿(man)足質量守恒(héng)及能量守恒(heng)方程[4]。在充分(fèn)紊流的理想(xiǎng)情況下,流體(tǐ)流動連續性(xìng)方程和伯努(nǔ)利方程分别(bie)爲: 式中 ρ———密度(du),kg/m3 D———截面A處的管(guǎn)内徑,m `v—A,`v—B———截面A,B處(chu)的流速,m/s d'———縮徑(jìng)孔倒角處内(nèi)徑,m pA,pB———截面A,B處的(de)壓力,Pa CA,CB———修正系(xi)數常數項 ξ———局(ju)部損失阻力(lì)系數 由式(1),(2)基(jī)本方程可得(de): 式中 μ———收縮系(xì)數 d———縮徑管段(duàn)内徑,m β———截面比(bi) ψ———取壓系數,實(shi)際值與測量(liàng)值的一個偏(piān)差修正 将參(can)數變量方程(chéng)組代入式(3)可(ke)得: 式中 qm———質量(liang)流量,kg/s ε———流體膨(peng)脹系數 Δp———差壓(ya),Pa D和D/2取壓方式(shi)的标準孔闆(pan)流出系數主(zhu)要由截面比(bǐ)β及雷諾數Re決(jué)🤞定,經驗計算(suàn)式如下: 1.2孔闆(pǎn)流量計 孔闆(pan)流量計是最(zuì)普遍、最具代(dai)表性的差壓(yā)式流量計之(zhī)一。作爲标準(zhun)節流裝置的(de)孔闆流量計(ji),因其測🏃♀️量的(de)标準性而得(dé)到廣泛的應(ying)用,主要應用(yòng)領域有:石油(yóu)、化工、電力、冶(ye)金、輕👉工等。 計(jì)量功能的實(shi)現是以質量(liàng)、能量守恒定(dìng)律爲基礎。其(qi)内😄部流場流(liu)動特性如圖(tú)2所示。輸送介(jie)質充滿管道(dao)後,當流經縮(suō)徑管段時⛹🏻♀️,流(liu)束将受節流(liú)作用局部收(shou)縮,壓👌能部分(fen)🚶轉變爲動能(neng)同時形成流(liú)體加速帶,從(cong)而縮徑孔前(qian)後便産生了(le)明顯的壓降(jiang)值。初始流速(su)越大,節流所(suǒ)産生的壓降(jiàng)值也越大,故(gu)可以通過🧡壓(yā)降值的監🤞測(cè),結合式(8)來測(cè)定流體流量(liang)的大小。孔闆(pǎn)流量計的取(qu)壓方式有3種(zhǒng):D和D/2取壓♻️、法蘭(lán)取壓及角接(jie)取壓。選取D和(hé)D/2取壓的孔闆(pǎn)流量計(見圖(tu)3)展開其内部(bù)流場的數值(zhi)模拟與理論(lun)編程計算。 2基于ANSYS-CFX的标準(zhun)孔闆流量計(jì)數值模拟 2.1建(jiàn)模算例 2.1.1幾何(hé)建模 如圖3标(biāo)準孔闆流量(liang)計的D和D/2取壓(ya)結構,選取Solidworks軟(ruan)件進行建模(mó)🈲[5],建立如下模(mó)型:管内徑100mm,縮(suo)徑孔直徑40mm(截(jie)面比爲0.4),縮⭐徑(jing)孔厚度3mm,所建(jian)模型如圖4所(suo)示。 2.1.2網格劃分(fen) 選取ICEMCFD軟件對(dui)所建立的幾(ji)何模型進行(hang)網格劃分[6],爲(wei)了提高🏃♂️計算(suàn)精度,對縮徑(jing)孔部位及管(guan)内壁邊界層(ceng)網格📧進行局(jú)部加密💃及網(wang)格質量處理(li);在固液交界(jie)📞管壁處,進行(hang)邊界層網✍️格(ge)處理(從面第(dì)一層單元開(kāi)始的擴大率(lǜ)爲1.2;從面開始(shǐ)增長的層數(shu)爲5);同時,對于(yú)管段角點處(chu)未生成理想(xiang)🈲邊界層網格(ge),通過CurveNodeSpacing和CurveElementSpacing進行(hang)網格節點數(shù)🐕劃分,從而生(sheng)成較爲理想(xiǎng)網格。其✨結果(guo)如圖5所示。 2.1.3前(qian)處理及求解(jiě)計算 選取全(quán)球第一個通(tōng)過ISO9001質量認證(zheng)的CFD商用軟件(jiàn)CFX進行縮徑管(guan)段流場數值(zhí)模拟[7]。在其前(qian)處理模塊(CFX-Pre)中(zhōng)定義流體介(jie)質🈲爲水😄,流量(liang)爲0.5m3/h(此工況條(tiao)件下的雷諾(nuo)數爲1804),采用入(rù)口定流、出口(kǒu)定壓的定☂️義(yi)模式。近壁面(mian)湍流采用标(biao)準壁面函數(shù)法。CFX求解器🌈(CFX-Solver)主(zhǔ)要使用有限(xiàn)體積☀️法,本模(mo)拟計🥰算殘差(cha)設定爲10-6,計算(suàn)後達到穩定(ding)的收斂狀态(tai)。 2.1.4結果分析 經(jīng)CFX後處理模塊(kuai)(CFX-Post)處理,計算結(jie)果顯示:流體(tǐ)流經縮徑孔(kǒng)時,經節流💞加(jia)速作用,在縮(suo)徑孔下遊形(xing)成一個沿軸(zhou)向對稱🔴的峰(fēng)值速度帶,在(zài)靠近管段内(nei)壁出現兩㊙️個(gè)反向流動的(de)渦流區(見圖(tú)6);湍⛷️流動能較(jiao)強區域出現(xiàn)在縮徑孔下(xià)遊,并呈現出(chū)兩🔅個對稱的(de)橢圓形峰值(zhi)帶(見圖7)。縮徑(jìng)孔上遊及縮(suō)徑孔處的🛀雷(lei)諾數分别爲(wei)1830,4790(即此時兩者(zhe)的流态分别(bié)處💁于層流區(qu)、湍流區)。數值(zhí)模拟的📐高低(dī)壓取值孔💘壓(ya)差爲13.56Pa,利用式(shì)(9)可計算求得(de)流出系數爲(wei)0.6461,由經💔驗公式(shi)編程計算可(ke)得流出系數(shu)爲0.6254,兩者計算(suàn)誤差爲3.31%。由此(cǐ)說明兩種方(fāng)法的吻合度(du)較好,可利用(yòng)ANSYS-CFX數值模拟方(fang)法展開相應(ying)的工作。 圖5計(jì)算區域及網(wǎng)格劃分示意(yi) 2.2标準孔闆流(liú)量計流場影(ying)響因素探讨(tǎo) 利用ANSYS-CFX數值模(mo)拟軟件,以上(shàng)述所建模型(xing)爲基礎,對 标(biāo)準孔闆流量(liàng)計 縮徑管段(duan)的介質流動(dòng)情況展開進(jìn)一步的探讨(tǎo)。對流體流速(su)‼️、流體粘度、縮(suō)徑孔闆厚度(dù)及截面比4個(ge)主♋要影響因(yin)素進行數值(zhí)模拟分析,針(zhēn)對流出系數(shu)計算變量,将(jiāng)模拟結果與(yu)理論公式編(bian)程計算結果(guo)進行對比。其(qi)中,理論編程(cheng)計算依據遵(zūn)循上述基本(běn)方程式(式(1)~(9))。 2.2.1不(bú)同流體流量(liàng)(流速) 爲流量(liàng)(流速)對縮徑(jìng)管段流場分(fen)布的影響,建(jiàn)立如下模型(xing):管内⁉️徑100mm,縮徑(jing)孔直徑50mm(截面(miàn)比爲0.5),選取水(shui)作爲流動介(jiè)質。考慮到流(liu)體可能處于(yú)不同流态的(de)情況,在層流(liu)區、過渡區及(ji)紊💘流區分别(bie)選取3個流量(liàng)值進🏃♂️行模拟(nǐ)與💃🏻理論計算(suan)。 數值模拟可(ke)求得各流量(liàng)下的雷諾數(shù)、高低壓取壓(yā)孔壓👨❤️👨降值及(jí)👉流出系數(見(jiàn)表1)。計算結果(guo)表明,數值模(mó)拟所求得的(de)流🤩出系數與(yǔ)理論公式編(biān)程計算值吻(wěn)合度較高(特(te)别👈是在層💰流(liú)區),誤差基本(běn)控制在5%以内(nei)(層流區時☎️誤(wu)差僅爲1.5%左右(yòu)),數值🙇♀️模拟流(liú)出系數值始(shi)🌈終略大于編(biān)程計算值(見(jian)圖8)。編程計算(suàn)顯示,随着流(liú)量的增大,流(liú)出✉️系數逐漸(jiàn)減小🔆,在層流(liu)區遞減速度(dù)較快;模拟結(jie)果顯示,在層(ceng)流區及紊流(liu)區,流出系數(shu)📧随流量增大(da)而降低,在過(guo)渡區,流出系(xi)數随流量的(de)增大而升高(gao),由于過渡區(qu)流态的不确(què)定性,摩阻系(xì)📐數同時受到(dào)粗糙度及雷(lei)諾數的作用(yong),在模拟工況(kuàng)👨❤️👨條件下呈現(xian)出此變化規(guī)🌐律,對于其他(tā)模拟工況還(hai)需展開相關(guan)的論證。層流(liú)🏃🏻區流動系數(shù)的變化規律(lü)主要取決于(yú)在該流态下(xià),雷諾數😘變化(hua)🌈幅度大(跨越(yue)一個數量級(ji)),由式(9)可得,雷(lei)諾數的急劇(ju)變化會引起(qǐ)流出系數的(de)大幅度🛀🏻波動(dòng)。表明:流量的(de)變化會引起(qi)💜流出系數的(de)顯著變化。 2.2.2不(bu)同介質粘度(du)(流體介質) 爲(wei)介質粘度對(duì)縮徑管段流(liu)場分布的影(ying)響,建立如下(xià)模型:管内👣徑(jìng)100mm,縮徑孔直徑(jing)50mm(截面比爲0.5),流(liu)量10m3/h。如表2所示(shì),選取一系列(liè)不同粘度♍值(zhí)的典型管輸(shū)流體,進行數(shu)值模拟與編(bian)程計算分析(xi)。計✏️算結果表(biao)明,随着粘度(dù)的增大🛀🏻,數值(zhi)模拟與編程(chéng)計㊙️算結果呈(cheng)現相同的變(bian)化規律,随着(zhe)粘度的增大(da),流出系數較(jiao)爲規律地逐(zhu)步上升(見圖(tu)9)。數值模拟流(liú)出系數值始(shǐ)終略大于編(bian)程計算值,由(you)于理論計算(suàn)式(ISO裏德哈裏(lǐ)斯/加拉赫公(gōng)式)是基于大(da)量試驗回歸(guī)出的一個經(jīng)驗公式,試驗(yàn)過程中在縮(suō)徑孔存在污(wū)物沉積及沖(chòng)蝕影響,而本(běn)文數值模拟(ni)未涉及到此(cǐ)類問題,故模(mó)拟值将略♉大(da)于理論計算(suàn)值。兩者的計(jì)算誤差在5%以(yi)内,在低粘✂️度(dù)區的計算誤(wu)差較小(在⛷️3%以(yi)内)。表明:流出(chu)系數與輸送(sòng)介質的粘度(du)緊密相關。 2.2.3不(bú)同縮徑孔厚(hou)度 爲縮徑孔(kong)厚度對縮徑(jing)管段流場分(fèn)布的影響,建(jian)立如下模型(xing):管内徑100mm,縮徑(jing)孔直徑50mm(截面(mian)比爲0.5),流量10m3/h,選(xuan)取水作爲流(liú)動介質。按标(biao)準🐕孔闆流量(liang)計的設計要(yào)求💛,此時縮徑(jìng)孔的厚度範(fàn)圍爲0~6mm。以1mm爲增(zeng)量🔆台階,選取(qu)7個縮徑孔厚(hòu)度進行數值(zhi)模拟與編程(cheng)計算,如表3所(suǒ)示📱。 計算結果(guǒ)表明,随着縮(suō)徑孔厚度的(de)增大,編程計(ji)算的流出系(xì)數🤩基本不變(biàn),這是由于,對(dui)于給定的孔(kǒng)闆流量計結(jie)構,在計算流(liú)出系數時其(qi)隻考慮了截(jie)面🙇♀️比及雷諾(nuo)數,不考慮縮(suo)🔱徑孔厚度的(de)影響。而數值(zhi)模♌拟結果顯(xian)示,流出系🧡數(shu)随縮徑🌐孔厚(hòu)度的🔴增大而(ér)增大(見圖10)。這(zhè)是由于,當縮(suo)徑孔厚度增(zēng)大時,流體流(liu)經縮徑孔的(de)節🌂流加速聚(ju)集作用越強(qiáng),在孔口下遊(yóu)所㊙️形成的峰(fēng)⚽值速度帶将(jiang)越長,由能量(liang)守恒可知,此(cǐ)時低壓取值(zhí)孔的壓力值(zhí)将進一步下(xia)降,從而使得(dé)計算壓差變(biàn)大,故流出系(xì)數呈現出随(sui)縮徑孔厚度(du)的增大而增(zēng)大的變化規(guī)律。 2.2.4不同截面(miàn)比(直徑比) 爲(wèi)縮徑孔厚度(dù)對縮徑管段(duàn)流場分布的(de)影響,建立🐇如(ru)下模型:管内(nei)徑100mm,流量10m3/h,選取(qu)水作爲流動(dong)介質。爲涵蓋(gai)一般标💛準孔(kǒng)闆流量計的(de)截面比選取(qǔ)範圍,如表4所(suǒ)示,選取了0.15~0.75範(fàn)🎯圍内的13種截(jié)面💜比進行👌數(shù)值模拟與編(biān)程計算對比(bi)分析。 計算結(jié)果表明,在編(biān)程計算中,流(liú)出系數随截(jié)面比的增♈大(dà)而😄增大,上升(shēng)幅度較爲均(jun)勻;在數值模(mo)拟中,當截面(mian)比小于0.3時,流(liu)出系🐉數随截(jie)面比的增大(dà)而減小,當截(jié)🏃面比大👄于0.3時(shi),流出系數随(suí)截面🥰比的增(zēng)大而增大(見(jian)圖11)。數值模拟(ni)🥵流出系數♋值(zhi)始終略🤞大于(yu)編程計算值(zhi),計算誤差基(ji)本控制在10%以(yi)内,随着截面(miàn)比的增大,兩(liang)者誤差逐漸(jian)減小。在低截(jie)面比節流過(guo)💘程中,由于縮(suō)徑孔較小,流(liu)體流經縮徑(jìng)孔💃🏻時,其徑向(xiàng)分速度🈲及紊(wen)流強度将增(zeng)⭐強,爲了驗證(zheng)這一現象,如(rú)圖12所示,在管(guan)流中添加了(le)一🔅定濃度的(de)固相顆粒,追(zhui)🔆蹤固相顆粒(lì)流經不同縮(suo)徑孔時的運(yùn)動軌迹。圖12中(zhōng)顯示,當截面(miàn)比減小到一(yi)定值時,部分(fèn)固相顆粒在(zài)縮徑孔下遊(you)處沿徑向進(jìn)行較大強度(du)的紊流運動(dòng)。此現象的存(cun)在使得下遊(yóu)的速度帶、渦(wo)流帶✉️及壓力(li)分布🐕不再那(nà)麽規律🚶♀️,從而(er)影響流出系(xì)數的變化規(gui)律及兩種方(fāng)法的計算誤(wu)🍉差。 2.3縮徑管段(duan)沖蝕分析探(tàn)讨 爲标準孔(kong)闆流量計運(yun)用于多相流(liú)領域中所存(cún)在的管段🐇沖(chòng)蝕問題,建立(li)如下模型進(jin)行探讨[8-12]:模拟(nǐ)示👅例以稀相(xiàng)氣固兩相🐇流(liú)爲基礎,氣相(xiàng)選取天然氣(qì),氣速爲10m/s,球形(xing)固相顆粒直(zhí)徑50μm,密度2500kg/m3,固相(xiàng)流量4kg/h,所建管(guan)長5m,管内徑50mm,截(jie)面比0.5。模拟結(jié)果顯示,固相(xiàng)顆粒在縮徑(jing)孔👌上遊較爲(wèi)均勻地沉積(jī)于管段底部(bù),流經縮徑孔(kong)受節流加速(sù)作用,形成一(yi)個峰值速度(du)帶,如圖13所🔴示(shì);固相顆粒對(dui)㊙️管段的最大(dà)沖🌐蝕量不是(shi)發生在孔闆(pǎn)截面⭐上,而是(shì)在縮徑孔下(xia)遊的峰值速(sù)度帶與管段(duàn)内頂部接觸(chu)部分,如圖14所(suǒ)示。 3結論 (1)基于(yu)ANSYS-CFX的差壓式孔(kǒng)闆流量計數(shù)值模拟,可清(qīng)晰直觀地得(dé)到縮💚徑管段(duan)内部流場分(fèn)布。數值模拟(ni)的流出系數(shu)值與❓基于理(lǐ)論公式編程(chéng)計算值誤差(chà)小、吻合度高(gao),可結合具體(tǐ)場合應用于(yu)工程實際。 (2)通(tong)過詳細計算(suàn)了關于孔闆(pǎn)流量計流出(chū)系數的4個主(zhǔ)⭐要影響因素(sù):流量(流速)、粘(zhan)度(流體種類(lei))、縮徑孔厚度(du)及截面✂️比(直(zhí)徑比)。結果表(biao)明,随着流量(liang)的增大,流出(chū)系數逐漸減(jian)小,在層流區(qu)域減小速度(du)快;流體粘㊙️度(dù)、縮徑孔厚度(dù)的增大均會(huì)使得流出系(xì)數增大;當🛀🏻截(jié)面比較小時(shí),流出系數随(suí)其增大而✨減(jian)小,當截面比(bi)較大時,流出(chū)系數随其增(zeng)大而增大。 (3)借(jie)助ANSYS-CFX數值模拟(nǐ)手段,可以輔(fu)助發現理論(lun)公式計算所(suǒ)無法得到的(de)一些現象。如(rú):當截面比小(xiǎo)到一定程度(dù)時🈚,流體在縮(suo)徑孔下遊的(de)徑向速度場(chǎng)及湍流強度(dù)将顯著增強(qiang),進而影響計(ji)算精度;在氣(qi)固兩相流⭕的(de)縮徑管段沖(chong)蝕模拟中可(ke)以發現,管段(duàn)的最大沖蝕(shi)區域不是發(fā)生在縮徑孔(kǒng)闆上,而是✏️在(zai)其下遊管段(duan)的某一管内(nèi)壁的頂部。從(cóng)而針對發現(xiàn)的現象可以(yǐ)展開相應的(de)理論技術。 (4)數(shù)值模拟計算(suan)流出系數值(zhi)始終大于理(li)論編程計算(suan)⛱️值。
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