摘要(yao):研究基于差壓(yā)式流量計 的大(da)氣總懸浮顆粒(li)物采樣器流量(liang)仿真問題,應用(yong)FLUENT流體仿真軟件(jian),對空氣經過孔(kong)闆前後的壓力(lì).和速度進行仿(pang)真研究。仿真初(chū)始條件爲空氣(qi)密度1.29kg/m3,入口速度(du)100L/min,溫度22℃,大氣壓101.325kPa,在(zai)上述工況下得(de)到了空氣經過(guo)流量計的壓力(lì)分布雲圖、速度(du)流線圖以及在(zai)10~90L/min流速區間内的(de)差壓數值。氣體(ti)從錐形孔闆經(jing)過時壓力減小(xiao),流經流量計下(xia)端部時流量增(zeng)大,從而産生了(le)孔闆前後的壓(yā)差,孔闆入口流(liu)速60L/min時,壓差很小(xiao),會影響采樣泵(beng)的線性控.制。該(gai)研究對于應用(yong)流體仿真軟件(jian)對大氣總懸浮(fu)顆粒物采樣器(qi)流量差壓式孔(kong)闆流量計特性(xìng)的研究提供了(le)方向,不同流速(sù)差壓的研究對(dui)孔闆流量計結(jié)構的改進和優(you)化有一定的指(zhǐ)導和借鑒意義(yì)。
0引言
　　總懸浮顆(kē)粒物采樣器指(zhi)能夠采集空氣(qi)動力學當量直(zhi)徑小于100μm顆粒物(wù)的采樣器。其基(jī)本原理是使一(yī)-定體積的空氣(qi)恒速通過已知(zhī)質量的濾膜時(shi),懸浮于空氣中(zhong)的顆粒物被阻(zǔ)留在濾膜上,根(gen)據濾膜增加的(de)質量和通過濾(lǜ)膜的空氣體積(jī),确定大氣中總(zǒng)懸浮顆粒物的(de)質量濃度總懸(xuán)浮顆粒物采樣(yàng)器空氣流量計(ji)算的精度是影(ying)響設備的核心(xin)技術指标,其中(zhōng)差壓式流量計(ji)取壓性能直接(jie)關系到空氣流(liú)量的換算。
　　标準(zhǔn)孔闆流量計是(shì)差壓式流量計(jì)中爲典型的一(yi)種結構,由取壓(ya)裝置、孔闆和流(liú)裝置構成,如圖(tu)1所示。
 
　　本研究應用CFD軟(ruǎn)件對空氣流過(guo)孔闆進行流場(chang)分析,觀察差壓(yā)式流量計内部(bù)的空氣速度和(he)壓力分布對後(hòu)期 孔闆流量計(ji) 的優化設計有(you)理論支撐作用(yong)。
1差壓式孔闆流(liú)量計計量原理(li)
　　當流體經過管(guǎn)道内的孔闆時(shí),會造成流體的(de)局部收縮,從而(ér)使流體的瞬時(shi)速度增大,在孔(kǒng)闆的前後變形(xíng)成了壓差。在總(zǒng)懸浮顆粒物采(cǎi)樣器中,當環境(jìng)空氣從上而下(xià)經過孔口時,由(yóu)于具有一定的(de)流速,形成一定(dìng)的負壓狀态,産(chǎn)生了一個與空(kōng)氣流量的平方(fang)根成正比的壓(ya)差。壓差經矽膠(jiao)管連接到壓差(cha)傳感器上,産生(sheng)與壓差信号成(cheng)比例的電信号(hao),經過軟件計算(suan)處理顯示出氣(qi)體流量。
流量方(fang)程式是從伯努(nǔ)利方程和連續(xu)性方程推導而(er)來,如下所示:
 
　　式(shi)中:Q0爲差壓口處(chu)氣體流量,L/min,标定(dìng)介質爲空.氣;α爲(wei)流量系數,與節(jiē)流裝置的結構(gou)形式、取壓方式(shi)、孔口截面積與(yu)管道截面積之(zhi)比m、雷諾數Re、孔口(kou)邊緣銳度、管壁(bì)粗糙度等因素(sù)有關;對于标準(zhun)節流裝置,α的值(zhi)可從有關手冊(ce)中查出(附);對于(yu)非标準節流裝(zhuang)置,α值要由實驗(yàn)方法确定,且确(que)定的α值隻能應(yīng)用在一定的條(tiao)件下;ξ爲膨脹修(xiū)正系數,與孔闆(pǎn)前後壓力的相(xiàng)對變化量、介質(zhì)的等熵指數、孔(kǒng)口截面積與管(guǎn)道截面積之比(bi)等因素有關,對(duì)氣體來說,通常(chang)在0.9~1.0,當p2/P1的值接近(jìn)于1時,膨脹修正(zhèng)系數接近于1;A。爲(wei)孔口内.截面積(ji),m2;△p爲壓差信号,Pa,等(deng)同于流量傳感(gan)器的.信号值;pr爲(wèi)流量計前壓力(li),絕對壓力,Pa;T,爲流(liu)量計前溫度,絕(jue)對溫度,K;ρ爲節流(liu)裝置.上遊取壓(ya)口的氣體密度(dù),kg/m3,ρ=MPr/RTr。
2孔闆流量計内(nei)部流場數字仿(pang)真
2.1創建幾何模(mó)型
　　使用三維軟(ruǎn)件建立總懸浮(fú)顆粒物采樣器(qi)差壓式孔闆流(liu)量計的三維幾(jǐ)何模型[3]如圖2所(suǒ)示。孔闆上端和(he)下端的管部直(zhí)徑爲20mm,孔闆上端(duan)管長爲20mm,下端管(guǎn)長爲30mm。由于該幾(ji)何模型整個爲(wei)回轉體,爲減少(shǎo)計算量,簡化實(shí)體模型如圖3所(suǒ)示。
 
　　用四邊形網(wǎng)格計算管形流(liú)場,靠近孔闆椎(zhui)體的網格密度(dù)明顯較密,管道(dao)端部的網格明(míng)顯稀疏,從而保(bao)證網格的光滑(hua)度,加快計算的(de)叠代收斂速度(dù),避免臨近單元(yuán)體積的快速跌(diē)變所引起的截(jie)斷誤差孔闆流(liú)量計網格劃分(fèn)模型如圖4所示(shi)。
 
2.2流體仿真(zhēn)分析
　　差壓式孔(kǒng)闆流量計 模拟(nǐ)仿真介質爲環(huán)境空氣,密度爲(wèi)1.29kg/m3,設定入口速度(dù)爲5.31m/s,溫度爲22℃,大氣(qi)壓爲101.325kPa。設定了仿(páng)真介質和初始(shi)條件後,對湍流(liu)模型進行選擇(zé),差壓式孔闆流(liu)量計在仿真模(mó)拟中,流體流場(chǎng)入口速度爲5.31m/s,用(yong)雷諾系數公式(shi)進行計算:
Re=pvd/η(2)
　　式中(zhong):Re爲雷諾數;ρ爲密(mì)度,kg/m3;D爲流速,m/s;d爲特(te)征長度(内徑),mm;η爲(wei)動力黏性系數(shu),Pa.s。
　　将設定條件代(dài)人式(2)得:Re=7611,由于7611>2300,所(suǒ)以差壓式流量(liang)計管道内的氣(qi)體流動歸屬于(yú)湍流,仿真中選(xuan)擇湍流模型進(jin)行計算。
　　對空氣(qi)在設定工況的(de)基礎上進行流(liú)體分析仿真,得(dé)到差壓式孔闆(pǎn)流量計管道内(nei)壓力和速度的(de)分布情況'51,如圖(tú)5~6所示。
 
　　圖5中,顔色(sè)深淺代表壓力(li)的大小分布情(qíng)況,單位.爲Pa。從圖(tu)中可以得出,氣(qi)體流入流量計(ji)孔闆上端管道(dao)部分,由于氣泵(bèng)抽氣産生負壓(ya),壓力值大概在(zài)-3.422X104--3.443x104Pa,氣體流入錐形(xing)孔闆瞬間,壓力(li)急速減小,壓力(lì)減小範圍在-3.443x104--3.518x104Pa,經(jīng)過孔闆後壓力(lì)維持在-3.507x104~-3.497x104Pa。氣體從(cóng)錐形孔闆經過(guo)時壓力減小,流(liu)經流量計下端(duan)部時流量增大(dà),從而産生了孔(kǒng)闆前後的壓差(cha),環境空氣經過(guo)差壓式孔闆時(shí),由于孔闆的阻(zǔ)隔瞬間形成高(gāo)壓狀态,孔闆的(de)錐角處圓角處(chu)理,空氣流過孔(kǒng)闆椎孔處壓力(li)有一-定程度的(de)增大。流體仿真(zhen)得到的流量計(jì)個管道速度分(fèn)布情況如圖6所(suǒ)示,單位爲m/s。如圖(tú)所示,氣體流入(rù)流量計孔闆上(shang)端瞬間,産生了(le)一個回轉對稱(chēng)性的速度場,中(zhong)心軸線處速度(du)最大,氣體在差(chà)壓式流量計管(guan)壁處碰撞後産(chan)生回旋,速度降(jiang)低并産生壓降(jiang),在錐形孔處由(yóu)于錐角做圓角(jiao)處理後,平緩過(guò)渡,氣體速度有(yǒu)不同程度的增(zēng)大。氣體流入孔(kong)闆前速度範圍(wéi)大概在0.2754~1.913m/s,流人孔(kong)闆瞬間,速度增(zeng)大,管道軸心處(chu)速度最高可達(da)3.799m/s,經過孔闆後速(sù)度範圍大概在(zai)1.913~3m/s,并向管壁處速(sù)度遞減從而在(zài)管壁處形成回(huí)旋産生低壓。氣(qì)體未經過錐形(xíng)孔闆前速度變(bian)化明顯較小,經(jing)過孔闆後速度(dù)明顯增大,在管(guǎn)道軸心處速度(du)數值最大。
 
2.3.差壓(yā)式孔闆流量計(jì)差壓分析
　　孔闆(pǎn)壓力損失是孔(kǒng)闆.上端測得壓(yā)力與孔闆下端(duan)測得壓力數值(zhi)之差,差壓數據(jù)穩定性是控制(zhi)泵的關鍵條件(jiàn)[7-8]。參考100L/min的仿真條(tiáo)件,将入口速度(du)調整至10~90L/min,每10L/min作爲(wei)一次步長,流體(ti)仿真後得到流(liú)速、動壓、靜壓和(hé)差壓的數據,如(rú)表1所示。
 
3結束語(yǔ)
　　本文根據差壓(ya)式孔闆流量計(jì)的計量原理,應(ying)用FLUENT軟件對空氣(qì)流過孔闆進行(háng)流場分析,得到(dao)了空氣經過流(liú)量計的壓力分(fèn)布雲圖、速度流(liú)線圖以及在10~90L/min流(liu)速區間内的差(chà)壓數值,得出如(rú)下結論:
(1)通過初(chu)始條件分析和(hé)計算雷諾數R。可(kě)知,差壓式流量(liang)計管道内的氣(qi)體流動歸屬于(yú)湍流,仿真中選(xuǎn)擇湍流模型進(jìn)行計算;
(2)氣體從(cong)錐形孔闆經過(guò)時壓力減小,流(liu)經流量計下端(duān)部時流量增大(da),從而産生了孔(kong)闆前後的壓差(cha),孔闆入口流速(su)60L/min時,壓差很小,會(hui)影響采樣泵的(de)線性控制,在錐(zhui)形孔處由于錐(zhuī)角做圓角處理(li),空氣流過孔闆(pǎn)椎孔處壓力和(he)速度有不同程(cheng)度的增大;
(3)分析(xī)差壓式流量計(jì)内部的空氣速(sù)度和壓力分布(bù),爲後期孔闆流(liú)量計的提供了(le)依據。

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