摘要(yao):研究基(jī)于差壓(ya)式流量(liang)計 的大(da)氣總懸(xuan)浮顆粒(lì)物采樣(yang)器流量(liang)仿真問(wèn)題,應用(yòng)FLUENT流體仿(páng)真軟件(jiàn),對空氣(qi)經過孔(kong)闆前後(hou)的壓力(li).和速度(du)進行仿(pang)真研究(jiu)。仿真初(chu)始條件(jiàn)爲空氣(qi)密度1.29kg/m3,入(ru)口速度(du)100L/min,溫度22℃,大(dà)氣壓101.325kPa,在(zài)上述工(gong)況下得(dé)到了空(kōng)氣經過(guò)流量計(ji)的壓力(lì)分布雲(yun)圖、速度(dù)流線圖(tu)以及在(zai)10~90L/min流速區(qū)間内的(de)差壓數(shù)值。氣體(ti)從錐形(xíng)孔闆經(jing)過時壓(yā)力減小(xiao),流經流(liú)量計下(xia)端部時(shi)流量增(zeng)大,從而(ér)産生了(le)孔闆前(qian)後的壓(yā)差,孔闆(pan)入口流(liú)速60L/min時,壓(ya)差很小(xiao),會影響(xiǎng)采樣泵(bèng)的線性(xìng)控.制。該(gāi)研究對(dui)于應用(yòng)流體仿(páng)真軟件(jian)對大氣(qì)總懸浮(fú)顆粒物(wu)采樣器(qi)流量差(cha)壓式孔(kong)闆流量(liàng)計特性(xìng)的研究(jiū)提供了(le)方向,不(bu)同流速(sù)差壓的(de)研究對(dui)孔闆流(liú)量計結(jie)構的改(gǎi)進和優(yōu)化有一(yi)定的指(zhǐ)導和借(jiè)鑒意義(yì)。
0引言
　　總(zǒng)懸浮顆(ke)粒物采(cǎi)樣器指(zhǐ)能夠采(cai)集空氣(qì)動力學(xue)當量直(zhi)徑小于(yú)100μm顆粒物(wù)的采樣(yang)器。其基(jī)本原理(lǐ)是使一(yi)-定體積(ji)的空氣(qì)恒速通(tōng)過已知(zhi)質量的(de)濾膜時(shí),懸浮于(yu)空氣中(zhong)的顆粒(lì)物被阻(zu)留在濾(lǜ)膜上,根(gēn)據濾膜(mo)增加的(de)質量和(hé)通過濾(lǜ)膜的空(kong)氣體積(jī),确定大(dà)氣中總(zong)懸浮顆(ke)粒物的(de)質量濃(nóng)度總懸(xuan)浮顆粒(li)物采樣(yàng)器空氣(qi)流量計(jì)算的精(jīng)度是影(ying)響設備(bèi)的核心(xin)技術指(zhǐ)标,其中(zhōng)差壓式(shi)流量計(jì)取壓性(xing)能直接(jiē)關系到(dao)空氣流(liu)量的換(huàn)算。
　　标準(zhǔn)孔闆流(liú)量計是(shì)差壓式(shì)流量計(jì)中爲典(diǎn)型的一(yī)種結構(gòu),由取壓(yā)裝置、孔(kong)闆和流(liú)裝置構(gòu)成,如圖(tu)1所示。
 
　　本研究(jiu)應用CFD軟(ruan)件對空(kong)氣流過(guò)孔闆進(jìn)行流場(chang)分析,觀(guan)察差壓(yā)式流量(liàng)計内部(bù)的空氣(qì)速度和(hé)壓力分(fèn)布對後(hòu)期 孔闆(pan)流量計(jì) 的優化(huà)設計有(you)理論支(zhi)撐作用(yòng)。
1差壓式(shi)孔闆流(liu)量計計(ji)量原理(li)
　　當流體(ti)經過管(guan)道内的(de)孔闆時(shí),會造成(cheng)流體的(de)局部收(shou)縮,從而(er)使流體(ti)的瞬時(shí)速度增(zēng)大,在孔(kǒng)闆的前(qián)後變形(xing)成了壓(yā)差。在總(zǒng)懸浮顆(kē)粒物采(cǎi)樣器中(zhōng),當環境(jing)空氣從(cóng)上而下(xià)經過孔(kǒng)口時,由(yóu)于具有(yǒu)一定的(de)流速,形(xing)成一定(dìng)的負壓(yā)狀态,産(chǎn)生了一(yī)個與空(kōng)氣流量(liang)的平方(fāng)根成正(zheng)比的壓(yā)差。壓差(cha)經矽膠(jiāo)管連接(jiē)到壓差(cha)傳感器(qi)上,産生(sheng)與壓差(chà)信号成(cheng)比例的(de)電信号(hao),經過軟(ruǎn)件計算(suan)處理顯(xiǎn)示出氣(qi)體流量(liang)。
流量方(fāng)程式是(shì)從伯努(nǔ)利方程(cheng)和連續(xu)性方程(chéng)推導而(er)來,如下(xià)所示:
 
　　式(shi)中:Q0爲差(cha)壓口處(chu)氣體流(liu)量,L/min,标定(dìng)介質爲(wei)空.氣;α爲(wei)流量系(xì)數,與節(jiē)流裝置(zhi)的結構(gòu)形式、取(qu)壓方式(shì)、孔口截(jié)面積與(yu)管道截(jie)面積之(zhī)比m、雷諾(nuo)數Re、孔口(kou)邊緣銳(rui)度、管壁(bì)粗糙度(du)等因素(su)有關;對(duì)于标準(zhun)節流裝(zhuang)置,α的值(zhi)可從有(you)關手冊(ce)中查出(chu)(附);對于(yú)非标準(zhun)節流裝(zhuang)置,α值要(yào)由實驗(yan)方法确(què)定,且确(què)定的α值(zhi)隻能應(ying)用在一(yī)定的條(tiao)件下;ξ爲(wèi)膨脹修(xiu)正系數(shu),與孔闆(pǎn)前後壓(ya)力的相(xiàng)對變化(huà)量、介質(zhi)的等熵(shang)指數、孔(kǒng)口截面(mian)積與管(guǎn)道截面(miàn)積之比(bǐ)等因素(su)有關,對(dui)氣體來(lái)說,通常(chang)在0.9~1.0,當p2/P1的(de)值接近(jin)于1時,膨(peng)脹修正(zhèng)系數接(jie)近于1;A。爲(wèi)孔口内(nei).截面積(ji),m2;△p爲壓差(chà)信号,Pa,等(deng)同于流(liú)量傳感(gǎn)器的.信(xìn)号值;pr爲(wèi)流量計(jì)前壓力(li),絕對壓(ya)力,Pa;T,爲流(liú)量計前(qián)溫度,絕(jue)對溫度(dù),K;ρ爲節流(liú)裝置.上(shàng)遊取壓(ya)口的氣(qi)體密度(du),kg/m3,ρ=MPr/RTr。
2孔闆流(liú)量計内(nei)部流場(chǎng)數字仿(páng)真
2.1創建(jiàn)幾何模(mo)型
　　使用(yòng)三維軟(ruan)件建立(li)總懸浮(fú)顆粒物(wu)采樣器(qì)差壓式(shi)孔闆流(liu)量計的(de)三維幾(ji)何模型(xing)[3]如圖2所(suo)示。孔闆(pan)上端和(hé)下端的(de)管部直(zhi)徑爲20mm,孔(kǒng)闆上端(duan)管長爲(wei)20mm,下端管(guǎn)長爲30mm。由(yóu)于該幾(jǐ)何模型(xing)整個爲(wèi)回轉體(ti),爲減少(shao)計算量(liàng),簡化實(shí)體模型(xing)如圖3所(suǒ)示。
 
　　用四(si)邊形網(wang)格計算(suan)管形流(liú)場,靠近(jin)孔闆椎(zhuī)體的網(wǎng)格密度(du)明顯較(jiào)密,管道(dào)端部的(de)網格明(ming)顯稀疏(shū),從而保(bǎo)證網格(gé)的光滑(hua)度,加快(kuai)計算的(de)叠代收(shōu)斂速度(dù),避免臨(lín)近單元(yuán)體積的(de)快速跌(diē)變所引(yǐn)起的截(jié)斷誤差(cha)孔闆流(liu)量計網(wǎng)格劃分(fen)模型如(ru)圖4所示(shì)。
 
2.2流(liú)體仿真(zhen)分析
　　差(cha)壓式孔(kong)闆流量(liang)計 模拟(nǐ)仿真介(jiè)質爲環(huán)境空氣(qi),密度爲(wèi)1.29kg/m3,設定入(ru)口速度(dù)爲5.31m/s,溫度(dù)爲22℃,大氣(qì)壓爲101.325kPa。設(shè)定了仿(pang)真介質(zhì)和初始(shi)條件後(hou),對湍流(liu)模型進(jìn)行選擇(ze),差壓式(shì)孔闆流(liú)量計在(zai)仿真模(mó)拟中,流(liú)體流場(chǎng)入口速(sù)度爲5.31m/s,用(yong)雷諾系(xi)數公式(shi)進行計(ji)算:
Re=pvd/η(2)
　　式中(zhong):Re爲雷諾(nuo)數;ρ爲密(mi)度,kg/m3;D爲流(liú)速,m/s;d爲特(te)征長度(du)(内徑),mm;η爲(wèi)動力黏(nián)性系數(shu),Pa.s。
　　将設定(ding)條件代(dai)人式(2)得(dé):Re=7611,由于7611>2300,所(suǒ)以差壓(ya)式流量(liang)計管道(dào)内的氣(qì)體流動(dòng)歸屬于(yú)湍流,仿(pang)真中選(xuǎn)擇湍流(liú)模型進(jin)行計算(suàn)。
　　對空氣(qi)在設定(dìng)工況的(de)基礎上(shàng)進行流(liu)體分析(xi)仿真,得(dé)到差壓(yā)式孔闆(pǎn)流量計(ji)管道内(nèi)壓力和(hé)速度的(de)分布情(qing)況'51,如圖(tú)5~6所示。
 
　　圖(tú)5中,顔色(se)深淺代(dai)表壓力(li)的大小(xiǎo)分布情(qing)況,單位(wei).爲Pa。從圖(tu)中可以(yi)得出,氣(qi)體流入(rù)流量計(ji)孔闆上(shàng)端管道(dào)部分,由(you)于氣泵(bèng)抽氣産(chǎn)生負壓(ya),壓力值(zhi)大概在(zai)-3.422X104--3.443x104Pa,氣體流(liu)入錐形(xíng)孔闆瞬(shùn)間,壓力(lì)急速減(jian)小,壓力(lì)減小範(fàn)圍在-3.443x104--3.518x104Pa,經(jīng)過孔闆(pan)後壓力(lì)維持在(zài)-3.507x104~-3.497x104Pa。氣體從(cong)錐形孔(kong)闆經過(guo)時壓力(li)減小,流(liú)經流量(liàng)計下端(duan)部時流(liú)量增大(dà),從而産(chǎn)生了孔(kong)闆前後(hou)的壓差(cha),環境空(kōng)氣經過(guo)差壓式(shì)孔闆時(shi),由于孔(kǒng)闆的阻(zu)隔瞬間(jiān)形成高(gāo)壓狀态(tai),孔闆的(de)錐角處(chu)圓角處(chù)理,空氣(qì)流過孔(kong)闆椎孔(kong)處壓力(li)有一-定(ding)程度的(de)增大。流(liú)體仿真(zhen)得到的(de)流量計(jì)個管道(dao)速度分(fen)布情況(kuang)如圖6所(suǒ)示,單位(wèi)爲m/s。如圖(tu)所示,氣(qì)體流入(ru)流量計(jì)孔闆上(shang)端瞬間(jian),産生了(le)一個回(hui)轉對稱(cheng)性的速(su)度場,中(zhōng)心軸線(xiàn)處速度(dù)最大,氣(qì)體在差(cha)壓式流(liú)量計管(guan)壁處碰(peng)撞後産(chan)生回旋(xuán),速度降(jiàng)低并産(chǎn)生壓降(jiang),在錐形(xing)孔處由(you)于錐角(jiao)做圓角(jiǎo)處理後(hòu),平緩過(guò)渡,氣體(tǐ)速度有(yǒu)不同程(chéng)度的增(zeng)大。氣體(tǐ)流入孔(kong)闆前速(su)度範圍(wéi)大概在(zai)0.2754~1.913m/s,流人孔(kǒng)闆瞬間(jiān),速度增(zēng)大,管道(dào)軸心處(chù)速度最(zuì)高可達(da)3.799m/s,經過孔(kǒng)闆後速(su)度範圍(wei)大概在(zài)1.913~3m/s,并向管(guan)壁處速(su)度遞減(jian)從而在(zai)管壁處(chu)形成回(hui)旋産生(sheng)低壓。氣(qì)體未經(jīng)過錐形(xíng)孔闆前(qian)速度變(bian)化明顯(xian)較小,經(jing)過孔闆(pǎn)後速度(dù)明顯增(zēng)大,在管(guan)道軸心(xin)處速度(dù)數值最(zui)大。
 
2.3.差壓(yā)式孔闆(pǎn)流量計(jì)差壓分(fen)析
　　孔闆(pan)壓力損(sǔn)失是孔(kǒng)闆.上端(duan)測得壓(yā)力與孔(kǒng)闆下端(duān)測得壓(ya)力數值(zhi)之差,差(chà)壓數據(ju)穩定性(xing)是控制(zhi)泵的關(guān)鍵條件(jian)[7-8]。參考100L/min的(de)仿真條(tiao)件,将入(rù)口速度(du)調整至(zhi)10~90L/min,每10L/min作爲(wei)一次步(bu)長,流體(ti)仿真後(hou)得到流(liú)速、動壓(yā)、靜壓和(hé)差壓的(de)數據,如(ru)表1所示(shi)。
 
3結束語(yu)
　　本文根(gen)據差壓(yā)式孔闆(pan)流量計(jì)的計量(liang)原理,應(yīng)用FLUENT軟件(jian)對空氣(qi)流過孔(kǒng)闆進行(háng)流場分(fen)析,得到(dào)了空氣(qi)經過流(liu)量計的(de)壓力分(fen)布雲圖(tu)、速度流(liu)線圖以(yi)及在10~90L/min流(liú)速區間(jiān)内的差(cha)壓數值(zhi),得出如(ru)下結論(lùn):
(1)通過初(chū)始條件(jian)分析和(he)計算雷(léi)諾數R。可(ke)知,差壓(yā)式流量(liang)計管道(dao)内的氣(qi)體流動(dong)歸屬于(yu)湍流,仿(páng)真中選(xuǎn)擇湍流(liú)模型進(jìn)行計算(suàn);
(2)氣體從(cóng)錐形孔(kǒng)闆經過(guò)時壓力(lì)減小,流(liú)經流量(liang)計下端(duān)部時流(liu)量增大(da),從而産(chan)生了孔(kong)闆前後(hou)的壓差(chà),孔闆入(rù)口流速(sù)60L/min時,壓差(chà)很小,會(hui)影響采(cai)樣泵的(de)線性控(kòng)制,在錐(zhui)形孔處(chu)由于錐(zhuī)角做圓(yuan)角處理(li),空氣流(liu)過孔闆(pan)椎孔處(chu)壓力和(he)速度有(yǒu)不同程(chéng)度的增(zēng)大;
(3)分析(xī)差壓式(shi)流量計(ji)内部的(de)空氣速(su)度和壓(yā)力分布(bu),爲後期(qi)孔闆流(liú)量計的(de)提供了(le)依據。

本(ben)文來源(yuan)于網絡(luo),如有侵(qīn)權聯系(xì)即删除(chú)！