摘要(yao):針對速度分布的(de)不對稱性對均速(su)管流量計 測量精(jing)度影響的問題，利(li)用計算流體力學(xué)(CFD)軟件，對均速管流(liu)量計的内部流場(chǎng)進行了3D數值模拟(nǐ)。采用有限體積法(fa)，引人标💜準k-ensilon湍流模(mó)型對控制方程進(jìn)行離散和💚求解，得(de)出了均速管流量(liàng)計在彎管後不同(tóng)直管段位✊置和不(bú)同流速條件下的(de)流場🔅動力學參數(shu);利用得到的差壓(ya)模拟數據計算得(dé)出流量系數🏃‍♂️，并對(dui)測量精度進行了(le)分析。
引言
　　均速管(guan)流量計是基于皮(pí)托管流量計發展(zhan)起來的一種新型(xíng) 差壓式流量計 ，其(qí)目的是爲了克服(fu)皮托管流量計因(yin)單點取樣而🌈對管(guan)内速度分布對稱(cheng)性的嚴格要求。通(tong)過采用如圖1所示(shi)的在近管壁處的(de)多點取壓方法，均(jun)速管流量計可以(yi)應用于非對稱性(xing)流🏃🏻‍♂️速分布管段的(de)流量🥵測量，适用範(fan)圍更大，測量精度(du)也有所提🚩高。因其(qí)結🈲構簡單，安裝方(fāng)便，價格低和節能(néng)的優💁點，現已被廣(guǎng)泛的應用于冶金(jin)、石化等工業計量(liang)中。
 
　　圖2所示爲均速(sù)管流最計檢測杆(gǎn)的橫截面，其均壓(ya)原理是湧過🥰分布(bù)幹管壁附近的多(duo)點取壓孔..将壓🔴強(qiang)引入檢測杆内部(bù)的均壓腔，迎流面(miàn)取壓孔.引人高壓(yā)(沖壓)，側面取壓孔(kong)引入低壓(靜壓)，引(yǐn)入的各點壓強在(zài)均壓腔内平均後(hòu)被引㊙️壓管引出。
 
　　均(jun)速管流量計測量(liang)原理遵循伯努利(lì)方程，設均速管流(liú)量計檢測杆迎流(liú)取壓孔處速度爲(wei)U,(m/s)，壓力爲P1(Pa)，檢測杆側(cè)流取壓孔.處的流(liu)速爲U2(m/s)，壓力爲P2(Pa)，忽略(luè)摩擦阻🤩力，流體🐆高(gāo)度差等因素🏃🏻，可得(dé)到⛷️:
 
　　其中流量系數(shu)K由多種因素共同(tóng)影響，是測量探頭(tóu)速☎️度系♈數🧑🏽‍🤝‍🧑🏻、被測管(guan)道速度分布修正(zhèng)系數和管道安💚裝(zhuāng)幹擾系數三部分(fen)的乘積4。其中速度(dù)系數可看作流量(liàng)計在均勻流場中(zhong)流速與✂️輸出差壓(ya)之間關系的修正(zheng);速度分布系數是(shì)管道内處幹充分(fen)發展流♌動時流速(sù)分布對平均速度(du)測量影響🏃🏻的修正(zhèng);系數則是現場安(ān)裝條件對流量測(cè)量影響的修正1。流(liú)量🈲系數K的準✂️确與(yu)否會直接影響流(liú)最測量的精度。工(gong)🈲程應用時都是通(tong)過實驗标定作爲(wèi)固定值應用于實(shí)際測量。
　　均速管流(liu)量計取樣具有實(shí)際意義的前提是(shì)管道内的速度💁分(fèn)🏃布是對稱穩定的(de)充分發展湍流，各(ge)個💃取壓孔的速度(dù)算數平均值近似(sì)等于管道截面的(de)平均速度"，這是插(chā)入式均速流量計(ji)的測量精度取決(jué)于管道内流速分(fen)布的特點。--般而言(yán)，完全對稱的速度(dù)分布是最理想的(de)，但在應用過程💛中(zhōng)受實際情況的限(xian)制，并不能保證有(yǒu)足夠長的直管段(duàn)使流動達到充分(fèn)發展，在現場直管(guan)段長度較短、上遊(you)又有彎管阻件導(dǎo)緻流速❓分布複雜(za)時，測量誤💘差會較(jiao)大。
　　爲了更深人地(dì)了解管内流速分(fen)布特點對流量系(xì)數的影響，本🍓文對(duì)處幹彎管後不同(tong)直管段位置和㊙️不(bu)同流速條件下的(de)均速流量計内部(bù)流場進行了數值(zhi)模拟，并分析了管(guan)内速度分布對均(jun)速管流量計的測(cè)量精度的影響。
1.數(shu)值模拟
1.1物理模型(xing)和數值方法
　　計算(suàn)洗擇檢測杆有效(xiào)長度爲200mm的彈頭狀(zhuang)威力巴均速📞管🔴流(liú)量計爲物理模型(xing);垂直于管道中心(xīn)線、彎管平面⭕插入(rù);三對取壓🐉孔按照(zhao)切比雪夫法分布(bù)[6l;陽塞📐比爲8.9%，可忽略(luè)檢測杆對管道内(nèi)流速的💯影響;工作(zuò)介質爲常溫空氣(qi)，密度⛹🏻‍♀️爲1.225ke/m3，運動黏度(dù)爲1.7894x10-5;彎管前直管段(duàn)L0=20D，彎管後直管💛段長(zhang)度L1=4D~11D，均速管流量計(jì)後直管段長度爲(wei)L2=5D,圖3所示爲計算域(yu)彎管平面示意圖(tú)，流速範圍爲6~30m/s,對應(ying)的雷💜諾數範圍是(shì)0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前處理軟件(jian)ICEM對計算區域進行(háng)網格劃分，采用非(fēi)均勻網格，并對網(wǎng)格進行優化，檢測(ce)杆内部空腔🐕采用(yòng)較密集的網格，最(zui)小網格尺寸爲0.2mm，對(dui)靠近流量🍉計的一(yī)-段管道進行加密(mi)最小🏃🏻網格尺寸爲(wèi)1mm，以保證數值模拟(nǐ)的精度圖4是整個(ge)流場的三維✉️仿真(zhēn)模型示意圖。
 
　　用Fluent流(liu)體力學軟件進行(háng)數值模拟，用有限(xiàn)體積法對控制方(fang)程進行離散，模型(xing)選用标準k-eDsilon湍流模(mo)型，近壁㊙️區采用标(biao)準壁💘面函數法，入(rù)口條件采用Velocitv-inlet，出口(kou)條件采用Pressure-outlet。
1.2控制方(fang)程和湍流模型
　　求(qiu)解各個算例的的(de)流體動力學特性(xìng)可以用流體力學(xue)基本方🧑🏾‍🤝‍🧑🏼程14.71.
連續性(xìng)方程爲:
 
 
式中，Umax是管(guan)道中心速度，r是管(guǎn)道内部任意.點距(ju)離管中✔️心的距✉️離(lí)，R是管道半徑，指數(shù)n與雷諾數Re有關。
1.4仿(páng)真結果和讨論
　　在(zai)不同直管段位置(zhì)和不同流速的條(tiáo)件下，引用标準k-ε模(mó)🚶‍♀️型🔴，模拟得出了均(jun)速管流量計附近(jìn)的速度場和壓力(li)場🐇。
　　圖5所示是入口(kou)流速爲15m/s的條件下(xia)，直管段内充分發(fā)展的湍流(L0=0，無♋彎管(guǎn)附件，L;=20D，L2=5D)的模拟結果(guǒ)。由速度雲圖(圖💔5a)看(kan)出👌，在流量計迎流(liú)面上:沒有開孔.的(de)位置，流速驟然下(xià)降💃并接近幹零，在(zai)🔴取壓孔處的速度(du)雖然有所下降，但(dàn)并不爲零。根據充(chong)分發展湍流的速(su)度分布可知，管中(zhong)心☀️處的速度最⚽大(da)，檢測杆上半部的(de)三個取壓孔的速(su)度🤞分别爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示總(zong)壓腔内的流體不(bú)是靜止的，流☁️體從(cong)中心附近的兩個(ge)取壓口流人，從近(jìn)壁處的取壓刊.流(liú)出。檢測杆下半部(bù)的三個取壓孔的(de)流速分🔴别爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shàng):半部分基本對稱(chēng)。壓力雲圖(圖🍓5b)則顯(xian)示了檢測杆内部(bu)壓力的差異。壓腔(qiang)内的壓力是由取(qu)壓孔引人的壓力(lì)平均之後得到的(de)結果，總壓腔是正(zheng)高壓，爲184.233Pa，靜壓腔是(shì)負低壓，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給出(chū)了直管段充分發(fā)展湍流條件下，均(jun)速管流量計前0.25D處(chù)的🔴縱軸截面上.的(de)速度分布，可以看(kan)出在此情形下㊙️的(de)湍流流形是對稱(chēng)的、均勻的。
 
　　對幹受(shòu)彎管影響的湍流(liú)(Lo=20D，有彎管附件，L1=4D~11D，L2=5D)的情(qing)況，圖7給出✌️的是入(ru)口速度爲15m/s時均速(sù)管流量計處幹彎(wān)管後4D位置的模拟(nǐ)結果的雲圖。從速(sù)度雲圖(圖7c)看出速(su)度分布明顯不對(duì)⭐稱。靠近🈲管中心的(de)取壓孔附近的流(liu)速分别爲4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近(jìn)管壁的取壓孔附(fu)近的流速爲-1.123m/s、-1.339m/s;由取(qu)壓孔引入的壓力(li)也出現了較大變(bian)化，總壓腔内壓強(qiáng)爲172.492Pa，靜壓腔爲--44.958Pa。雲圖(tú)也展示了速度和(he)壓強的等值區域(yu)受彎管影♌響而産(chǎn)生的變化。
 
　　處幹彎(wān)管後的均速管流(liú)量計前0.25D處縱軸截(jie)面上的速🏃🏻度分布(bù)如圖8所示。縱坐标(biāo)爲縱軸截面徑向(xiàng)t點的位置🔞，橫坐🔴标(biao)爲各點的速度，曲(qǔ)線代表了均速管(guan)流量計處于彎管(guan)後不同位置時測(ce)量的流體的速度(du)分布。可以很明顯(xiǎn)看⭐出在彎管下遊(you)有很長一段範圍(wéi)内，速度分👅布是中(zhōng)間低📧，兩側高，中間(jiān)的速度逐步增大(dà)，到11D處仍然🔞是外側(cè)的速度大于内側(ce)的速☔度，之後再繼(jì)續發展。
 
　　表1列出的(de)是根據模拟的差(chà)壓數據計算得到(dao)的均速管流🙇‍♀️量計(jì)的流量系數K。可以(yǐ)看出，處幹彎管後(hòu)的💋均速管流量計(ji)測得的流量系數(shu)與對稱分布的充(chōng)✨分發展湍流下得(dé)到的流量系數存(cun)在一-定的偏差，表(biao)明管内速度分布(bù)的不均勻性對測(cè)量精度的影🈲響，在(zai)實際應用中應該(gai)加以修正。
 
　　圖9是不(bú)同流速條件下，檢(jiǎn)測杆位于彎管後(hòu)4D~11D距離時的流最系(xi)數的模拟結果。可(ke)以發現，有彎管影(ying)響時的流量系數(shù)均😘高于充分發展(zhan)湍流情形下的值(zhí)，這是速度分布的(de)不對稱性導緻的(de)結果。因此，在均速(su)🌈管流量計的應用(yong)上，當測量位置處(chù)于彎管後一定🏃🏻的(de)距離内，應對流量(liang)系數⛹🏻‍♀️進行修正，否(fǒu)則導緻測量❌結果(guo)的偏差。
 
2結語
　　本文(wen)對彎管後不同直(zhí)管段位置和不同(tóng)流速下的均速管(guan)流🌐量計的流場進(jin)行了三維數值模(mó)拟，模拟得出了不(bú)同情況下檢測杆(gan)内部的流動情況(kuang)和管内速度分布(bu)的🌏不對稱性對均(jun)🈚速管流量計測量(liàng)的影響。得出了以(yi)下結論:
1)均速管流(liu)量計垂直安裝幹(gan)彎管平面後,在彎(wān)管後4D~11D這段距離内(nei)，檢測杆前縱軸截(jié)面上的速度呈現(xian)出⭕“中間低，兩邊高(gao)”的規律。
2)彎管引起(qǐ)的管内速度分布(bù)的不對稱性對流(liú)量測量精度㊙️的影(ying)響大，建議對彎管(guǎn)後11D内安裝的流量(liàng)計進行流量系數(shu)修正。

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