;                  
                   
        首   页│  公司简介  产品中心  质量体系  销售网络  联系我们
 
  温度仪表系列
  压力仪表系列
  流量仪表系列
  校验仪表系列
  显示仪表系列
  变送器仪表系列
  电线电缆系列
 
  电磁流量计的工作原理
  氧化锆氧传感器的原理及应用
  有害气体检测报警仪选用原则
  我国计量用仪器仪表的发展和现状
  国内仪器仪表行业将发生高科....
  西安交大研制出超高温冲击压....
  采用半导体精密温度传感......
  智能温度传感器的发展趋势
  简述几种气体检测传感器.....
  利用传感器技术制造智能服装
  新型传感器监控鱼群数量
   
 
联系方式
 电话(市场部):0517-86851868  
        0517-86882048  
        0517-86881908
   (拓展部):0517-86882683
 传真:0517-86851869
 邮编:211600
 网址:http://www.qhseller.com
    http://www.sukeyb.com
 E-mail:china-suke@163.com
     sukeyb@163.com
 地址:江苏省金湖县工业园区环城西
 路269号
 您现在的位置 > 首页 > 行业新闻 > 差压式孔板流量计缩径管流场数值研究
     

差压式孔板流量计缩径管流场数值研究
发布时间:2019-04-18

0引言
  差压式流量计(DifferentialPressureFlowme-ter,简称DPF)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量,是目前生产中测量流量最成熟、最常用的方法之一[1]。DPF的发展历史已逾百年,至今已开发出来的差压式流量计超过30多种,其中应用最普遍、最具代表性的差压式流量计有4种:孔板流量计、经典文丘里管流量计、环形孔板流量计V锥流量计(见图1)。
差压式流量计结构图
  关于差压式流量计的数值模拟研究已有数十年,但至今很少有将数值模拟与理论经验公式相结合,系统分析其内部流场的研究[2-3]。文中针对差压式孔板流量计,利用ANSYS-CFX软件,结合ISO经验计算公式,进行缩径管段的流场数值研究;通过分析影响内部流场的主要因素,探讨设计参数的变化规律及可能存在的问题(沉积、冲蚀等),从而为工程实际提供实质性的建议与指导。
1差压式流量计流动水力特性
1.1基本方程推导
  对于定常流动,在压力取值孔所在的两个截面(截面A和B)处满足质量守恒及能量守恒方程[4]。在充分紊流的理想情况下,流体流动连续性方程和伯努利方程分别为:


式中
ρ———密度,kg/m3
D———截面A处的管内径,m
`v—A,`v—B———截面A,B处的流速,m/s
d'———缩径孔倒角处内径,m
pA,pB———截面A,B处的压力,Pa
CA,CB———修正系数常数项
ξ———局部损失阻力系数
由式(1),(2)基本方程可得:

式中
μ———收缩系数
d———缩径管段内径,m
β———截面比
ψ———取压系数,实际值与测量值的一个偏差修正
将参数变量方程组代入式(3)可得:

式中
qm———质量流量,kg/s
ε———流体膨胀系数
Δp———差压,Pa
  D和D/2取压方式的标准孔板流出系数主要由截面比β及雷诺数Re决定,经验计算式如下:

1.2孔板流量计
  孔板流量计是最普遍、最具代表性的差压式流量计之一。作为标准节流装置的孔板流量计,因其测量的标准性而得到广泛的应用,主要应用领域有:石油、化工、电力、冶金、轻工等。
  计量功能的实现是以质量、能量守恒定律为基础。其内部流场流动特性如图2所示。输送介质充满管道后,当流经缩径管段时,流束将受节流作用局部收缩,压能部分转变为动能同时形成流体加速带,从而缩径孔前后便产生了明显的压降值。初始流速越大,节流所产生的压降值也越大,故可以通过压降值的监测,结合式(8)来测定流体流量的大小。孔板流量计的取压方式有3种:D和D/2取压、法兰取压及角接取压。文中选取D和D/2取压的孔板流量计(见图3)展开其内部流场的数值模拟与理论编程计算研究。
孔板流量计流场特性示意图
标准孔板流量计的D和D/2取压结构图
2基于ANSYS-CFX的标准孔板流量计数值模拟
2.1建模算例
2.1.1几何建模
  如图3标准孔板流量计的D和D/2取压结构,选取Solidworks软件进行建模[5],建立如下模型:管内径100mm,缩径孔直径40mm(截面比为0.4),缩径孔厚度3mm,所建模型如图4所示。
2.1.2网格划分
  选取ICEMCFD软件对所建立的几何模型进行网格划分[6],为了提高计算精度,对缩径孔部位及管内壁边界层网格进行局部加密及网格质量处理;在固液交界管壁处,进行边界层网格处理(从面第一层单元开始的扩大率为1.2;从面开始增长的层数为5);同时,对于管段角点处未生成理想边界层网格,通过CurveNodeSpacing和CurveElementSpacing进行网格节点数划分,从而生成较为理想网格。其结果如图5所示。

2.1.3前处理及求解计算
  选取全球第一个通过ISO9001质量认证的CFD商用软件CFX进行缩径管段流场数值模拟研究[7]。在其前处理模块(CFX-Pre)中定义流体介质为水,流量为0.5m3/h(此工况条件下的雷诺数为1804),采用入口定流、出口定压的定义模式。近壁面湍流采用标准壁面函数法。CFX求解器(CFX-Solver)主要使用有限体积法,本模拟计算残差设定为10-6,计算后达到稳定的收敛状态。
2.1.4结果分析
  经CFX后处理模块(CFX-Post)处理,计算结果显示:流体流经缩径孔时,经节流加速作用,在缩径孔下游形成一个沿轴向对称的峰值速度带,在靠近管段内壁出现两个反向流动的涡流区(见图6);湍流动能较强区域出现在缩径孔下游,并呈现出两个对称的椭圆形峰值带(见图7)。缩径孔上游及缩径孔处的雷诺数分别为1830,4790(即此时两者的流态分别处于层流区、湍流区)。数值模拟的高低压取值孔压差为13.56Pa,利用式(9)可计算求得流出系数为0.6461,由经验公式编程计算可得流出系数为0.6254,两者计算误差为3.31%。由此说明两种研究方法的吻合度较好,可利用ANSYS-CFX数值模拟方法展开相应的研究工作。

图5计算区域及网格划分示意
2.2标准孔板流量计流场影响因素探讨
  利用ANSYS-CFX数值模拟软件,以上述所建模型为基础,对标准孔板流量计缩径管段的介质流动情况展开进一步的探讨。对流体流速、流体粘度、缩径孔板厚度及截面比4个主要影响因素进行数值模拟分析,针对流出系数计算变量,将模拟结果与理论公式编程计算结果进行对比。其中,理论编程计算依据遵循上述基本方程式(式(1)~(9))。

2.2.1不同流体流量(流速)
  为研究流量(流速)对缩径管段流场分布的影响,建立如下模型:管内径100mm,缩径孔直径50mm(截面比为0.5),选取水作为流动介质。考虑到流体可能处于不同流态的情况,在层流区、过渡区及紊流区分别选取3个流量值进行模拟与理论计算。
  数值模拟可求得各流量下的雷诺数、高低压取压孔压降值及流出系数(见表1)。计算结果表明,数值模拟所求得的流出系数与理论公式编程计算值吻合度较高(特别是在层流区),误差基本控制在5%以内(层流区时误差仅为1.5%左右),数值模拟流出系数值始终略大于编程计算值(见图8)。编程计算显示,随着流量的增大,流出系数逐渐减小,在层流区递减速度较快;模拟结果显示,在层流区及紊流区,流出系数随流量增大而降低,在过渡区,流出系数随流量的增大而升高,由于过渡区流态的不确定性,摩阻系数同时受到粗糙度及雷诺数的作用,在本模拟工况条件下呈现出此变化规律,对于其他模拟工况还需展开相关的研究论证。层流区流动系数的变化规律主要取决于在该流态下,雷诺数变化幅度大(跨越一个数量级),由式(9)可得,雷诺数的急剧变化会引起流出系数的大幅度波动。研究表明:流量的变化会引起流出系数的显著变化。

2.2.2不同介质粘度(流体介质)
  为研究介质粘度对缩径管段流场分布的影响,建立如下模型:管内径100mm,缩径孔直径50mm(截面比为0.5),流量10m3/h。如表2所示,选取一系列不同粘度值的典型管输流体,进行数值模拟与编程计算分析。计算结果表明,随着粘度的增大,数值模拟与编程计算结果呈现相同的变化规律,随着粘度的增大,流出系数较为规律地逐步上升(见图9)。数值模拟流出系数值始终略大于编程计算值,由于理论计算式(ISO里德哈里斯/加拉赫公式)是基于大量试验回归出的一个经验公式,试验过程中在缩径孔存在污物沉积及冲蚀影响,而本文数值模拟未涉及到此类问题,故模拟值将略大于理论计算值。两者的计算误差在5%以内,在低粘度区的计算误差较小(在3%以内)。研究表明:流出系数与输送介质的粘度紧密相关。


2.2.3不同缩径孔厚度
  为研究缩径孔厚度对缩径管段流场分布的影响,建立如下模型:管内径100mm,缩径孔直径50mm(截面比为0.5),流量10m3/h,选取水作为流动介质。按标准孔板流量计的设计要求,此时缩径孔的厚度范围为0~6mm。以1mm为增量台阶,选取7个缩径孔厚度进行数值模拟与编程计算研究,如表3所示。
  计算结果表明,随着缩径孔厚度的增大,编程计算的流出系数基本不变,这是由于,对于给定的孔板流量计结构,在计算流出系数时其只考虑了截面比及雷诺数,不考虑缩径孔厚度的影响。而数值模拟结果显示,流出系数随缩径孔厚度的增大而增大(见图10)。这是由于,当缩径孔厚度增大时,流体流经缩径孔的节流加速聚集作用越强,在孔口下游所形成的峰值速度带将越长,由能量守恒可知,此时低压取值孔的压力值将进一步下降,从而使得计算压差变大,故流出系数呈现出随缩径孔厚度的增大而增大的变化规律。

2.2.4不同截面比(直径比)
  为研究缩径孔厚度对缩径管段流场分布的影响,建立如下模型:管内径100mm,流量10m3/h,选取水作为流动介质。为涵盖一般标准孔板流量计的截面比选取范围,如表4所示,选取了0.15~0.75范围内的13种截面比进行数值模拟与编程计算对比分析。


  计算结果表明,在编程计算中,流出系数随截面比的增大而增大,上升幅度较为均匀;在数值模拟中,当截面比小于0.3时,流出系数随截面比的增大而减小,当截面比大于0.3时,流出系数随截面比的增大而增大(见图11)。数值模拟流出系数值始终略大于编程计算值,计算误差基本控制在10%以内,随着截面比的增大,两者误差逐渐减小。在低截面比节流过程中,由于缩径孔较小,流体流经缩径孔时,其径向分速度及紊流强度将增强,为了验证这一现象,如图12所示,在管流中添加了一定浓度的固相颗粒,追踪固相颗粒流经不同缩径孔时的运动轨迹。图12中显示,当截面比减小到一定值时,部分固相颗粒在缩径孔下游处沿径向进行较大强度的紊流运动。此现象的存在使得下游的速度带、涡流带及压力分布不再那么规律,从而影响流出系数的变化规律及两种研究方法的计算误差。
2.3缩径管段冲蚀分析探讨
  为研究标准孔板流量计运用于多相流领域中所存在的管段冲蚀问题,建立如下模型进行探讨[8-12]:模拟示例以稀相气固两相流为基础,气相选取天然气,气速为10m/s,球形固相颗粒直径50μm,密度2500kg/m3,固相流量4kg/h,所建管长5m,管内径50mm,截面比0.5。模拟结果显示,固相颗粒在缩径孔上游较为均匀地沉积于管段底部,流经缩径孔受节流加速作用,形成一个峰值速度带,如图13所示;固相颗粒对管段的最大冲蚀量不是发生在孔板截面上,而是在缩径孔下游的峰值速度带与管段内顶部接触部分,如图14所示。

3结论
(1)基于ANSYS-CFX的差压式孔板流量计数值模拟,可清晰直观地得到缩径管段内部流场分布。数值模拟的流出系数值与基于理论公式编程计算值误差小、吻合度高,可结合具体场合应用于工程实际。


(2)通过数值模拟,详细计算研究了关于孔板流量计流出系数的4个主要影响因素:流量(流速)、粘度(流体种类)、缩径孔厚度及截面比(直径比)。结果表明,随着流量的增大,流出系数逐渐减小,在层流区域减小速度快;流体粘度、缩径孔厚度的增大均会使得流出系数增大;当截面比较小时,流出系数随其增大而减小,当截面比较大时,流出系数随其增大而增大。
(3)借助ANSYS-CFX数值模拟手段,可以辅助发现理论公式计算所无法得到的一些现象。如:当截面比小到一定程度时,流体在缩径孔下游的径向速度场及湍流强度将显著增强,进而影响计算精度;在气固两相流的缩径管段冲蚀模拟中可以发现,管段的最大冲蚀区域不是发生在缩径孔板上,而是在其下游管段的某一管内壁的顶部。从而针对发现的现象可以展开相应的理论技术研究。
(4)数值模拟计算流出系数值始终大于理论编程计算值,可结合相关试验进一步深入研究,通过模型优化或计算值修正,使得理论、数值模拟及试验三者相互验证、相互统一。

本文涡街流量计,江苏省苏科仪表有限公司为您提供,转载请注明出处!!

下篇文章:电磁流量计在无菌灌装系统中应用 上篇文章变温润滑油涡轮流量计修正
 
江苏省苏科仪表有限公司是一家专业提供涡街流量计涡轮流量计电磁流量计的企业,公司将以优质的服务优惠的价格,服务新老客户。
 版权所有:江苏省苏科仪表有限公司       技术支持易品网络

广西快3 广西快3 广西快3 江苏快三 乐猫彩票 乐游彩票 江苏快三 江苏快3 广西快3 江苏快3