淺議內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓損的影響因素

陳 瑛 程煥煥

紹興市能源檢測(cè)院

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淺議內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓損的影響因素

陳 瑛 程煥煥

紹興市能源檢測(cè)院

內(nèi)外管差壓流量計(jì)是目前極為重要的一種流量計(jì)，而其在具體的操作中也會(huì)造成壓損，本文主要對(duì)內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓損的影響關(guān)鍵因素進(jìn)行了全面科學(xué)探討，以此可以給相關(guān)的從業(yè)人員一點(diǎn)建議。

內(nèi)外管；流量計(jì)；影響因素

前言

內(nèi)外管差壓流量計(jì)是一種新型差壓式流量計(jì)。該流量計(jì)設(shè)計(jì)的取壓位置為管的同一截面上，消除了節(jié)流件前后摩阻壓降對(duì)壓差信號(hào)的影響，相同的流量下，獲得的壓差信號(hào)較傳統(tǒng)的壓差流量計(jì)大，提高了信號(hào)的靈敏度，其節(jié)流方式較傳統(tǒng)流量計(jì)對(duì)流體的擾動(dòng)減小，提高了壓差信號(hào)的穩(wěn)定性；在相同的壓差信號(hào)下，其壓力損失比內(nèi)錐式流量計(jì)要小很多，符合作為相關(guān)能源測(cè)量的要求。但是，目前對(duì)影響內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓力損失的具體因素研究較少，而研究關(guān)鍵因素對(duì)該流量壓損的影響有助于該流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為其設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 基本結(jié)構(gòu)及理論

（1）基本結(jié)構(gòu)

內(nèi)外管壓差流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，流量計(jì)以管道軸線定位安裝，主體結(jié)構(gòu)由前直管段（大徑d1）、梯形段、后直管段（小徑d2）組成，外取壓口在管道壁上取流道2的壓力，內(nèi)取壓口在支架中空取流道1的壓力，內(nèi)外取壓口為前直管段同一截面的中分水平面兩側(cè)；前取壓口在距流量計(jì)前端面2D（D為管道直徑）的管道壁面上，后取壓口距流量計(jì)后端面1D。前后取壓口壓差是本文要研究的壓力損失。

圖1 內(nèi)外管壓差流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）理論基礎(chǔ)

與其他類型的壓差式流量計(jì)相同，內(nèi)外管壓差流量計(jì)的工作原理同樣是基于流體連續(xù)方程和伯努利方程。對(duì)于不可壓縮流體，體積流量為

式中C——流出系數(shù)；

K1、K2——流道1和流道2的壓縮比；

A——管道的截面積。

（3）影響壓損的關(guān)鍵因素

根據(jù)內(nèi)外管壓差流量計(jì)的結(jié)構(gòu)分析，忽略沿程壓損，前后直管段長(zhǎng)度適當(dāng)取值；流量計(jì)形狀參數(shù)中，梯形段傾角θ取流體與壁面即將分離的角度時(shí)壓損最小，取θ=7°。為了消除大徑、小徑的具體數(shù)值對(duì)該流量計(jì)壓損的影響，本文選用異徑比k和等效直徑比β進(jìn)行試驗(yàn)研究。定義異徑比為小徑與大徑之比，類比于孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)，定義內(nèi)外管壓差流量計(jì)的等效直徑比β為通流面積與管道截面積的等效直徑比。

式中R——管道半徑；

r1——前直管段外圈半徑；

r2——后直管段內(nèi)圈半徑（考慮流量計(jì)壁厚）。

通流面積是指在側(cè)視圖上看，不受節(jié)流件直接影響的流道面積，如圖2所示，有剖面線部分為通流面積。

圖2 管道側(cè)視示意圖

雷諾數(shù)是影響液壓元件壓損的一個(gè)重要因素，本文從異徑比、等效直徑比和雷諾數(shù)3個(gè)方面研究對(duì)內(nèi)外管壓差流量計(jì)的影響。

2 流量計(jì)的流場(chǎng)仿真

為方便參數(shù)化建模，本文采用UG進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行仿真。建模中管道內(nèi)徑為DN20的標(biāo)準(zhǔn)直徑準(zhǔn)27.2mm，流體采用常溫水。

（1）建立模型

為了得出異徑比和等效直徑比β與壓損之間的關(guān)系，在雷諾數(shù)Re相同的情況下，分別取β=0.9，0.85，0.8，0.7四組；在4組等效直徑比下分別取k=0.3，0.4，0.5，0.6建立模型，共16組。為了解雷諾數(shù)Re與壓損的關(guān)系，在相同等效直徑比下，建立4組不同雷諾數(shù)模型，進(jìn)行比較分析。由于所建模型較多，采用UG參數(shù)化建模，縮短三維建模時(shí)間。建立三維模型后，導(dǎo)入Fluent進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文中模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，圖3為β=0.8，k=0.5的網(wǎng)格劃分結(jié)果，有9521個(gè)節(jié)點(diǎn)，44115個(gè)單元。

圖3 β=0.8，k=0.5模型網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

（2）仿真設(shè)定與數(shù)據(jù)提取

本文所涉及的流動(dòng)均為湍流流動(dòng)，選擇RNGk-ε湍流模型，亞松弛因子采用默認(rèn)值，殘差收斂精度設(shè)為1E-6。參數(shù)控制器設(shè)置中，壓力選擇2階，其他為默認(rèn)值。以進(jìn)口速度進(jìn)行初始化，進(jìn)口速度設(shè)置中，選用湍流強(qiáng)度和水力直徑進(jìn)行設(shè)置，水力直徑為管道直徑，湍流強(qiáng)度

算法選用SIMPLE算法，迭代次數(shù)為2000次，進(jìn)行計(jì)算。圖4 為β=0.8，k=0.5模型、流速為1m/s下的壓力云圖。

圖4 β=0.8，k=0.5模型壓力云圖

數(shù)據(jù)提?。呵叭狐c(diǎn)為流量計(jì)前2D中心，后取壓點(diǎn)為流量計(jì)后1D，內(nèi)外取壓點(diǎn)分別為流量計(jì)前直管段中段的內(nèi)外側(cè)。

3 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

對(duì)于壓差式流量計(jì)，壓損一般分為永久壓損和相對(duì)壓損。永久壓損是指流體由平穩(wěn)流動(dòng)流經(jīng)流量計(jì)節(jié)流件后產(chǎn)生壓差，再到平穩(wěn)流動(dòng)，在這個(gè)過程中因節(jié)流件產(chǎn)生的永久壓力損失，本文的絕對(duì)壓損為前后壓差值；相對(duì)壓損是指絕對(duì)壓損與壓差信號(hào)之比，本文定義壓損比σ為內(nèi)外管壓差流量計(jì)的相對(duì)壓損

仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1 相同Re、不同等效直徑比β、不同異徑比k時(shí)的絕對(duì)壓損值/P

表2 相同Re、不同等效直徑比β、異徑比k=0.5時(shí)的相對(duì)壓損

表3 不同Re、等效直徑比β=0.8、異徑比k=0.5時(shí)的相對(duì)壓損

從表1中可以看到，在相同雷諾數(shù)、相同等效直徑比、不同異徑比的情況下，內(nèi)外管壓差流量計(jì)的永久壓損值變化很小，最多不超過4%；而相同雷諾數(shù)、不同等效直徑比，該流量計(jì)的永久壓損值變化很大，隨著等效直徑比的減小而增大；從表2中可以看出相同雷諾數(shù)、相同異徑比下，壓損比隨著等效直徑比的減小而增大；從表3中可以得到在相同等效直徑比、相同異徑比下，永久壓損值和信號(hào)值都隨著雷諾數(shù)的增大而增大，且其增大的倍數(shù)約等于雷諾數(shù)增大倍數(shù)的二次方，但是壓損比并沒有隨雷諾數(shù)增大而有明顯變化。

4 流量計(jì)的流場(chǎng)模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文對(duì)流量計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是通過Gambit建模和Fluent仿真的，其中管徑為50mm，仿真的流體介質(zhì)為水。

4.1 模型的構(gòu)建

由公式（3）知，當(dāng)流量Q一定時(shí)，影響ΔP的參數(shù)主要有擴(kuò)散角θ、異徑管小徑r和大徑r＇。但當(dāng)擴(kuò)散角θ過小時(shí)，流體與壁面的接觸面積會(huì)加大，導(dǎo)致壓損增大；而當(dāng)擴(kuò)散角θ過大時(shí)，異徑管內(nèi)易出現(xiàn)流體與壁面分離的情況，形成漩渦區(qū)，增大壓損。因此當(dāng)擴(kuò)散角θ為流體與壁面即將分離的角度時(shí)，壓損最小?？紤]到這一情況，本文選擴(kuò)散角θ為7°，并選取r=10mm，r'=20mm；r=10mm，r'=30mm；r=10mm，r’=40mm；r=20mm，r’=30mm； r=20mm，r’=40mm；r=30mm，r’=40mm6種異徑模型進(jìn)行研究。為了方便，本文做如下定義：r=10mm，r’=20mm定義為管徑r/r’=10/20，其他異徑管大小管徑也如此定義。本文中模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，圖2是管徑r/r＇=10/30的網(wǎng)格劃分模型圖，網(wǎng)格數(shù)量1.5萬左右。

圖5 管徑比10/30的網(wǎng)格劃分模型圖

采用壓力耦合方程組的半隱式算法（Semi-ImplicitMethodforP ressureLinkedEquations，簡(jiǎn)稱SIMPLE算法），亞松弛因子采用默認(rèn)值，殘差收斂精度設(shè)為10-5。在選取湍流參數(shù)時(shí)，水力直徑DH=50mm，湍流強(qiáng)度可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到：

其中，ReDH為在流速1.0m/s時(shí)按水力直徑計(jì)算得到的雷諾數(shù)。

4.3 Fluent仿真

對(duì)于一個(gè)差壓傳感裝置而言，在干擾信號(hào)一定的情況下，傳感器所接受的信號(hào)越大，所測(cè)得的結(jié)果越準(zhǔn)確，因此異徑管的內(nèi)外差壓越大越好。但是從節(jié)能角度來看，流體流經(jīng)流量計(jì)所造成的壓力損失應(yīng)越小越好，因此流量計(jì)中軸線的前后兩點(diǎn)的壓差應(yīng)越小越好。也就是說，異徑管的內(nèi)外差壓越大，軸線的前后壓差越小時(shí)，設(shè)計(jì)的內(nèi)外管差壓流量計(jì)的性能越優(yōu)。結(jié)合這兩情況，本文將異徑管的內(nèi)外壓差

Δp內(nèi)外和前后壓差Δp前后的比值作為衡量該流量計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，該比值記為相對(duì)壓損σ，即

當(dāng)比值σ越大時(shí)，表示流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越優(yōu)，反之σ越小，設(shè)計(jì)的流量計(jì)的綜合性能越差。筆者在此做了管徑r/r＇=10/20、10/30、10/40、20/30、20/40、30/40六個(gè)流量計(jì)模型，并在流速為1.0m/s的情況下進(jìn)行仿真。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓損會(huì)很大程度上影響到流量計(jì)的工作，相關(guān)的工作人員對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的研究和分析有益于流量計(jì)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)工作達(dá)到較大的提升，因此必須引起重視。

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［2］呂玲，潘振.內(nèi)錐流量計(jì)與孔板流量計(jì)的壓力損失及能耗研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29（1）：45～48.