旋進(jìn)旋渦流量計(jì)氣固兩相流數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

譚文熬， 崔寶玲， 張玉良， 陳德勝

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是氣體流量測(cè)量最常見的測(cè)量?jī)x表之一，從20世紀(jì)到現(xiàn)在有很多的中外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究[1-2]，經(jīng)過不斷地改進(jìn)換代，使其測(cè)量性能逐步得到改善。20世紀(jì)70年代，面對(duì)高壓氣體測(cè)量的需求，H.Dijstelbergen等[3]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)外特性做了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究,指出流量計(jì)受流體介質(zhì)黏度與密度的影響較小。李德挑等[4]利用高速攝影方法對(duì)流量計(jì)管道內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，指明了流量計(jì)的內(nèi)部工作機(jī)理與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。彭杰剛等[5]通過對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，指出流體脈動(dòng)與傳感器的安裝位置會(huì)對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量性能產(chǎn)生很大影響。蘇中地等[6]利用CFD方法對(duì)50 mm口徑旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，指出在起旋器前面加導(dǎo)流片能有效地減少旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的壓力損失。殷興景等[7]利用CFD與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了在起旋器前面加導(dǎo)流片能使流量計(jì)前后壓差減小。陳坤等[8]利用計(jì)算流體力學(xué)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，指出改變起旋器后錐角大小會(huì)對(duì)流量計(jì)的測(cè)量性能產(chǎn)生較大影響。

多相流廣泛地存在各大工業(yè)領(lǐng)域與自然界，而氣固兩相流動(dòng)是其中重要的組成部分，有很多的中外學(xué)者對(duì)氣固兩相流現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究[9]。林金賢等[10]利用數(shù)值模擬的方法，分析了彎管內(nèi)的氣固兩相流現(xiàn)象，指出了顆粒大小與顆粒濃度對(duì)固體顆粒在彎管內(nèi)分布及單位管長(zhǎng)壓力損失的影響。楊鈺辰等[11]利用CFD方法對(duì)電除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，比較全面地分析了氣固兩相流動(dòng)對(duì)電除塵器效率的影響。蔣夢(mèng)婷等[12]利用數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)及顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并分析了顆粒的受力情況對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響。

綜上所述，在國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了大量的研究[13-14]，這些研究中很多都是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，有的只是單純的數(shù)值模擬計(jì)算研究，有的是數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法[15]。其中氣固兩相流動(dòng)的分析在水平管道與豎直管道的研究分析最為廣泛，但是到目前為止在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)的氣固兩相流分析較少，本文研究的內(nèi)容是對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流道內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了比較全面的分析,深入揭示內(nèi)部流動(dòng)特性，獲得顆粒濃度影響下的流量計(jì)特性。

1 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

1.1 物理模型

本次研究的對(duì)象是口徑為50 mm的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，流道的二維幾何模型以及消旋器的二維圖如圖1所示；起旋器、消旋器以及全流域幾何三維模型如圖2所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖1 流體區(qū)域二維圖

圖2 模型三維圖

本文利用ICEM軟件對(duì)流量計(jì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，入口延伸段、收縮段、喉部及出口延伸段采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，由于起旋器部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖3所示。各部分網(wǎng)格數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為：入口延伸段45 623、128 600，起旋器部分297 244、74 898，喉部74 377、186 428，出口延伸段384 903、1 029 028。

1.3 計(jì)算方法

進(jìn)口邊界條件選擇速度進(jìn)口（velocity），出口邊界條件設(shè)為壓力出口，其值設(shè)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；壁面邊界條件采用無滑移邊界條件，在流量計(jì)管道近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。本次計(jì)算采用的是歐拉-歐拉方法，選取RNG k-ε湍流模型與SIMPLEC算法相結(jié)合的計(jì)算方法。計(jì)算中的湍流模型采用默認(rèn)的混合湍流模型，該模型中的常數(shù)項(xiàng)均采用默認(rèn)的數(shù)值。在計(jì)算方法中各動(dòng)量參數(shù)與體積分?jǐn)?shù)計(jì)算均采用一階迎風(fēng)格式。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 流量計(jì)標(biāo)定

本次研究的對(duì)象是50 mm口徑的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，為了確保模型的可行性，用音速噴嘴裝置對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果如圖4所示。

流量計(jì)對(duì)流量Q=10 m3/h、Q=22.5 m3/h、Q=37.5 m3/h、Q=60 m3/h、Q=105 m3/h、Q=150 m3/h六個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，在誤差允許范圍內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的，說明本次模擬采用的模型是正確的。

圖4 標(biāo)定結(jié)果

2.2 氣體單相的數(shù)值模擬

本次模擬對(duì)工況點(diǎn)Q=60 m3/h、Q=45 m3/h、Q=37.5 m3/h進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬采用RNG k-ε湍流模型與SIPPLEC算法相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)的壓力脈動(dòng)如圖5所示。

圖5 P點(diǎn)壓力脈動(dòng)

在Q=60 m3/h時(shí)，流量計(jì)橫截面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面一個(gè)周期的壓力云圖如圖6、圖7所示。

由圖5可以看出隨著工況點(diǎn)的增大流量計(jì)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)頻率增大，流量越大，氣體的速度就越大，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力值就越大。從流體壓力云圖6、圖7可以看出，流量計(jì)渦核的壓力是最小的，沿著壁面逐漸增加。橫截面在t=0.05 s時(shí)的速度云圖如圖8所示。

圖6 橫截面壓力云圖

圖7 P點(diǎn)截面壓力云圖

圖8 一個(gè)周期內(nèi)速度云圖（m/s）

圖9 一個(gè)周期內(nèi)流線圖

2.3 氣固兩相數(shù)值模擬

本次模擬計(jì)算的固相為玻璃粉，平均粒徑d=0.104 mm，密度ρ2=2600 kg/m3，固氣質(zhì)量比濃度為C=0.21、C=0.42、C=0.63、C=0.84四種。當(dāng)Q=60 m3/h時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)如圖10所示。

圖10 Q=60 m3/h時(shí)P點(diǎn)氣體壓力脈動(dòng)

由圖10可以看出，在4種固氣質(zhì)量比濃度點(diǎn)下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)的氣體壓力基本一樣，但氣流產(chǎn)生旋進(jìn)脈動(dòng)頻率卻有變化，旋渦流進(jìn)動(dòng)頻率隨著濃度的增加其頻率逐漸減小，如圖11（a）所示。

當(dāng)Q=37.5 m3/h跟Q=45 m3/h時(shí)，在4種固氣質(zhì)量比濃度下載監(jiān)測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)的氣體壓力脈動(dòng)頻率跟在Q=60 m3/h時(shí)的變化規(guī)律基本一致，氣流產(chǎn)生的旋渦流進(jìn)動(dòng)頻率變化情況如圖11（b）、圖11（c）所示。

由圖11可以看出，隨著固氣質(zhì)量比濃度的增加，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)的脈動(dòng)頻率呈線性下降的趨勢(shì)，當(dāng)C=0時(shí)（即氣體單相時(shí)），此時(shí)測(cè)量的是旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的氣體單相流量，氣流的脈動(dòng)頻率最高。

當(dāng)Q=60 m3/h時(shí)，固氣體積比C=0.01時(shí)流量計(jì)橫截面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面在一個(gè)周期內(nèi)的壓力云圖如圖12、圖13所示。

圖11 各工況點(diǎn)頻率變化圖

圖12 橫截面壓力云圖（Pa）

當(dāng)Q=60 m3/h時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)在t=0.035 64 s時(shí)刻截面氣體單相模擬與氣固兩相模擬的氣相壓力云圖如圖14所示，由于固體顆粒對(duì)流量計(jì)管道壁有碰撞作用，氣固兩相流對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力要大一些。由云圖可知，在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的喉部與擴(kuò)張段的管道中心氣固兩相氣流的壓力要比氣體單相的壓力整體偏大，氣流的低壓區(qū)要比氣體單項(xiàng)時(shí)更多，氣流的壓力梯度更為復(fù)雜。

當(dāng)Q=60 m3/h，固氣體積比C=0.01時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)氣體在旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流道內(nèi)的體積分布與監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫截面的體積分布情況如圖15、圖16所示。

圖13 P點(diǎn)截面壓力云圖

圖14 t=0.035 64 s時(shí)刻P點(diǎn)截面的壓力云圖（Pa）

圖15 橫截面氣相體積分布圖

圖16 P點(diǎn)截面氣相體積分布云圖

由圖15、圖16可知，氣體的體積分布跟氣體的流動(dòng)規(guī)律一樣，在流量計(jì)收縮段與喉部的旋渦流旋渦中心分布最高。固體顆粒由于與流量計(jì)流道壁面以及起旋器壁面之間相互力的作用，有很大一部分固體顆粒分布在流量計(jì)流道壁面與起旋器壁面。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了與數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，本文對(duì)流量計(jì)進(jìn)行了氣固兩相實(shí)驗(yàn)，本次是在一個(gè)氣力輸送的管網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行的，固體顆粒為玻璃粉。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析結(jié)果如圖17所示。

由圖17可知，隨著顆粒濃度的增大，顆粒對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響越大，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差值有增大的趨勢(shì)，但在誤差允許范圍內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符合的。

4 結(jié) 論

1）隨著顆粒濃度的增加，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)各工況點(diǎn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)固氣質(zhì)量比濃度C=0時(shí)（氣體單相時(shí)）氣流的脈動(dòng)頻率值最大。

2）當(dāng)氣流流入旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的收縮段時(shí)，氣流流速會(huì)增大，并形成旋渦流，經(jīng)過擴(kuò)展段時(shí)氣流流速會(huì)急劇減小，旋渦流渦核繞著流量計(jì)軸線做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，此時(shí)旋渦流的流動(dòng)最為復(fù)雜，當(dāng)流過消旋器后，旋渦流的流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，旋渦逐漸消失，最后氣流平穩(wěn)地流過流量計(jì)出口。

圖17 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3）流量計(jì)的氣固兩相流動(dòng)中，氣體的體積分布與氣流的流動(dòng)規(guī)律一致，在收縮段與喉部主要分布在旋渦中心，有很大一部分固體顆粒分布在流量計(jì)流道壁面以及起旋器壁面。

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