摘(zhāi)要:通過cfd流體軟件對(duì)内錐(zhuī)流量(liàng)計 壓力損失進(jìn)行了數值模拟,實驗(yàn)介(jiè)質(zhì)爲汽(qì)油與(yǔ)柴油(yóu)的混合(hé)物。内錐(zhuī)流量計和 孔闆(pǎn)流(liú)量(liàng)計 經常(cháng)使(shǐ)用于流體計量,在保(bǎo)證兩種流(liú)量計(jì)流(liú)通(tōng)面積相等(děng)的條件(jiàn)下,對(duì)它(tā)們的壓力損失進行了(le)比(bǐ)較。結(jié)果表(biǎo)明,内錐流(liú)量計的壓(yā)力損失僅爲(wèi)孔(kǒng)闆流(liú)量計壓力損失的30%左右,将内錐(zhuī)流量(liàng)計應用于流體計量,可以(yǐ)起到節能降耗的作用。
0引(yǐn)言
　　在(zài)許多情況下,由(yóu)壓力(lì)損失所引(yǐn)起的額外(wài)的耗(hào)能費用是選(xuǎn)用流量計時(shí)必須要考慮的一個(gè)重要因素。流量儀表的壓力損(sǔn)失小(xiǎo)已(yǐ)經(jīng)是(shì)選(xuǎn)擇流(liú)量計的一(yī)項重要指标。由(yóu)于内(nèi)錐流量計和孔闆(pǎn)流量計(jì)使用(yòng)的(de)條件相(xiàng)似,并且使用廣泛,因此(cǐ)有必要(yào)對這兩種(zhǒng)流量(liàng)計進行壓力損(sǔn)失比(bǐ)較(jiào),以便選(xuǎn)出更合适(shì)的測(cè)量儀表。雖(suī)然人(rén)們對内錐流量(liàng)計和(hé)孔闆(pǎn)流量(liàng)計的壓力損失(shī)進行(háng)過(guò)比較,但目前文獻[1-2]中所(suǒ)作的比較存在(zài)兩(liǎng)個(gè)問(wèn)題。第一(yī),文獻(xiàn)中多是通(tōng)過比(bǐ)較兩種流量計的(de)壓力損(sǔn)失計(jì)算(suàn)公式來(lái)對兩種儀表進行比(bǐ)較。
　　對于孔闆流量計,它的(de)曆史較長,有統一的國際标準(zhǔn),可以(yǐ)直接(jiē)算出(chū)壓力損失(shī)。對(duì)于(yú)内錐流量(liàng)計,它的曆史(shǐ)相對較(jiào)短,沒(méi)有統一的國(guó)際标準(zhǔn),給出(chū)的一些計算公(gōng)式也(yě)不太成熟(shú),通常計(jì)算值與真實值(zhí)之間存在較(jiào)大的誤差(chà)。例如,内錐流(liú)量(liàng)計的(de)生産(chǎn)廠家(jiā)即使是按照行(háng)業規(guī)範(fàn)生(shēng)産的(de)同一(yī)型号(hào)的内(nèi)錐流量計(jì),其(qí)給(gěi)出的計算内錐(zhuī)流量(liàng)計(jì)的壓力(lì)損失(shī)系數也是(shì)各不相(xiàng)同的,這(zhè)就給(gěi)用公式計算壓力(lì)損(sǔn)失帶(dài)來了誤差。第二,對兩(liǎng)種(zhǒng)流量計(jì)壓力損失(shī)比較(jiào)時,并(bìng)沒有規定(dìng)兩種流量(liàng)計的有效(xiào)流(liú)通面積(jī)相同(tóng),所得到的(de)結果缺乏(fá)說服(fú)力。基于以(yǐ)上兩(liǎng)個原因,本(běn)文用(yòng)cfd數值模(mó)拟(nǐ)的方(fāng)法,計算出内錐流量計的(de)壓力(lì)損失,并(bìng)在保證有效流通面積(jī)的條件下對兩(liǎng)種流(liú)量計的壓(yā)力損失(shī)進(jìn)行了(le)比較,并且對(duì)兩種流量計(jì)進行(háng)了經濟技術分(fèn)析,對選用流量(liàng)計及計算(suàn)内錐(zhuī)流量計(jì)的能(néng)耗(hào)都有很好(hǎo)的參考價值(zhí)。
1模型建(jiàn)立
1.1幾(jǐ)何(hé)模(mó)型和(hé)湍流(liú)模型的建(jiàn)立
　　建立長l=14m,内徑(jìng)d=0.2m的管(guǎn)道模型,模(mó)拟了前(qián)錐角爲(wèi)45°,後錐(zhuī)角爲120°的v錐體(tǐ)壓力分布情況。
　　由于内錐體(tǐ)爲旋轉(zhuǎn)體,具有(yǒu)軸對(duì)稱(chēng)特性,在進行(háng)數值模拟(nǐ)實驗時,所建立(lì)的模型爲(wèi)二(èr)維(wéi)結構,并進(jìn)行了(le)簡化(huà)處理(計算(suàn)域選(xuǎn)取一半),如圖1所(suǒ)示。

　　在(zài)網格的剖分方(fāng)面,采用了結構化網格[3-4],如大比(bǐ)率四邊形網(wǎng)格(gé)計算(suàn)長管(guǎn)形狀流場(chǎng),網(wǎng)格(gé)數量明顯(xiǎn)減(jiǎn)少,在靠(kào)近錐體部分的(de)網格進行加密(mì)設置,越靠(kào)近管道兩端,網格越(yuè)稀疏。這樣做的(de)目(mù)的(de)是爲了保(bǎo)持網格的(de)光滑度,從而加速叠(dié)代收斂(liǎn)速度,避免因臨近單元(yuán)體積或面積的(de)快速變(biàn)化而導(dǎo)緻大的截(jié)斷誤差,節省(shěng)計算時(shí)間。另(lìng)外,在(zài)相同網格(gé)數量下,爲(wèi)更好保證(zhèng)計算(suàn)精度,對流場影(yǐng)響最重要的部(bù)分進(jìn)行了(le)更精(jīng)密的網格剖分。圖1即(jí)是采用此(cǐ)方法進行(háng)的網格剖分(fèn)。
　　利(lì)用rngκ-ε[5]模(mó)型進行計算,經物理實驗驗證(zhèng)顯示出了(le)較(jiào)好的預(yù)測性(xìng)。另外,在近壁面區域采用(yòng)标(biāo)準壁面(miàn)函數法進(jìn)行處(chù)理。利用有限體積法(fǎ)實(shí)現控制(zhì)方程的離散化(huà),在求(qiú)解離散方(fāng)程(chéng)過(guò)程中,采用(yòng)以壓力爲基本(běn)求解變量的求(qiú)解方法,即(jí)simple算法(fǎ)進行(háng)求解(jiě)。差分格式采用二階(jiē)迎風(fēng)格式。
1.2邊界(jiè)條件和工(gōng)作流體物性(xìng)
　　邊界條(tiáo)件包括壁面、對稱軸(zhóu)、速度入口(kǒu)和壓(yā)力出口(kǒu)。流體從速度入口(kǒu)進入,流經節流(liú)裝置,最(zuì)後(hòu)由壓(yā)力(lì)出口流出。
　　内(nèi)錐流(liú)量計的數(shù)值模拟實(shí)驗介質爲柴油與汽(qì)油的混(hùn)合(hé)物,其物理性質見表(biǎo)1所示。

2内錐流量(liàng)計的(de)壓(yā)力損失(shī)模拟實(shí)驗(yàn)
　　傳統(tǒng)測量孔闆流量(liàng)計壓力損失的(de)方法[6]如圖(tú)2所示(shì),分别測出、兩點之間(jiān)的靜壓力(lì),所得差值(zhí)即爲孔闆壓力損失(shī)。爲了使模拟的(de)壓力(lì)是不可恢(huī)複性壓力,p1、p2兩點(diǎn)之間(jiān)的距離應(yīng)盡量遠,在(zài)本模(mó)拟實(shí)驗(yàn)中(zhōng)管道直徑(jìng)d=0.2m,p1、p2兩(liǎng)點(diǎn)之間(jiān)的距(jù)離取(qǔ)50d,即兩(liǎng)個測壓(yā)點相距10m遠,模(mó)拟(nǐ)結(jié)果如(rú)表2所示。


3内錐流量計與孔闆(pǎn)流量(liàng)計壓力(lì)損失比較
　　對于(yú)孔闆流量計的(de)壓力損失,用(iso5167-2:2003)給(gěi)出的計算(suàn)公式進(jìn)行計算(suàn),計算(suàn)結果與内(nèi)錐流(liú)量計壓力損失的模(mó)拟實(shí)驗結(jié)果進行(háng)比較。爲了更(gèng)好地對内錐流量計的壓(yā)力損失與(yǔ)孔闆(pǎn)的壓(yā)力(lì)損(sǔn)失進(jìn)行比較,選擇了(le)有效流通面積(jī)相同的内(nèi)錐(zhuī)流(liú)量計(jì)和孔(kǒng)闆流量計(jì)進行(háng)比較(jiào),這樣(yàng)的比較才(cái)有意義[7]。
　　内(nèi)錐流(liú)量計(jì)錐體最大(dà)截面圓的(de)直徑是dv=0.152m,流量計的直徑d=0.2m,管(guǎn)道截面面(miàn)積(jī)sc=0.031m2,有(yǒu)效流通面(miàn)積爲sv=0.013m2。将内錐流(liú)量計的有效流(liú)通面積(jī)轉換爲(wèi)孔的(de)面(miàn)積,則對(duì)應的有效(xiào)孔徑(jìng)βv比爲(wèi)

　　取孔(kǒng)闆流(liú)量計與内(nèi)錐流量計有效(xiào)孔徑(jìng)比最接近(jìn)的值(zhí)βo=0.65。根據(jù)reader-harris[8]給出的流(liú)出系數的(de)計(jì)算公式,求(qiú)得(dé)平均(jun1)流出系(xì)數(shù)c=0.61。在2003年實施(shī)的(de)孔闆流(liú)量(liàng)計的國際标準(iso5167-2:2003)中,壓力損失系數的計算公式爲

将βo=0.65,c=0.61代(dài)人式(2),可以(yǐ)得(dé)到k=13.37
計算壓力(lì)損失Δpo的公(gōng)式爲

将流體(tǐ)密度ρ=836.4kg/m3與(yǔ)k=13.37代人(rén)式(3)可(kě)以得到(dào)

圖3反映(yìng)了由(yóu)式(4)計算出(chū)的在不(bú)同流速(sù)下孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的壓力(lì)損失曲線和(hé)内錐(zhuī)流量(liàng)計壓(yā)力損(sǔn)失的實(shí)驗(yàn)結果(guǒ)。

　　從(cóng)圖(tú)3可(kě)以看出,在(zài)流(liú)通面積(jī)一定的情(qíng)況下(xià),孔闆(pǎn)的壓(yā)力損(sǔn)失要大于内錐流量計(jì),并且随(suí)着流速的增加而增加(jiā)。表(biǎo)3列出(chū)了在不同流速下,孔闆流量計(jì)與内錐流(liú)量計(jì)的壓力損失,其(qí)中n爲(wèi)孔闆流量計與(yǔ)内錐流量(liàng)計壓(yā)力(lì)損(sǔn)失的(de)比值(zhí)。

4内(nèi)錐(zhuī)流量計與孔闆(pǎn)流量計能耗的比較(jiào)
4.1計算動力與(yǔ)能量消耗和(hé)年耗(hào)能費(fèi)
對于(yú)液體,可采(cǎi)用以下的(de)計算(suàn)公式[9]
p′=Δp·v·s/η
式中p′———所需(xū)要的功率(lǜ),kw;
Δp———壓損損(sǔn)失(shī),kpa;
v———工況下的流(liú)體的速(sù)度,m/s;
s———管道的橫截(jié)面積(jī),m2。
計(jì)算年耗(hào)能費
co=p′。t·x
式中co———年耗(hào)能費,元;
t———運行時(shí)間,h;
x———電(diàn)價(jià),元/kw。h。
　　由于(yú)孔闆前(qián)後都有(yǒu)大旋(xuán)渦,在大幅(fú)值脈(mò)動壓(yā)力的(de)背景噪聲條件(jiàn)下,隻能(néng)通過縮(suō)小孔(kǒng)徑(jìng),提(tí)高差(chà)壓上(shàng)限值來實(shí)現有效的流量(liàng)測量。因(yīn)此孔闆(pǎn)的壓力(lì)損失必(bì)然增大。
　　由(yóu)于内錐流量計測量(liàng)壓差(chà)的(de)背(bèi)景噪(zào)聲小,可(kě)以(yǐ)檢測(cè)出較(jiào)小的(de)壓差,因此内錐流量計的壓損必然(rán)比孔(kǒng)闆的壓損小,年耗能費也(yě)小。
4.2舉例分析
　　提到的内錐(zhuī)流量(liàng)計與(yǔ)孔闆流量(liàng)計爲(wèi)例(lì)，工業(yè)電(diàn)價爲1元/kw·h,做出它(tā)們的年耗能費(fèi)比較(jiào)圖(tú),如(rú)圖4所(suǒ)示。

　　從(cóng)圖中可(kě)以得到(dào),随着(zhe)流速的增加(jiā)内錐與孔闆流量計年耗能(néng)費也逐漸增大,而孔闆流量計的年(nián)耗(hào)能費要大于内(nèi)錐流量(liàng)計的年耗(hào)能(néng)費。這是(shì)因爲内錐(zhuī)流量計的(de)壓力(lì)損失(shī)比孔闆的(de)壓力(lì)損失小得(dé)多,年(nián)耗能費用(yòng)可大大減(jiǎn)少。流量計口(kǒu)徑越大,流速(sù)越大(dà),則内錐流量計節能(néng)效果越顯著,投資回收期也就(jiù)越短(duǎn)。
　　圖5表(biǎo)示的是内(nèi)錐(zhuī)流量計(jì)相對比孔闆流(liú)量計可以節約(yuē)的年耗能費用,随着流速(sù)的增(zēng)大,節(jiē)約的(de)費用(yòng)也就(jiù)越多。
以流(liú)速v=5m/s爲例(lì),内錐流(liú)量計的年節約(yuē)耗能爲(wèi)17411.9元,節能效果(guǒ)是非常可觀的。

5結論
　　通過cfd數值模拟的方(fāng)法,模(mó)拟(nǐ)了(le)成品(pǐn)油管道(dào)中内錐(zhuī)流量(liàng)計的(de)壓(yā)力(lì)損失(shī),同(tóng)時與孔(kǒng)闆流量計(jì)比較(jiào),得到(dào)了(le)如下結論:
(1)内錐流(liú)量計(jì)的壓力(lì)損失比(bǐ)孔闆流量(liàng)計小(xiǎo),如果保證兩種(zhǒng)流量計的有效流(liú)通面積(jī)相同(tóng),那麽内錐流量(liàng)計的壓(yā)力損失(shī)是孔闆流(liú)量計(jì)的三分之(zhī)一還(hái)要(yào)小一(yī)些。
(2)通過技術(shù)經濟分析可以明(míng)顯(xiǎn)地看出:内錐(zhuī)流量計相比與孔(kǒng)闆流(liú)量計,可以節約(yuē)很多(duō)的能(néng)耗,符合國家的(de)節能(néng)減排長期發展(zhǎn)方針(zhēn)政(zhèng)策。

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