摘要(yào):研究基于(yú)差壓式流(liú)量計(jì) 的大氣總懸浮顆粒(lì)物(wù)采(cǎi)樣器(qì)流量仿真問題(tí),應用fluent流體仿真(zhēn)軟件,對空氣經過孔闆前後的壓力(lì).和速(sù)度進(jìn)行仿真研(yán)究。仿(páng)真初(chū)始條件(jiàn)爲(wèi)空氣(qì)密(mì)度(dù)1.29kg/m3,入口速度100l/min,溫度22℃,大氣(qì)壓101.325kpa,在(zài)上述(shù)工況下得(dé)到(dào)了(le)空氣(qì)經過流量計的壓力分布(bù)雲圖、速度流線(xiàn)圖以及在(zài)10~90l/min流速區間(jiān)内的差壓(yā)數值(zhí)。氣體從錐形孔闆經(jīng)過時(shí)壓力(lì)減小(xiǎo),流經流量(liàng)計下(xià)端部(bù)時流(liú)量增(zēng)大,從而産(chǎn)生了孔(kǒng)闆(pǎn)前後的壓(yā)差,孔闆入口流速60l/min時,壓差(chà)很小(xiǎo),會(huì)影響采樣泵(bèng)的線性控(kòng).制。該研究對于(yú)應用(yòng)流體(tǐ)仿真(zhēn)軟件(jiàn)對(duì)大氣總(zǒng)懸浮(fú)顆粒物采(cǎi)樣(yàng)器流(liú)量差壓(yā)式孔闆流量計(jì)特性(xìng)的研究提供了方向,不同流速差壓的研(yán)究(jiū)對孔闆流量(liàng)計結構的改進(jìn)和優化有(yǒu)一定的指導和借鑒(jiàn)意義。
0引言(yán)
　　總懸(xuán)浮顆粒物采樣(yàng)器指(zhǐ)能夠采集(jí)空氣(qì)動力學當量直徑(jìng)小于100μm顆粒物的采樣器(qì)。其基本原(yuán)理是使一-定體積的(de)空氣恒速(sù)通過(guò)已知質量的濾(lǜ)膜時(shí),懸浮于空(kōng)氣(qì)中(zhōng)的顆粒物(wù)被阻(zǔ)留在(zài)濾膜(mó)上,根(gēn)據濾(lǜ)膜增(zēng)加的質(zhì)量和通(tōng)過濾(lǜ)膜的空氣(qì)體積,确定(dìng)大氣(qì)中總(zǒng)懸浮顆粒(lì)物的質量濃度(dù)總懸浮顆(kē)粒物(wù)采樣器空氣流(liú)量(liàng)計算的精度(dù)是影響設備(bèi)的(de)核心技術(shù)指标(biāo),其中差壓式流量計(jì)取壓性能(néng)直接關系到空(kōng)氣流量的換算(suàn)。
　　标準孔闆(pǎn)流量(liàng)計是差(chà)壓式流(liú)量計中爲典型(xíng)的一種結(jié)構,由(yóu)取壓裝置(zhì)、孔闆(pǎn)和流(liú)裝置構成(chéng),如圖1所示。
 
　　本研究應(yīng)用cfd軟件對空氣(qì)流過孔闆進行(háng)流場(chǎng)分析(xī),觀察差壓式(shì)流量計内部的空氣速(sù)度和壓力(lì)分布(bù)對後期 孔(kǒng)闆流(liú)量計 的優(yōu)化設(shè)計有(yǒu)理(lǐ)論(lùn)支撐(chēng)作用。
1差壓式孔(kǒng)闆流量計計量(liàng)原理
　　當流(liú)體經(jīng)過管道(dào)内的孔(kǒng)闆時(shí),會造成流(liú)體的(de)局部收縮(suō),從而使流(liú)體的(de)瞬時速度增大(dà),在孔(kǒng)闆的前後(hòu)變形(xíng)成了(le)壓差(chà)。在總懸浮顆粒(lì)物采(cǎi)樣器中,當(dāng)環境空氣從上(shàng)而下經(jīng)過孔口(kǒu)時,由于具(jù)有一(yī)定的流速(sù),形成(chéng)一定(dìng)的負壓狀态,産生了一個(gè)與空氣流(liú)量的平方(fāng)根成正比的壓(yā)差。壓差經(jīng)矽膠(jiāo)管連(lián)接(jiē)到壓差傳感(gǎn)器上,産生(shēng)與壓差信(xìn)号成(chéng)比例(lì)的電(diàn)信(xìn)号,經過軟件(jiàn)計算處理(lǐ)顯(xiǎn)示(shì)出氣體流量。
流量方(fāng)程(chéng)式是從(cóng)伯努利方(fāng)程和(hé)連續性方程推(tuī)導而來(lái),如下所(suǒ)示:
 
　　式中(zhōng):q0爲差壓(yā)口處(chù)氣體流量(liàng),l/min,标定介(jiè)質(zhì)爲空.氣;α爲(wèi)流量系數(shù),與節(jiē)流裝置的(de)結構(gòu)形(xíng)式、取壓(yā)方式、孔(kǒng)口(kǒu)截面(miàn)積與(yǔ)管道截面積之比m、雷(léi)諾數(shù)re、孔口(kǒu)邊緣(yuán)銳(ruì)度(dù)、管壁粗糙度等因素(sù)有關;對于(yú)标準節流(liú)裝置,α的值可從有關(guān)手冊中查出(附(fù));對于(yú)非标準節(jiē)流裝置,α值要由(yóu)實驗(yàn)方法确定(dìng),且确定的α值隻(zhī)能應用在一定(dìng)的條(tiáo)件下;ξ爲膨脹修(xiū)正(zhèng)系數,與(yǔ)孔闆前後壓力(lì)的相(xiàng)對變化量(liàng)、介質的等(děng)熵指(zhǐ)數、孔口截面積(jī)與管道(dào)截(jié)面積(jī)之比等因素有(yǒu)關,對氣體(tǐ)來說(shuō),通常在0.9~1.0,當(dāng)p2/p1的值(zhí)接近于1時(shí),膨脹(zhàng)修正系數接近于1;a。爲(wèi)孔口内.截面積,m2;△p爲壓差信(xìn)号,pa,等(děng)同于(yú)流量傳感(gǎn)器的.信号(hào)值;pr爲流量計前(qián)壓力,絕對(duì)壓力(lì),pa;t,爲流(liú)量(liàng)計(jì)前溫(wēn)度,絕對(duì)溫(wēn)度,k;ρ爲(wèi)節流裝置(zhì).上遊(yóu)取壓口(kǒu)的(de)氣體密度,kg/m3,ρ=mpr/rtr。
2孔闆流量(liàng)計(jì)内(nèi)部流(liú)場數(shù)字仿真
2.1創(chuàng)建(jiàn)幾(jǐ)何模(mó)型
　　使用三(sān)維軟件建(jiàn)立總懸浮(fú)顆粒物采樣器(qì)差壓(yā)式孔闆流(liú)量計的三維幾何模(mó)型[3]如(rú)圖2所示。孔闆上(shàng)端和下端(duān)的管(guǎn)部直徑(jìng)爲20mm,孔闆(pǎn)上端管長爲20mm,下(xià)端管(guǎn)長爲30mm。由于(yú)該幾何模型整(zhěng)個爲回(huí)轉體,爲(wèi)減少計算量,簡(jiǎn)化實體模(mó)型如(rú)圖3所示。
 
　　用四邊形網格計算管形流場,靠近孔(kǒng)闆椎(zhuī)體的網格(gé)密度明顯(xiǎn)較(jiào)密(mì),管道端部的網(wǎng)格明顯(xiǎn)稀疏,從(cóng)而保證網(wǎng)格的(de)光滑度(dù),加快計(jì)算的叠(dié)代收斂(liǎn)速度,避免(miǎn)臨近單元(yuán)體積的快(kuài)速跌變(biàn)所引起的截斷誤差孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計(jì)網格劃分(fèn)模型(xíng)如圖(tú)4所示。
 
2.2流體(tǐ)仿真分(fèn)析
　　差(chà)壓(yā)式孔(kǒng)闆(pǎn)流(liú)量計(jì) 模拟仿真介質(zhì)爲環(huán)境空(kōng)氣,密(mì)度爲(wèi)1.29kg/m3,設定入口(kǒu)速度(dù)爲5.31m/s,溫度爲22℃,大氣壓爲101.325kpa。設定了仿真(zhēn)介質和(hé)初始條件後,對湍流模型進行(háng)選擇,差壓(yā)式孔(kǒng)闆流量計在仿(páng)真模(mó)拟中,流體流場入口(kǒu)速度(dù)爲5.31m/s,用雷(léi)諾(nuò)系數(shù)公式進行計算(suàn):
re=pvd/η(2)
　　式中:re爲雷諾數(shù);ρ爲密度(dù),kg/m3;d爲流速,m/s;d爲特(tè)征(zhēng)長度(内徑),mm;η爲動力(lì)黏性(xìng)系數,pa.s。
　　将設定條件代人式(shì)(2)得:re=7611,由(yóu)于7611>2300,所以差壓式流量計(jì)管道内的氣體流動歸(guī)屬于(yú)湍流,仿(páng)真(zhēn)中選(xuǎn)擇湍流模(mó)型進行(háng)計算。
　　對空氣(qì)在設定工(gōng)況的基礎上進(jìn)行流體分析仿真,得到差壓式(shì)孔闆(pǎn)流量計管道内壓力(lì)和速(sù)度(dù)的分布情況(kuàng)'51,如圖5~6所示(shì)。
 
　　圖(tú)5中,顔色深淺代表壓力的大(dà)小分(fèn)布情況,單位.爲(wèi)pa。從圖中可以得出,氣體流入流(liú)量計(jì)孔闆(pǎn)上端管道(dào)部分,由于(yú)氣泵(bèng)抽(chōu)氣産生(shēng)負壓(yā),壓力值大(dà)概在-3.422x104--3.443x104pa,氣體流入(rù)錐形(xíng)孔闆瞬間(jiān),壓力急(jí)速(sù)減小(xiǎo),壓力減(jiǎn)小範圍(wéi)在-3.443x104--3.518x104pa,經過孔闆後壓力(lì)維持在-3.507x104~-3.497x104pa。氣(qì)體從錐形孔闆(pǎn)經過(guò)時(shí)壓(yā)力減(jiǎn)小,流(liú)經流(liú)量計下端部時流量(liàng)增大,從而産生(shēng)了孔(kǒng)闆前後的(de)壓差,環(huán)境空氣(qì)經過差壓(yā)式孔(kǒng)闆時(shí),由于(yú)孔闆(pǎn)的阻(zǔ)隔(gé)瞬間形成高壓狀态,孔(kǒng)闆的(de)錐角處圓(yuán)角處(chù)理,空(kōng)氣流(liú)過孔(kǒng)闆椎孔處(chù)壓力有一-定程度的增大(dà)。流體(tǐ)仿真(zhēn)得到(dào)的流量計個管道速(sù)度分布情況如(rú)圖6所(suǒ)示,單位爲(wèi)m/s。如圖所示,氣體(tǐ)流入流量計孔(kǒng)闆上(shàng)端瞬間,産(chǎn)生了一個回轉(zhuǎn)對稱性的(de)速度(dù)場,中(zhōng)心軸線處(chù)速度最大,氣體在差(chà)壓式流量(liàng)計管壁處碰撞(zhuàng)後産生回旋,速(sù)度降低并産生(shēng)壓降(jiàng),在錐形孔(kǒng)處由于錐(zhuī)角做(zuò)圓角處理後,平(píng)緩過(guò)渡,氣(qì)體速度有不(bú)同程度(dù)的增大。氣(qì)體流(liú)入孔(kǒng)闆前速度範圍(wéi)大概(gài)在0.2754~1.913m/s,流(liú)人孔闆瞬間(jiān),速(sù)度增(zēng)大,管道軸心處速度最高(gāo)可達3.799m/s,經過(guò)孔闆後(hòu)速(sù)度範圍大(dà)概在1.913~3m/s,并(bìng)向(xiàng)管壁(bì)處速度遞減從(cóng)而在管(guǎn)壁處形(xíng)成回(huí)旋産(chǎn)生低壓。氣體(tǐ)未經過(guò)錐形孔(kǒng)闆前(qián)速(sù)度變化明顯較小,經過(guò)孔闆後(hòu)速度(dù)明顯增大(dà),在管道(dào)軸心處(chù)速度數值最大(dà)。
 
2.3.差壓(yā)式孔(kǒng)闆流(liú)量計差(chà)壓分析
　　孔闆壓力損失(shī)是孔闆.上(shàng)端測(cè)得壓(yā)力與(yǔ)孔闆(pǎn)下端測得壓力(lì)數值之(zhī)差,差壓(yā)數據穩定性是(shì)控(kòng)制泵(bèng)的關鍵(jiàn)條件[7-8]。參(cān)考(kǎo)100l/min的仿(páng)真條件,将(jiāng)入口(kǒu)速度調整(zhěng)至10~90l/min,每10l/min作爲(wèi)一次步長(zhǎng),流體(tǐ)仿真後得(dé)到流速、動壓、靜壓和差壓(yā)的數(shù)據,如表(biǎo)1所(suǒ)示。
 
3結(jié)束語
　　本文根據(jù)差壓式孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的計量(liàng)原理,應用(yòng)fluent軟件對(duì)空氣流過孔闆(pǎn)進行(háng)流場分析,得到了空氣經(jīng)過流量計的壓(yā)力分布雲(yún)圖、速(sù)度流線(xiàn)圖以及在10~90l/min流(liú)速(sù)區(qū)間内的差(chà)壓數值,得(dé)出如下結(jié)論:
(1)通(tōng)過初(chū)始條件分(fèn)析和計(jì)算(suàn)雷諾(nuò)數r。可知,差(chà)壓式(shì)流量計(jì)管(guǎn)道内(nèi)的氣(qì)體流動(dòng)歸(guī)屬于湍流(liú),仿真中選(xuǎn)擇湍流模(mó)型進行計(jì)算;
(2)氣(qì)體(tǐ)從錐形孔闆(pǎn)經過時壓(yā)力減(jiǎn)小,流經流(liú)量計(jì)下端部(bù)時(shí)流量增大(dà),從而産生(shēng)了孔闆(pǎn)前後的(de)壓差,孔闆(pǎn)入口(kǒu)流速(sù)60l/min時,壓(yā)差很(hěn)小,會影響(xiǎng)采樣(yàng)泵的線性(xìng)控制,在(zài)錐(zhuī)形孔(kǒng)處由(yóu)于錐角做圓角處理(lǐ),空氣流過(guò)孔闆椎孔處壓力和(hé)速度有不(bú)同程度(dù)的(de)增大(dà);
(3)分析(xī)差(chà)壓式流量計(jì)内(nèi)部(bù)的空(kōng)氣速(sù)度和壓力(lì)分布,爲後期孔闆流量計(jì)的提(tí)供了依據(jù)。

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