摘要:針對(duì)速(sù)度分(fèn)布的(de)不對(duì)稱性(xìng)對均(jun1)速管(guǎn)流量(liàng)計 測量(liàng)精度影響的(de)問(wèn)題，利用(yòng)計算流體(tǐ)力學(xué)(cfd)軟件(jiàn)，對(duì)均速管流量計的(de)内部流(liú)場進行了3d數(shù)值模拟。采用有(yǒu)限體積法(fǎ)，引人(rén)标準k-ensilon湍(tuān)流(liú)模型對控制方程進(jìn)行離散(sàn)和(hé)求解(jiě)，得出了均速(sù)管流量計(jì)在(zài)彎管後不(bú)同直管段(duàn)位置(zhì)和不同流(liú)速條件(jiàn)下的流(liú)場動力(lì)學(xué)參(cān)數(shù);利用(yòng)得到的差(chà)壓模拟數據計(jì)算得出流量系(xì)數，并(bìng)對測量精(jīng)度進(jìn)行(háng)了分析(xī)。
引言(yán)
　　均速管流量計是(shì)基(jī)于皮(pí)托管流量計發(fā)展起(qǐ)來的一種(zhǒng)新型 差壓式流(liú)量計 ，其(qí)目(mù)的是(shì)爲了克服皮托(tuō)管流量計因單(dān)點(diǎn)取樣而(ér)對管(guǎn)内速度分布對(duì)稱性的嚴格要(yào)求。通過(guò)采用如(rú)圖1所(suǒ)示的在近(jìn)管(guǎn)壁處的多點(diǎn)取壓方法(fǎ)，均(jun1)速(sù)管流(liú)量計可以(yǐ)應用于非對稱(chēng)性流(liú)速分(fèn)布管(guǎn)段的流量測量，适用(yòng)範圍更大(dà)，測量精度也有所提高(gāo)。因(yīn)其結(jié)構簡(jiǎn)單，安裝方(fāng)便，價格低和節(jiē)能的優點，現已(yǐ)被廣(guǎng)泛的(de)應用于冶(yě)金、石(shí)化等(děng)工業(yè)計(jì)量中。
 
　　圖(tú)2所示爲(wèi)均速管(guǎn)流最(zuì)計檢測杆的橫截面(miàn)，其均壓原理(lǐ)是湧過(guò)分布幹管壁附(fù)近的(de)多點取壓(yā)孔..将(jiāng)壓(yā)強(qiáng)引入檢測杆内部的(de)均壓(yā)腔(qiāng)，迎流面(miàn)取壓(yā)孔.引人高(gāo)壓(沖壓(yā))，側面取壓孔(kǒng)引入低(dī)壓(yā)(靜壓)，引(yǐn)入的各(gè)點壓強在(zài)均壓(yā)腔内(nèi)平(píng)均(jun1)後被引壓(yā)管引(yǐn)出。
 
　　均(jun1)速管(guǎn)流量(liàng)計(jì)測量原理(lǐ)遵(zūn)循伯(bó)努利(lì)方(fāng)程，設均(jun1)速管流量計檢(jiǎn)測(cè)杆迎(yíng)流取壓(yā)孔處(chù)速度爲u,(m/s)，壓力爲p1(pa)，檢測杆側(cè)流取(qǔ)壓孔.處的(de)流速爲u2(m/s)，壓力爲(wèi)p2(pa)，忽略(luè)摩擦阻力(lì)，流體高(gāo)度(dù)差等(děng)因素，可得到:
 
　　其(qí)中流量系數k由(yóu)多種(zhǒng)因素共同(tóng)影響，是測(cè)量探頭速(sù)度系數、被(bèi)測管道(dào)速度分(fèn)布修(xiū)正系數和(hé)管道(dào)安裝幹擾(rǎo)系(xì)數三部分的(de)乘積4。其中(zhōng)速度(dù)系數(shù)可看作流(liú)量計(jì)在均勻流(liú)場中(zhōng)流(liú)速與輸(shū)出差壓之間關(guān)系的修正;速度(dù)分布系(xì)數(shù)是管(guǎn)道内(nèi)處幹充分(fèn)發展流動時流速分布對平均(jun1)速度測量(liàng)影響的修正(zhèng);系數則是現(xiàn)場安(ān)裝條(tiáo)件對流量測量(liàng)影(yǐng)響的(de)修正1。流量系數(shù)k的準确與否(fǒu)會直接影響流最測量的(de)精度(dù)。工程(chéng)應用(yòng)時都是通過實(shí)驗标定(dìng)作爲固(gù)定值應用(yòng)于實(shí)際測量(liàng)。
　　均速管流量(liàng)計(jì)取(qǔ)樣具(jù)有實際意義的(de)前提(tí)是(shì)管道内(nèi)的速度分(fèn)布是(shì)對稱(chēng)穩定的充(chōng)分發展湍(tuān)流，各(gè)個取壓孔的速(sù)度算數平(píng)均值(zhí)近似(sì)等于管道(dào)截面的平均速度"，這(zhè)是(shì)插入式均速流量(liàng)計的(de)測量(liàng)精度取(qǔ)決(jué)于管道内(nèi)流速分布的(de)特點。--般(bān)而言(yán)，完全(quán)對稱(chēng)的速度(dù)分布是(shì)最理想(xiǎng)的，但(dàn)在(zài)應用過程(chéng)中受實際情(qíng)況的限(xiàn)制，并(bìng)不能保證(zhèng)有足夠長的直(zhí)管段使流動達(dá)到充分(fèn)發展，在現場直(zhí)管段長(zhǎng)度較(jiào)短(duǎn)、上(shàng)遊又(yòu)有彎(wān)管阻件導(dǎo)緻流速分布複(fú)雜時，測量誤差(chà)會較大。
　　爲了更(gèng)深人(rén)地了解管(guǎn)内流(liú)速分布特(tè)點對流(liú)量系數(shù)的影響(xiǎng)，本文對處幹(gàn)彎管後不(bú)同直管段位置和不(bú)同流速條(tiáo)件下的均速流(liú)量計(jì)内(nèi)部流場(chǎng)進行(háng)了(le)數(shù)值模(mó)拟，并分析了管(guǎn)内速(sù)度分布對(duì)均速管(guǎn)流量計(jì)的測量精度的(de)影響(xiǎng)。
1.數值(zhí)模拟(nǐ)
1.1物理模型和數(shù)值方法(fǎ)
　　計算洗(xǐ)擇檢測杆(gǎn)有(yǒu)效(xiào)長度爲(wèi)200mm的彈頭(tóu)狀威力(lì)巴均速(sù)管流(liú)量計爲物(wù)理模(mó)型;垂直于(yú)管道中心(xīn)線、彎(wān)管平面插(chā)入;三對取壓(yā)孔按照(zhào)切比(bǐ)雪(xuě)夫法分(fèn)布[6l;陽(yáng)塞(sāi)比(bǐ)爲8.9%，可(kě)忽略(luè)檢(jiǎn)測杆對(duì)管道内流(liú)速的(de)影響;工作(zuò)介質(zhì)爲常溫空氣，密(mì)度爲1.225ke/m3，運動黏度(dù)爲1.7894x10-5;彎管(guǎn)前直管段l0=20d，彎管後(hòu)直管段長度l1=4d~11d，均(jun1)速管(guǎn)流量計後(hòu)直管段長度爲(wèi)l2=5d,圖3所(suǒ)示爲計(jì)算域彎(wān)管平面示意圖(tú)，流速範(fàn)圍(wéi)爲6~30m/s,對(duì)應的雷諾數範圍是0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前處(chù)理軟件icem對計算區域進行(háng)網格(gé)劃分(fèn)，采用非均(jun1)勻網格，并對網(wǎng)格進行優化，檢(jiǎn)測杆内部(bù)空(kōng)腔(qiāng)采用較(jiào)密集的(de)網格，最小(xiǎo)網格(gé)尺寸爲0.2mm，對靠近(jìn)流量計的(de)一-段管道進行(háng)加密(mì)最小網格(gé)尺寸爲1mm，以(yǐ)保(bǎo)證數值(zhí)模拟的精度圖(tú)4是整個(gè)流場的(de)三維仿真模型(xíng)示意圖。
 
　　用fluent流體(tǐ)力學軟件進行(háng)數值模拟，用有(yǒu)限體積(jī)法對控(kòng)制方程進行離(lí)散，模型選(xuǎn)用标(biāo)準k-edsilon湍流(liú)模型，近(jìn)壁區(qū)采(cǎi)用标準(zhǔn)壁面函數法，入(rù)口條件采用velocitv-inlet，出口條(tiáo)件采(cǎi)用pressure-outlet。
1.2控制方程和(hé)湍流(liú)模型(xíng)
　　求解各個(gè)算(suàn)例的的流體動力學(xué)特(tè)性可以用(yòng)流體(tǐ)力學(xué)基本方(fāng)程14.71.
連續(xù)性方程爲:
 
 
式中(zhōng)，umax是管道(dào)中心速(sù)度，r是管(guǎn)道(dào)内部任意.點距離管(guǎn)中心的距離，r是管道(dào)半徑，指數n與(yǔ)雷(léi)諾(nuò)數(shù)re有關。
1.4仿真(zhēn)結果(guǒ)和讨(tǎo)論
　　在不同(tóng)直管段位置和(hé)不同(tóng)流速的條(tiáo)件下(xià)，引用标(biāo)準k-ε模型(xíng)，模拟得出了均速管(guǎn)流量計附(fù)近的速度(dù)場和(hé)壓力(lì)場。
　　圖5所示(shì)是(shì)入口流速爲(wèi)15m/s的條件下(xià)，直管(guǎn)段内(nèi)充分(fèn)發展(zhǎn)的湍(tuān)流(l0=0，無彎管(guǎn)附件(jiàn)，l;=20d，l2=5d)的(de)模(mó)拟結(jié)果。由(yóu)速度雲圖(tú)(圖5a)看出，在(zài)流量(liàng)計迎(yíng)流面(miàn)上:沒(méi)有開孔(kǒng).的位置(zhì)，流速(sù)驟然(rán)下降(jiàng)并接近(jìn)幹零，在(zài)取壓(yā)孔處的速(sù)度雖然(rán)有(yǒu)所下降，但(dàn)并(bìng)不爲零(líng)。根據(jù)充分發展湍流的(de)速度分(fèn)布可知，管(guǎn)中心(xīn)處的(de)速度最大，檢測(cè)杆上半部的三(sān)個取壓孔的速度分别爲(wèi)6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示(shì)總壓(yā)腔内(nèi)的流體不(bú)是靜(jìng)止的(de)，流體從中心附近(jìn)的(de)兩個取壓(yā)口流人，從(cóng)近壁處的取(qǔ)壓(yā)刊.流出。檢測杆(gǎn)下半部的(de)三個(gè)取壓(yā)孔(kǒng)的流速(sù)分别爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上:半(bàn)部分(fèn)基本對稱(chēng)。壓力雲圖(tú)(圖5b)則(zé)顯示(shì)了(le)檢測杆(gǎn)内部(bù)壓力(lì)的差異。壓腔内的壓(yā)力是由取(qǔ)壓孔(kǒng)引人(rén)的壓力平均之後得(dé)到的(de)結果(guǒ)，總壓腔是(shì)正高壓，爲184.233pa，靜壓(yā)腔是(shì)負低壓，爲(wèi)-55.394pa。
 
　　圖6給出(chū)了(le)直管(guǎn)段充(chōng)分(fèn)發(fā)展湍(tuān)流條件下(xià)，均速(sù)管(guǎn)流(liú)量計前0.25d處(chù)的縱(zòng)軸(zhóu)截面上(shàng).的速(sù)度(dù)分布，可(kě)以看出(chū)在(zài)此情(qíng)形下的湍流流形是對(duì)稱的、均(jun1)勻的。
 
　　對幹受彎(wān)管影響的(de)湍流(liú)(lo=20d，有彎(wān)管(guǎn)附件，l1=4d~11d，l2=5d)的(de)情況(kuàng)，圖(tú)7給出的(de)是入(rù)口速度爲(wèi)15m/s時均速管(guǎn)流(liú)量(liàng)計處(chù)幹彎(wān)管後(hòu)4d位置的(de)模(mó)拟結(jié)果的(de)雲圖。從速(sù)度(dù)雲圖(圖7c)看出(chū)速度(dù)分布明顯(xiǎn)不對稱(chēng)。靠(kào)近管(guǎn)中心的(de)取壓孔(kǒng)附近的流速分(fèn)别爲4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠(kào)近管(guǎn)壁的取壓孔附近的(de)流速爲-1.123m/s、-1.339m/s;由(yóu)取壓孔引(yǐn)入的(de)壓力(lì)也出(chū)現了(le)較大變化，總壓(yā)腔内壓強爲172.492pa，靜(jìng)壓腔爲--44.958pa。雲(yún)圖也展示了速度和(hé)壓強的等值區域(yù)受(shòu)彎管影響(xiǎng)而産生的變化(huà)。
 
　　處幹(gàn)彎管後的(de)均速管(guǎn)流(liú)量計前0.25d處縱軸截面(miàn)上的速度(dù)分布(bù)如圖8所示(shì)。縱坐(zuò)标爲(wèi)縱軸截面(miàn)徑向t點的位置(zhì)，橫坐(zuò)标(biāo)爲(wèi)各點(diǎn)的速(sù)度，曲(qǔ)線代(dài)表了均(jun1)速(sù)管(guǎn)流(liú)量計(jì)處(chù)于彎管(guǎn)後不(bú)同位置時測量的流體的(de)速度分布。可以(yǐ)很明顯看出在(zài)彎管下遊(yóu)有很(hěn)長一段(duàn)範圍内(nèi)，速度(dù)分布(bù)是中(zhōng)間(jiān)低，兩(liǎng)側高，中(zhōng)間的(de)速度(dù)逐步增大，到11d處仍然(rán)是外側的速度(dù)大于内(nèi)側的速度，之後再(zài)繼續發展。
 
　　表1列(liè)出的(de)是根據模(mó)拟的(de)差壓(yā)數(shù)據計算(suàn)得到(dào)的(de)均速管流量計的流量(liàng)系數k。可以看出，處幹彎管後的(de)均速管(guǎn)流(liú)量計(jì)測得的流量系(xì)數與對稱分布(bù)的充分發(fā)展(zhǎn)湍(tuān)流下得到(dào)的流(liú)量系(xì)數(shù)存在一(yī)-定的偏差(chà)，表明(míng)管(guǎn)内速度分布(bù)的不均(jun1)勻(yún)性對(duì)測量(liàng)精度的影(yǐng)響，在實(shí)際應用(yòng)中應(yīng)該加以修正。
 
　　圖9是(shì)不同流(liú)速條件(jiàn)下，檢測杆位于彎(wān)管後4d~11d距離(lí)時的流最(zuì)系數的模拟結果。可以發現，有(yǒu)彎管影響時的流量(liàng)系數(shù)均高(gāo)于充(chōng)分發展湍(tuān)流情(qíng)形(xíng)下的值(zhí)，這是速度分布的不對稱性導(dǎo)緻的結果。因此(cǐ)，在均(jun1)速管流量計的應(yīng)用上，當(dāng)測量位置(zhì)處于(yú)彎管後一(yī)定的(de)距離内，應對流(liú)量系數進(jìn)行修正，否(fǒu)則導(dǎo)緻測(cè)量結果(guǒ)的偏差(chà)。
 
2結語
　　本文對彎管後不同(tóng)直管(guǎn)段位置(zhì)和不同流速下的(de)均速(sù)管流量計的流(liú)場進行了三維數值(zhí)模拟(nǐ)，模拟(nǐ)得出了不(bú)同情(qíng)況下檢(jiǎn)測杆内(nèi)部的流(liú)動(dòng)情況(kuàng)和管内速(sù)度分(fèn)布的不對稱性(xìng)對均速(sù)管流量(liàng)計測量(liàng)的影響。得出了以下結(jié)論:
1)均速(sù)管流量(liàng)計垂直安裝幹彎管平面後,在彎管(guǎn)後(hòu)4d~11d這段距離内，檢測杆前(qián)縱軸(zhóu)截面上的速度(dù)呈(chéng)現(xiàn)出“中(zhōng)間低(dī)，兩(liǎng)邊高”的規律。
2)彎(wān)管(guǎn)引起的管(guǎn)内速度分(fèn)布的不對(duì)稱性(xìng)對流量測(cè)量精(jīng)度的影響大，建(jiàn)議對(duì)彎(wān)管後11d内(nèi)安(ān)裝的流量計(jì)進行流量系數修正。

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