在(zài)流(liú)體機械(xiè)瞬态流(liú)動(dòng)的過(guò)程中,需要對瞬時流量(liàng)進(jìn)行測(cè)試．電磁流量計(jì)在測(cè)量快速變化的流量時,其(qí)轉換器的信号(hào)處理(lǐ)時(shí)間普遍超過0．２s,需(xū)要經過(guò)特殊設計(jì)才能(néng)達到要(yào)求[5];渦輪(lún)流量(liàng)計在(zài)測試(shì)小流量的(de)瞬時(shí)變化(huà)時,存(cún)在強烈的非線性問題(tí)．而在許多場合,孔闆流量計(jì)能較好地用于(yú)瞬态流量的測試．
基(jī)于cfd技術,通過改變流量﹑直(zhí)徑比﹑孔闆厚度(dù)和流(liú)體介質等(děng),對孔闆(pǎn)内(nèi)部穩(wěn)定流動進行了研究．采(cǎi)用(yòng)cfd技術(shù)研究了方形孔(kǒng)和圓(yuán)形孔(kǒng)闆流量計在測量濕(shī)夭然氣時的異(yì)同;對錐體(tǐ)流量(liàng)計的(de)孔流系(xì)數進行(háng)數值模拟;對周期(qī)性波動(dòng)的流(liú)量流經孔(kǒng)闆進行了(le)實驗(yàn)和理(lǐ)論分析後指出,孔闆前後(hòu)壓差呈現(xiàn)非線性,且滞後于流(liú)量的變化(huà),稱之(zhī)爲“渦慣性”．
鑒于目前(qián)未見(jiàn)有對(duì)孔闆流(liú)量(liàng)計在(zài)測量流(liú)量加速(sù)瞬(shùn)态過程的相(xiàng)關研究,爲了從(cóng)内流(liú)角度揭示(shì)壓差滞後于流(liú)量變化(huà)的原因,考妞到采(cǎi)用試(shì)驗測量較爲困(kùn)難,文(wén)中采用cfd方(fāng)法分(fèn)别對穩态(tài)和加(jiā)速過程的孔(kǒng)流(liú)系數進行(háng)數值預(yù)測(cè),重點分析孔流系數(shù)與流(liú)動(dòng)狀态瞬(shùn)時轉變間的聯(lián)系,爲實現(xiàn)采用(yòng)孔闆(pǎn)流量計測(cè)量瞬時流量提(tí)供參考。
1物理模型和(hé)數值(zhí)方法
1.1基本理論
孔闆(pǎn)流量(liàng)計是一(yī)種差壓式流(liú)量計．對于不可壓流(liú)體的水平管流動,忽(hū)略(luè)管壁摩(mó)擦阻力損(sǔn)失(shī),根(gēn)據流體的(de)連續(xù)性和機(jī)械(xiè)能的(de)相互轉化可得(dé)
1.2模型﹑網格和邊(biān)界條(tiáo)件
圖1爲(wèi)孔闆流量(liàng)計(jì)的物理模型(xíng)示(shì)意.根(gēn)據标準(zhǔn)孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的(de)安裝,圖(tú)1a中,上下遊直管(guǎn)段長分别取10d和5d作爲穩定直管段.其中上下遊管内徑d取100mm,孔闆(pǎn)厚度(dù)δ取3mm.
流量從(cóng)0以恒定加速度(dù)增長(zhǎng),如(rú)圖1b所示(shì);測壓點的位置(zhì)示于圖1c.
爲(wèi)了準(zhǔn)确捕捉孔闆前後流場的變化(huà)情況,首(shǒu)先在壁面附(fù)近(jìn)劃分了(le)邊界層網格,邊(biān)界層(céng)第1層厚度(dù)爲0.1mm,共10層(céng),高度增(zēng)長因(yīn)子爲1.1;其次(cì),用與孔闆(pǎn)等孔(kǒng)徑的圓柱面作(zuò)爲分(fèn)界面(miàn),對内(nèi)部流域進行切(qiē)割,并對該邊界面附(fù)近劃分同(tóng)上(shàng)的邊界層網格,其内部(bù)區域(yù)采用蝶形(xíng)網格(gé)劃分;最(zuì)後,在邊(biān)界層設置(zhì)好的基礎(chǔ)上,采用結(jié)構化(huà)網格生成方式完(wán)成(chéng)其餘(yú)部分的(de)網格劃分.
圖２給出(chū)了孔(kǒng)闆附近的網格分布.以常溫狀(zhuàng)态下(xià)液态(tài)水作爲流(liú)體介質,動(dòng)量﹑湍動(dòng)能和湍(tuān)流耗散率方程(chéng)的離散選(xuǎn)擇(zé)二階迎(yíng)風格式,壓力和速(sù)度(dù)耦合選用sＩmＰlＥ算法,穩态(tài)和加(jiā)速條件下(xià)的湍(tuān)流模型分别采用realizablek－ε和(hé)realizabledＥs模型.穩态和加(jiā)速過(guò)程的(de)進口(kǒu)均采用速度進口邊(biān)界條件(jiàn),流體加速曲線(xiàn)見圖1b,管壁爲無滑(huá)移壁(bì)面邊(biān)界條件.
由(yóu)于流速不斷增大,考妞(niū)采用變(biàn)時間(jiān)步長的方式(shì)以提高叠代(dài)過程的經(jīng)濟性(xìng),時間步長△t與時(shí)刻t采用式(shì)(1)的關(guān)系式:
流場求解(jiě)軟件爲liｎux平(píng)台下(xià)的flueｎｔ6．3,采(cǎi)用曙光1800工(gōng)作站上(shàng)的8個Ｉｎｔelxeoｎ處(chù)理器(qì)(3．２ghz)進行并行(háng)計算(suàn),穩态叠代(dài)4000次約(yuē)需２h,瞬态叠(dié)代２50個(gè)時間(jiān)步約(yuē)需２２h．
2結果分(fèn)析
2.1孔(kǒng)流系數和(hé)壓降(jiàng)
圖3給出了(le)孔流(liú)系數的(de)數(shù)值模(mó)拟結果,realiza-blek－ε模(mó)拟(nǐ)的穩态孔(kǒng)流系數c0與Ｉso試驗回歸曲線[10]的(de)最大誤差(chà)在3％以(yǐ)内,标準k－ε的(de)最大誤(wù)差達6％[6]．
對(duì)于流(liú)量(liàng)q≤0．6m3/h,c0随流量(liàng)的增加緩慢下(xià)降,之後保持在(zài)0．63左(zuǒ)右．與(yǔ)c0不同的(de)是,c從0開始随(suí)流(liú)量的增大(dà)而增(zēng)大,并(bìng)逐漸向c0靠(kào)近,直(zhí)至(zhì)q≥3．5m3/h後(hòu)才達到(dào)c0的水平．c在時(shí)間上滞後(hòu)于c0．圖(tú)4中△p－q曲線顯示,q≤3．0m3/h時,加速過程(chéng)孔闆(pǎn)前後壓降高于(yú)同等流量(liàng)下穩(wěn)态壓(yā)降(jiàng);q≥3．0m3/h後(hòu),瞬态(tài)壓降才降爲穩(wěn)态水平．
2.2速(sù)度和(hé)壓力場分(fèn)析
從(cóng)内(nèi)流(liú)角(jiǎo)度分析(xī)導緻(zhì)第２．1節(jiē)中c和(hé)c0不同的原因,圖(tú)5和圖(tú)6分别(bié)給出(chū)并對(duì)比(bǐ)了相同(tóng)流量下穩态和(hé)加速(sù)過程(chéng)中流經孔闆前(qián)後流體的速(sù)度和壓(yā)力場(chǎng)．對于q≤3．0m3/h穩态條件,孔(kǒng)闆(pǎn)後方(fāng)始終(zhōng)可觀察到(dào)一個被拉(lā)長的(de)主渦和(hé)孔(kǒng)闆右(yòu)上方的(de)小渦,流(liú)動的(de)損失較大,同時表明(míng)流場(chǎng)中已(yǐ)形成(chéng)穩定(dìng)的流(liú)動(dòng)通道,動(dòng)能和(hé)壓能(néng)的轉(zhuǎn)化已(yǐ)達到平衡(héng),流動的損失(長(zhǎng)漩渦(wō))也趨于穩定,并且(qiě)壓(yā)差随(suí)流量的(de)增大而(ér)穩定增大(dà)．
加速(sù)過程中(zhōng)孔(kǒng)闆後方的(de)漩渦(wō)是逐(zhú)漸形成(chéng)的(de):小流量時(shí)流動較爲(wèi)平穩(wěn),流體(tǐ)不斷(duàn)被加速(sù)的流體向下遊推(tuī)動,漩(xuán)渦來不(bú)及形成,流動(dòng)的損失較(jiào)小;随着流(liú)量的(de)不斷加大,孔闆(pǎn)後方開始(shǐ)出現(xiàn)流動分(fèn)離(約在(zài)q＞1．1m3/h時);當流量進一(yī)步加(jiā)大,孔(kǒng)闆後(hòu)方出現了(le)較大(dà)的漩渦．加(jiā)速前(qián)期,壓力(lì)沿整個(gè)管道逐(zhú)漸向下(xià)遊傳播(bō),壓(yā)能傳(chuán)播的距離較長(zhǎng),沒有在(zài)短(duǎn)距離(lí)内快速(sù)轉(zhuǎn)換爲(wèi)動能．
經上述分(fèn)析可(kě)以認爲,導(dǎo)緻加速前期c和(hé)c0之間(jiān)差異的内流原(yuán)因(yīn)是(shì),漩渦形成的(de)滞後以(yǐ)及加速前(qián)期壓(yā)力能沒有在短距離内全(quán)部轉化爲動(dòng)能．
随着(zhe)流量(liàng)的增大,孔闆後方出現了(le)明顯的漩渦,漩(xuán)渦中心(xīn)附(fù)近區(qū)域即爲低(dī)壓區．雖然(rán)孔(kǒng)流系數(shù)和壓(yā)降的瞬态(tài)和穩态值分别(bié)相互接近(jìn),然而由于流(liú)體(tǐ)仍然(rán)處于加(jiā)速階段(duàn),因此流動(dòng)狀态(tài)(漩渦的形(xíng)狀和(hé)位置)和壓力分(fèn)布與穩(wěn)态條件相比(bǐ),仍然存在(zài)較大差異(yì)．
3結論
通過cfd技術,實現(xiàn)了穩态(tài)和(hé)加速(sù)流體(tǐ)流經(jīng)孔闆(pǎn)後流(liú)場的數值模拟,得(dé)到(dào)了孔(kǒng)流系(xì)數(shù)﹑流場和(hé)壓力的模拟結(jié)果,主(zhǔ)要概括爲(wèi):
1)穩态孔流系數(shù)c0的數值預(yù)測值(zhí)與Ｉso試(shì)驗(yàn)回歸曲線十分接(jiē)近,realizablek－ε比(bǐ)标準k－ε的c0預(yù)測值(zhí)更接(jiē)近Ｉso試驗回歸(guī)曲線,誤差分(fèn)别爲(wèi)3％和6％;
２)加速過程,c随流(liú)量的增(zēng)大逐漸增(zēng)大并靠近(jìn)穩态c0;加速(sù)前期,壓差高于(yú)穩态水平,随(suí)着(zhe)流量的(de)不斷增大,瞬态和穩态壓差相互接近(jìn)．3)導緻加速前期(qī)c和c0之間(jiān)差異的(de)内流(liú)原(yuán)因是,漩(xuán)渦形成的滞後(hòu)以及加速前期(qī)壓力能沒有在(zài)短距(jù)離内全部(bù)轉化爲(wèi)動能．文中内(nèi)容可爲利用孔闆流(liú)量計(jì)測量(liàng)瞬時(shí)流量(liàng)提供參考(kǎo)依據(jù),爲流(liú)體機(jī)械内(nèi)部非(fēi)定常流動(dòng)等特(tè)殊問題的(de)提供(gòng)基本(běn)保障．今後的工作将圍繞流(liú)量波動﹑階躍(yuè)和(hé)突減等(děng)其他瞬态狀況(kuàng)．
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