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3个等效直径比的27种锥体进行CFD数值模拟后
2018-12-23 09:51

  上个世纪80年代中期,美国McCrometer公司推出了一种新型锥体差压式流量传感器,在结构上采用了同轴安装在管道中的V形尖圆锥将流体逐渐节流收缩到管道内边壁的设计,并由测量此锥体前后的压力差实现对流量的测量。与传统的差压流量传感器相比,锥体差压式传感器具有压力损失小、要求前后直管段短、抗脏污等优点。国外已有学者对该传感器的永久压力损失、旋流适应性等进行了不同程度的研究,然而针对同一口径锥体的优化设计问题,特别是等效直径比、锥体的几何形状、雷诺数对其流出系数影响规律的研究,国内外相关文献中尚无细致的研究报道。为此,本研究从100 mm口径入手,设计了3个值(分别为0.50,0.65,0.85),3种前锥角(分别为40,45,50)及3种后锥角(分别为120,130,140)共计27种组合的锥体,经流场数值模拟,预测了该口径下的流出系数及关键参数的影响规律。

  锥体差压式流量传感器的简化结构示意图如图1所示,即在封闭的管流系统中同轴安装一节流体,其形状由两个圆台构成,定义为前锥角;定义为后锥角;等效直径比为。流体流动方向如图1所示。

  由于锥体为旋转体,具有轴对称特性,在进行数值模拟实验时,所建立的模型为二维结构,并进行了简化处理(计算域选取一半),如图2所示(0.65_45_130)。为满足充分发展湍流,建模长3600 mm,图2仅给出模型计算域的一部分。

  在网格的剖分方面,尽量采用了结构化网格,如大比率四边形网格计算长管形状流场,网格数量明显减少;在靠近锥体部分的网格最密,越靠近管道两端,网格越稀疏。这样做的目的是为了保持网格的光滑度,从而加速迭代收敛速度,避免因临近单元体积或面积的快速变化而导致大的截断误差,节省计算时间。另外,在相同网格数量下,为更好保证计算精度,对流场影响最重要的部分进行了更精密的网格剖分。图2即是采用此方法进行的网格剖分。

  利用RNG k-模型进行计算,经物理实验验证显示出了更好的预测性(平均约为5%,详见第7部分)。另外,在近壁面区域采用标准壁面函数法进行处理。

  利用有限体积法实现控制方程的离散化,在求解离散方程过程中,采用以压力为基本求解变量的求解方法,即SIMPLE算法进行求解。根据Gan等人的研究,对于不可压缩流体的差分格式最精确的是采用Quick格式。但Quick格式并非绝对收敛,且对网格质量的要求较高,主要用于四边形网格和六面体网格。而本研究所划分的网格都是四边形网格,因此在数值模拟时,除压力项采用了二阶迎风格式外,其余都利用了Quick格式进行离散。

  DN100口径锥体差压式流量传感器的数值模拟实验介质水,温度293K;速度人口,出口条件设定为流出出口,锥体和管壁设定为固体壁面,光洁度为0.5。入口速度分别为:0.3,0.5,1,2,3,4,5,6,7 m/s,根据管径计算的最小雷诺数为29703,故流动状态为湍流。

  图3,4,5分别给出值为0.50,0.65,0.85时的锥体差压式流量传感器流量与流出系数C数值模拟实验关系曲线族,即Qv-C曲线族。图中横轴为流量Qv,单位m3/h,纵轴为流出系数C。以下分别就每组曲线族进行详细分析。

  (b)前、后锥角对C的大小均有影响,但前锥角具有决定性影响,9条曲线)较为明显的分为三簇,C随前锥角增加而降低,前锥角为40时流出系数C位置最高,其次是45和50。

  (c)前锥角相同时,同一簇内不同流出系数曲线C随后锥角的增大呈现下降趋势,即前锥角相同时,后锥角为120时的C位置较高,其次是130和140。

  (d)除曲线”外,其余曲线C均随流量的增加而增大,而增大的速度在降低,且有趋于常数的趋势。这种现象预测了在低雷诺数下,流出系数C受雷诺数的影响较大,在高雷诺数条件下则影响较小。

  (e)前锥角50时曲线簇线性度较好,据此可预测,较大的前锥角有可能减弱雷诺数对流出系数的影响。但线性度的改善将以产生较大的不可恢复压力损失为代价。

  (a)流量范围(20:1):8.48232~169.6464m3/h(雷诺数范围29880.48~597609.6),流出系数C的计算值基本上在0.84~0.87之间,根据前锥角的大小9条曲线的大小仍然分成三簇,且规律和=0.5时相同,不同的是雷诺数范围较大。

  (b)随着前锥角的增加,流出系数的改变受后锥角的影响不如=0.5时明显,特别是后锥角为120和130时对C的影响差别很小,当前锥角为40及45时,后锥角130对应的曲线对应的曲线。

  (c)前锥角增大时,曲线簇的线性度略提高,但不如=0.5时明显。

  图4 =0.65时QvC曲线时QvC曲线族

  (b)随着前锥角的增加,后锥角对C值大小的影响非常明显。除前锥角为40的曲线对应的曲线对应的曲线),其他曲线均具有在前锥角相同的情况下,后锥角越大,流出系数越小的特征。

  (c)前锥角对曲线线性度的影响较弱,不如=0.5时的明显。

  在针对DN100口径,介质为水,3个等效直径比的27种锥体进行CFD数值模拟后,得出了传感器几何因素与雷诺数对流出系数的影响规律,即锥体差压式流量传感器的流出系数不仅和雷诺数有关,还与等效直径比及前后锥角相关:

  ①值越大,流出系数越小,且随着值的增大,流出系数更易受雷诺数的影响;

  ②值相同时,前锥角对流出系数具有决定性的影响,后锥角对流出系数的线性度具有一定程度的影响;

  ③较大的前锥角可减弱雷诺数对流出系数的影响,线性度能够得到改善,但需兼顾压力损失,前锥角不宜过大。

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