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摘要:針對(duì)速度分布的不對(duì)稱性對(duì)均速管流量計(jì)測(cè)量精度影響的問題，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，對(duì)均速管流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了3D數(shù)值模擬。采用有限體積法，引人標(biāo)準(zhǔn)k-ensilon湍流模型對(duì)控制方程進(jìn)行離散和求解，得出了均速管流量計(jì)在彎管后不同直管段位置和不同流速條件下的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù);利用得到的差壓模擬數(shù)據(jù)計(jì)算得出流量系數(shù)，并對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行了分析。
引言
　　均速管流量計(jì)是基于皮托管流量計(jì)發(fā)展起來(lái)的一種新型差壓式流量計(jì)，其目的是為了克服皮托管流量計(jì)因單點(diǎn)取樣而對(duì)管內(nèi)速度分布對(duì)稱性的嚴(yán)格要求。通過采用如圖1所示的在近管壁處的多點(diǎn)取壓方法，均速管流量計(jì)可以應(yīng)用于非對(duì)稱性流速分布管段的流量測(cè)量，適用范圍更大，測(cè)量精度也有所提高。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，價(jià)格低和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于冶金、石化等工業(yè)計(jì)量中。
 
　　圖2所示為均速管流最計(jì)檢測(cè)桿的橫截面，其均壓原理是涌過分布干管壁附近的多點(diǎn)取壓孔..將壓強(qiáng)引入檢測(cè)桿內(nèi)部的均壓腔，迎流面取壓孔.引人高壓(沖壓)，側(cè)面取壓孔引入低壓(靜壓)，引入的各點(diǎn)壓強(qiáng)在均壓腔內(nèi)平均后被引壓管引出。
 
　　均速管流量計(jì)測(cè)量原理遵循伯努利方程，設(shè)均速管流量計(jì)檢測(cè)桿迎流取壓孔處速度為U,(m/s)，壓力為P1(Pa)，檢測(cè)桿側(cè)流取壓孔.處的流速為U2(m/s)，壓力為P2(Pa)，忽略摩擦阻力，流體高度差等因素，可得到:
 
　　其中流量系數(shù)K由多種因素共同影響，是測(cè)量探頭速度系數(shù)、被測(cè)管道速度分布修正系數(shù)和管道安裝干擾系數(shù)三部分的乘積4。其中速度系數(shù)可看作流量計(jì)在均勻流場(chǎng)中流速與輸出差壓之間關(guān)系的修正;速度分布系數(shù)是管道內(nèi)處干充分發(fā)展流動(dòng)時(shí)流速分布對(duì)平均速度測(cè)量影響的修正;系數(shù)則是現(xiàn)場(chǎng)安裝條件對(duì)流量測(cè)量影響的修正1。流量系數(shù)K的準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響流最測(cè)量的精度。工程應(yīng)用時(shí)都是通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定作為固定值應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量。
　　均速管流量計(jì)取樣具有實(shí)際意義的前提是管道內(nèi)的速度分布是對(duì)稱穩(wěn)定的充分發(fā)展湍流，各個(gè)取壓孔的速度算數(shù)平均值近似等于管道截面的平均速度"，這是插入式均速流量計(jì)的測(cè)量精度取決于管道內(nèi)流速分布的特點(diǎn)。--般而言，完全對(duì)稱的速度分布是最理想的，但在應(yīng)用過程中受實(shí)際情況的限制，并不能保證有足夠長(zhǎng)的直管段使流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展，在現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度較短、上游又有彎管阻件導(dǎo)致流速分布復(fù)雜時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)較大。
　　為了更深人地了解管內(nèi)流速分布特點(diǎn)對(duì)流量系數(shù)的影響，本文對(duì)處干彎管后不同直管段位置和不同流速條件下的均速流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了管內(nèi)速度分布對(duì)均速管流量計(jì)的測(cè)量精度的影響。
1.數(shù)值模擬
1.1物理模型和數(shù)值方法
　　計(jì)算洗擇檢測(cè)桿有效長(zhǎng)度為200mm的彈頭狀威力巴均速管流量計(jì)為物理模型;垂直于管道中心線、彎管平面插入;三對(duì)取壓孔按照切比雪夫法分布[6l;陽(yáng)塞比為8.9%，可忽略檢測(cè)桿對(duì)管道內(nèi)流速的影響;工作介質(zhì)為常溫空氣，密度為1.225ke/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為1.7894x10-5;彎管前直管段L0=20D，彎管后直管段長(zhǎng)度L1=4D~11D，均速管流量計(jì)后直管段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=5D,圖3所示為計(jì)算域彎管平面示意圖，流速范圍為6~30m/s,對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)范圍是0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前處理軟件ICEM對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非均勻網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，檢測(cè)桿內(nèi)部空腔采用較密集的網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為0.2mm，對(duì)靠近流量計(jì)的一-段管道進(jìn)行加密最小網(wǎng)格尺寸為1mm，以保證數(shù)值模擬的精度圖4是整個(gè)流場(chǎng)的三維仿真模型示意圖。
 
　　用Fluent流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-eDsilon湍流模型，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，入口條件采用Velocitv-inlet，出口條件采用Pressure-outlet。
1.2控制方程和湍流模型
　　求解各個(gè)算例的的流體動(dòng)力學(xué)特性可以用流體力學(xué)基本方程14.71.
連續(xù)性方程為:
 
 
式中，Umax是管道中心速度，r是管道內(nèi)部任意.點(diǎn)距離管中心的距離，R是管道半徑，指數(shù)n與雷諾數(shù)Re有關(guān)。
1.4仿真結(jié)果和討論
　　在不同直管段位置和不同流速的條件下，引用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，模擬得出了均速管流量計(jì)附近的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。
　　圖5所示是入口流速為15m/s的條件下，直管段內(nèi)充分發(fā)展的湍流(L0=0，無(wú)彎管附件，L;=20D，L2=5D)的模擬結(jié)果。由速度云圖(圖5a)看出，在流量計(jì)迎流面上:沒有開孔.的位置，流速驟然下降并接近干零，在取壓孔處的速度雖然有所下降，但并不為零。根據(jù)充分發(fā)展湍流的速度分布可知，管中心處的速度最大，檢測(cè)桿上半部的三個(gè)取壓孔的速度分別為6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示總壓腔內(nèi)的流體不是靜止的，流體從中心附近的兩個(gè)取壓口流人，從近壁處的取壓刊.流出。檢測(cè)桿下半部的三個(gè)取壓孔的流速分別為6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上:半部分基本對(duì)稱。壓力云圖(圖5b)則顯示了檢測(cè)桿內(nèi)部壓力的差異。壓腔內(nèi)的壓力是由取壓孔引人的壓力平均之后得到的結(jié)果，總壓腔是正高壓，為184.233Pa，靜壓腔是負(fù)低壓，為-55.394Pa。
 
　　圖6給出了直管段充分發(fā)展湍流條件下，均速管流量計(jì)前0.25D處的縱軸截面上.的速度分布，可以看出在此情形下的湍流流形是對(duì)稱的、均勻的。
 
　　對(duì)干受彎管影響的湍流(Lo=20D，有彎管附件，L1=4D~11D，L2=5D)的情況，圖7給出的是入口速度為15m/s時(shí)均速管流量計(jì)處干彎管后4D位置的模擬結(jié)果的云圖。從速度云圖(圖7c)看出速度分布明顯不對(duì)稱。靠近管中心的取壓孔附近的流速分別為4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近管壁的取壓孔附近的流速為-1.123m/s、-1.339m/s;由取壓孔引入的壓力也出現(xiàn)了較大變化，總壓腔內(nèi)壓強(qiáng)為172.492Pa，靜壓腔為--44.958Pa。云圖也展示了速度和壓強(qiáng)的等值區(qū)域受彎管影響而產(chǎn)生的變化。
 
　　處干彎管后的均速管流量計(jì)前0.25D處縱軸截面上的速度分布如圖8所示。縱坐標(biāo)為縱軸截面徑向t點(diǎn)的位置，橫坐標(biāo)為各點(diǎn)的速度，曲線代表了均速管流量計(jì)處于彎管后不同位置時(shí)測(cè)量的流體的速度分布。可以很明顯看出在彎管下游有很長(zhǎng)一段范圍內(nèi)，速度分布是中間低，兩側(cè)高，中間的速度逐步增大，到11D處仍然是外側(cè)的速度大于內(nèi)側(cè)的速度，之后再繼續(xù)發(fā)展。
 
　　表1列出的是根據(jù)模擬的差壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到的均速管流量計(jì)的流量系數(shù)K。可以看出，處干彎管后的均速管流量計(jì)測(cè)得的流量系數(shù)與對(duì)稱分布的充分發(fā)展湍流下得到的流量系數(shù)存在一-定的偏差，表明管內(nèi)速度分布的不均勻性對(duì)測(cè)量精度的影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該加以修正。
 
　　圖9是不同流速條件下，檢測(cè)桿位于彎管后4D~11D距離時(shí)的流最系數(shù)的模擬結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，有彎管影響時(shí)的流量系數(shù)均高于充分發(fā)展湍流情形下的值，這是速度分布的不對(duì)稱性導(dǎo)致的結(jié)果。因此，在均速管流量計(jì)的應(yīng)用上，當(dāng)測(cè)量位置處于彎管后一定的距離內(nèi)，應(yīng)對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行修正，否則導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏差。
 
2結(jié)語(yǔ)
　　本文對(duì)彎管后不同直管段位置和不同流速下的均速管流量計(jì)的流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，模擬得出了不同情況下檢測(cè)桿內(nèi)部的流動(dòng)情況和管內(nèi)速度分布的不對(duì)稱性對(duì)均速管流量計(jì)測(cè)量的影響。得出了以下結(jié)論:
1)均速管流量計(jì)垂直安裝干彎管平面后,在彎管后4D~11D這段距離內(nèi)，檢測(cè)桿前縱軸截面上的速度呈現(xiàn)出“中間低，兩邊高”的規(guī)律。
2)彎管引起的管內(nèi)速度分布的不對(duì)稱性對(duì)流量測(cè)量精度的影響大，建議對(duì)彎管后11D內(nèi)安裝的流量計(jì)進(jìn)行流量系數(shù)修正。

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