国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于CFX的典型差壓式流量計(jì)流場數(shù)值模擬研究

2014-05-02 13:08棋,婁
關(guān)鍵詞:縮徑錐體雷諾數(shù)

林 棋,婁 晨

中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室 (北京 102249)

差壓式流量計(jì) (Differential Pressure Flowmeter,簡稱DPF)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表,是目前生產(chǎn)中測量流量最成熟、最常用的方法之一。DPF發(fā)展歷史長、種類多(超過30多種),其中最典型的流量計(jì)有4種:孔板、V錐、環(huán)形孔板及經(jīng)典文丘里管流量計(jì)。關(guān)于差壓式流量計(jì)的數(shù)值模擬研究已有數(shù)十年,但關(guān)于其內(nèi)部流場系統(tǒng)性的分析對比研究較少[1-3]。選取孔板及V錐流量計(jì),利用ANSYS-CFX軟件,結(jié)合理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行流場數(shù)值研究分析,探討設(shè)計(jì)參數(shù)的變化規(guī)律及可能存在的問題(耗能、沉積、沖蝕等),從而為工程實(shí)際提供實(shí)質(zhì)性的建議與指導(dǎo)。

1 差壓式流量計(jì)

1.1 基本方程

對于定常流動(dòng),在壓力取值孔所在的2個(gè)截面A(高壓取值點(diǎn))和B(低壓取值點(diǎn))處滿足質(zhì)量守恒及能量守恒方程[4-5]。其流體流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程分別為:

由(1)、(2)基本方程可得:

定義參數(shù)變量方程組:

式中:d 為縮徑管段內(nèi)徑,m;p1、p2為截面 A、B處的實(shí)際壓力值,Pa。

將參數(shù)變量方程組代入式(3)可得:

由此可得質(zhì)量流量基本計(jì)算方程式:

定義流量系數(shù)及流出系數(shù),可將方程式(6)改寫為方程式(8):

式中:qm為質(zhì)量流量,kg/s;Δp 為壓差,Pa;ε 為流體膨脹系數(shù)。

V錐流量計(jì)中的截面β比為等效直徑比,其計(jì)算式如下:

式中:βv為等效截面比;dv為V錐體的最大橫截面直徑,m。

D和D/2取壓方式的標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)主要由截面比及雷諾數(shù)決定,經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式如下:

式中:ReD為管段雷諾數(shù)。

V錐流量計(jì)的流出系數(shù)與質(zhì)量流量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式如下:

式中:S為管段截面積,m2。

1.2 孔板流量計(jì)與V錐流量計(jì)

孔板、V錐流量計(jì)是最普遍、最具代表性的差壓式流量計(jì)。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有石油、化工、電力、冶金、輕工等。兩者均是以質(zhì)量、能量守恒定律為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)輸送介質(zhì)充滿管道后,流經(jīng)縮徑區(qū)域時(shí),流體將受節(jié)流作用局部收縮,此時(shí)壓能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能同時(shí)形成一個(gè)明顯的壓降值。初始流速越大,節(jié)流所產(chǎn)生的壓降值也越大,通過壓降值的監(jiān)測,結(jié)合基本方程(8)可實(shí)現(xiàn)流體的計(jì)量。

孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)較簡單,但其孔板入口銳角易受沖蝕磨損作用而影響測量精度,由于孔板自身結(jié)構(gòu)限制,污物易堆積于孔板前,且其量程比較小,壓力損失大。V錐流量計(jì)的錐體位于管段軸線上,流體節(jié)流收縮發(fā)生在錐體與壁面的漸縮區(qū)域,故可有效彌補(bǔ)孔板流量計(jì)的缺陷。其具有良好的防沉積、抗污物能力,受錐體本身的邊界層效應(yīng),可以大大減小錐體最大截面處的沖蝕作用,從而使流出系數(shù)在原設(shè)定值上保持不變。

2 基于ANSYS-CFX的典型差壓式流量計(jì)數(shù)值模擬

2.1 建模算例

2.1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

選取ICEM CFD軟件進(jìn)行二維幾何建模及網(wǎng)格劃分,為了提高計(jì)算精度在縮徑孔部位及管內(nèi)壁邊界層網(wǎng)格進(jìn)行局部加密及網(wǎng)格質(zhì)量處理[6-7],劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分示意圖

2.1.2 前處理及求解計(jì)算

選取全球第一個(gè)通過ISO 9001質(zhì)量認(rèn)證的CFD商用軟件CFX進(jìn)行流場數(shù)值模擬研究[8]。在其前處理模塊(CFX-Pre)中采用入口定流、出口定壓的定義模式。近壁面湍流采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。CFX求解器(CFX-Solver)主要使用有限體積法,模擬算例殘差設(shè)定為0.000 001,計(jì)算后達(dá)到穩(wěn)定的收斂狀態(tài)。

2.1.3 后期處理

1)結(jié)果分析。 經(jīng) CFX 后處理模塊(CFX-Post)處理可以生成點(diǎn)、切平面、等值面、等值球等,可通過在位置上插入流線、云圖、矢量圖來表征變量。計(jì)算結(jié)果顯示:流體流經(jīng)縮徑孔時(shí),經(jīng)節(jié)流加速作用,在縮徑孔下游形成一個(gè)沿軸向?qū)ΨQ的峰值速度帶,在靠近管段內(nèi)壁出現(xiàn)2個(gè)反向流動(dòng)的渦流區(qū) (圖2);流體經(jīng)節(jié)流作用形成一個(gè)明顯的壓降值,由此便于壓降值的監(jiān)測(圖3);湍流動(dòng)能較強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)在下游,并呈現(xiàn)出2個(gè)對稱的橢圓型峰值帶,而且湍流動(dòng)能強(qiáng)度區(qū)與反向渦流區(qū)基本處于下游管段的相同區(qū)域(圖 4)。

圖2 速度分布云圖

圖3 壓力分布云圖

圖4 湍流動(dòng)能分布云圖

2)可靠性檢驗(yàn)。為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性,通過孔板流量計(jì),建立模型進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)[9]:管徑為100mm,截面比為0.5,流體為水。在層流區(qū)、過渡區(qū)及紊流區(qū)分別選取3個(gè)流量值進(jìn)行模擬并與理論計(jì)算值對比。計(jì)算結(jié)果表明,數(shù)值模擬所求得的流出系數(shù)與理論公式編程計(jì)算值吻合度較高 (特別是在層流區(qū))(圖5(a)),誤差基本控制在5%以內(nèi)(層流區(qū)時(shí)誤差僅為1.5%左右)(圖5(b))。編程計(jì)算顯示隨著流量的增大,流出系數(shù)逐漸減小,在層流區(qū)遞減速度較快;模擬結(jié)果顯示在層流區(qū)及紊流區(qū),流出系數(shù)隨流量增大而降低,在過渡區(qū),流出系數(shù)隨流量增大而升高。由此表明,基于ANSYS-CFX的差壓式流量計(jì)數(shù)值模擬是可行的。

2.2 差壓式流量計(jì)流場特性數(shù)值研究

以上述模擬過程為基礎(chǔ),利用CFX模擬軟件,對孔板、V錐流量計(jì)的內(nèi)部流場展開進(jìn)一步的探討[10-12]。

2.2.1 孔板流量計(jì)

1)縮徑孔厚度。為研究縮徑孔厚度對流出系數(shù)影響,選取7個(gè)縮徑孔厚度進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由圖6可知:流出系數(shù)隨縮徑孔厚度的增大而增大。這是由于當(dāng)縮徑孔厚度增大時(shí),流體流經(jīng)縮徑孔的節(jié)流加速聚集作用越強(qiáng),在孔口下游所形成的峰值速度帶將越長,由能量守恒可知,此時(shí)低壓取值孔的壓力值將進(jìn)一步下降,從而使得計(jì)算壓差變大,故流出系數(shù)呈現(xiàn)出隨縮徑孔厚度的增大而增大的變化規(guī)律。在流出系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式(10)顯示流出系數(shù)的大小與縮徑孔厚度無關(guān),但通過數(shù)值模擬可知縮徑孔厚度對流出系數(shù)是存在影響的。

圖5 不同流量(流速)研究對比

圖6 不同孔板厚度研究對比

2)截面比(直徑比)。為研究縮徑孔厚度對流出系數(shù)的影響,選取0.15~0.75范圍內(nèi)的13種截面比進(jìn)行數(shù)值模擬研究。由圖7可知:當(dāng)截面比小于0.3時(shí),流出系數(shù)隨截面比的增大而減小,當(dāng)截面比大于0.3時(shí),流出系數(shù)隨截面比的增大而增大。這是由于在低截面比節(jié)流過程中,當(dāng)縮徑孔較小時(shí),流體流經(jīng)縮徑孔時(shí)的徑向分速度及紊流強(qiáng)度將增強(qiáng),為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象,如圖8所示,在管流中添加了一定濃度的固相顆粒,追蹤固相顆粒流經(jīng)不同縮徑孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖8中顯示當(dāng)截面比減小到一定值時(shí),部分固相顆粒在縮徑孔下游處沿徑向進(jìn)行較大強(qiáng)度的紊流運(yùn)動(dòng)。此現(xiàn)象的存在使得下游的速度帶、渦流帶及壓力分布不再那么規(guī)律,從而影響流出系數(shù)的變化規(guī)律。但總體變化規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖7 不同截面比(直徑比)研究對比

圖8 不同截面比固相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤

2.2.2 V錐流量計(jì)

1)雷諾數(shù)。為研究雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響,選取5種V錐體等效直徑比,分別進(jìn)行不同雷諾數(shù)條件下的數(shù)值模擬研究,由圖9可知:在一定等效直徑比條件下,流出系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而增大,當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定程度時(shí),流出系數(shù)也逐漸的趨近于某一常數(shù);當(dāng)雷諾數(shù)保持不變時(shí),流出系數(shù)隨等效直徑比的增大而減小,由公式(9)可知:等效直徑比越大,V錐體最大直徑越小,流體流經(jīng)時(shí)的節(jié)流效應(yīng)越弱,由此使得流出系數(shù)降低。

圖9 流出系數(shù)—雷諾數(shù)變化曲線

2)壓降值。為研究V錐體前后壓差大小與流出系數(shù)的關(guān)系,針對5種等效直徑比展開數(shù)值模擬研究,由圖10可知:在一定等效直徑比條件下,錐體前后壓降值隨流出系數(shù)的增大而逐漸減小,但變化幅度較?。ㄔ?0%以內(nèi));當(dāng)流出系數(shù)保持不變時(shí),隨著等效直徑比的增大,壓降值迅速降低,故錐體橫截面大小(即:等效直徑比)是影響壓降值的主要因素。

圖10 壓降值—流出系數(shù)變化曲線

2.3 探討

2.3.1壓力損失與耗能分析

為研究對比孔板流量計(jì)與V錐流量計(jì)的壓力損失及能耗費(fèi)用,建立模型:管長10m,管內(nèi)徑200mm;V 錐體前后錐角分別為 45°、120°,等效直徑比為0.65;故孔板流量計(jì)直徑比也選取0.65;流體選取密度為835kg/m3、黏度為0.002 5Pa·s的成品油;溫度為25℃。

模擬結(jié)果顯示:在相同的流通情況下,孔板流量計(jì)的壓力損失值大于V錐流量計(jì)(約3~4倍),且隨著流速的增大,兩者的差值將明顯上升(見圖11(a))。這是因?yàn)榱黧w流經(jīng)孔板流量計(jì)時(shí),將形成2個(gè)大渦流,在一定背景噪聲情況下,其只能通過減小直徑比來提高壓差上限值,以實(shí)現(xiàn)有效的管道計(jì)量。為進(jìn)一步定量了解兩者的能耗情況,在本算例基礎(chǔ)上,暫不考慮供能效率問題,選取工業(yè)電價(jià)為1元/度,按下式進(jìn)行年能耗計(jì)算[13]。當(dāng)流速為5m/s時(shí),孔板、V錐流量計(jì)的年能耗費(fèi)用分別為:24.24萬元、6.88萬元,兩者差值為17.36萬元(見圖11(b))。由此可見,V錐流量計(jì)較孔板流量計(jì)有著明顯的節(jié)能效果。

式中:S為年均能耗費(fèi)用,元;Wp為壓降計(jì)算功率,kW;T為流量計(jì)運(yùn)行時(shí)間,h;m為工業(yè)用電單價(jià),元/kW·h;ΔP 為流量計(jì)壓降值,kPa;v為流速,m/s;η為供能效率。

圖11 壓力損失與能耗分析

2.3.2 孔板流量計(jì)沖蝕分析

為研究孔板流量計(jì)縮徑孔的沖蝕問題[14-16],進(jìn)行氣固兩相流三維模擬:連續(xù)相(氣相)為10m/s流速的天然氣,分散相(固相)流量設(shè)為4kg/h,粒徑均值為50μm,密度為2 400kg/m3,三維模型管長10m,管段內(nèi)徑50mm,直徑比選取0.5。結(jié)果表明:顆粒均勻的沉積于上游管段底部,經(jīng)過節(jié)流作用形成一個(gè)加速帶,沖出縮徑孔;固相顆粒的沖蝕作用將對孔板入口銳角造成影響,但最大沖蝕量不是發(fā)生在縮徑孔板上,而是在縮徑孔下游加度帶與管段內(nèi)頂部接觸部位。

3 結(jié) 論

1)基于ANSYS-CFX的典型差壓式流量計(jì)數(shù)值模擬,可清晰直觀的得到內(nèi)部流場分布。數(shù)值模擬的流出系數(shù)值與基于理論公式計(jì)算值吻合度高,說明基于CFX的數(shù)值模擬可信度較高。

2)數(shù)值模擬表明:在孔板流量計(jì)中,縮徑孔厚度的增加會(huì)使得流出系數(shù)增大;當(dāng)截面比較小時(shí),流出系數(shù)隨其增大而減小,當(dāng)截面比較大時(shí),流出系數(shù)隨其增大而增大。在V錐流量計(jì)中,流出系數(shù)及錐體前后壓差隨著等效直徑的增大而增大;流出系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大逐漸增大并趨近于某一定值;流出系數(shù)的增大,會(huì)使得錐體前后壓差有稍許的降低。

3)通過數(shù)值模擬的定量分析可知:與孔板流量計(jì)相比,V錐流量計(jì)具有明顯的節(jié)能效果,隨著流速的增大,節(jié)約的費(fèi)用越多,投資回收期越短。

4)當(dāng)截面比小到一定程度時(shí),流體在縮徑孔下游的徑向速度場及湍流強(qiáng)度將顯著增強(qiáng),進(jìn)而影響計(jì)算精度;在氣固兩相流的縮徑管段沖蝕模擬中可以發(fā)現(xiàn)管段的最大沖蝕區(qū)域不是在縮徑孔板上,而是在其下游管段的某一管內(nèi)壁頂部。

[1]GB/T 2624.1-2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量,第1部分:一般原理和要求[S].

[2]孫淮清,王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]程耕,程平,李受人.節(jié)流管孔流動(dòng)參數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系的數(shù)值研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2005,26(3):575-576,607.

[4]周雪漪.計(jì)算水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[6]胡仁喜,劉昌麗.SolidWorks 2013中文版從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[7]紀(jì)兵兵,陳金瓶.ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

[8]謝龍漢,趙新宇,張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[9]GB/T 2624.2-2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量,第2部分:孔板[S].

[10]孫德志,叢振超,劉煒麗.V錐流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,29(3):9-11.

[11]徐英,于中偉,張濤,等.V形內(nèi)錐流量計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)對流出系數(shù)的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(12):106-111.

[12]朱懿淵,姚征,沈立明.V錐差壓流量計(jì)三維數(shù)值模擬與改進(jìn)分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(2):155-159.

[13]孫延祚.從節(jié)能降耗要求看推廣應(yīng)用VNZ流量計(jì)的必要性[J].石油化工自動(dòng)化,2005(5):95-98.

[14]郭烈錦.兩相與多相流動(dòng)力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2002.

[15]Hong J,Zhu J X.Effect of pipe orientation on dense-phase transport I:Critical angle in inclined upflow[J].Powder Technology,1997,91(5):115-122.

[16]Hirota M,Sogo Y,Marutani T,et al.Effect of mechanical properties of powder on pneumatic conveying in inclined pipe[J].Powder Technology,2002,122(1):150-155.

猜你喜歡
縮徑錐體雷諾數(shù)
冷鐓螺栓縮徑模具內(nèi)孔孔型設(shè)計(jì)
500MPa級熱軋帶肋鋼筋端部縮徑成型試驗(yàn)研究
深部縮徑缺陷樁的透明土模型試驗(yàn)研究
搜集凹面錐體
錐體上滾實(shí)驗(yàn)的力學(xué)分析
基于Transition SST模型的高雷諾數(shù)圓柱繞流數(shù)值研究
進(jìn)動(dòng)錐體目標(biāo)平動(dòng)補(bǔ)償及微多普勒提取
失穩(wěn)初期的低雷諾數(shù)圓柱繞流POD-Galerkin 建模方法研究
基于轉(zhuǎn)捩模型的低雷諾數(shù)翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
民機(jī)高速風(fēng)洞試驗(yàn)的阻力雷諾數(shù)效應(yīng)修正
安泽县| 湘潭市| 建阳市| 黑龙江省| 永吉县| 涞水县| 资阳市| 怀来县| 汉川市| 区。| 嵊泗县| 安顺市| 富阳市| 高要市| 吉隆县| 三都| 灯塔市| 宁津县| 黄冈市| 阳山县| 公安县| 漯河市| 柳河县| 巴彦县| 福海县| 通江县| 高密市| 台东县| 都匀市| 南陵县| 昭通市| 绵竹市| 岢岚县| 托克逊县| 宁乡县| 维西| 舟山市| 南昌县| 遂平县| 娄底市| 陆河县|