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孔板流量计测量时孔流系数的探讨

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  在流体力学瞬态流动研究过程中,需要对瞬时流量进行测试。当电磁流量计测量快速变化的流量时,转换器的信号处理时间一般大于0.2s,需要特殊设计才能满足要求[5]。在测试小流量的瞬时变化时,涡轮流量计具有很强的强度。非线性问题。在许多情况下,孔板流量计可用于瞬态流量测试。

  基于CFD技术,通过改变流量,直径比,孔板厚度和流体介质,系统地研究了孔板的稳定流动。库马尔等人。 [7]使用CFD技术研究湿气测量中方形和圆形孔板流量计之间的相似性和差异; Singh等人[8]对锥形流量计的孔隙流量系数进行了数值模拟; Washio等人[9]通过实验和理论分析通过孔板的周期性波动流动的流动,指出孔板前后的压差呈现非线性并滞后于流量变化,这被称为“涡流惯性”。

  鉴于目前对孔板流量计流量加速过程没有相关研究,为了从内部流动角度揭示差压滞后于流量变化的原因,很难使用测试测量。采用CFD方法对稳态和加速过程中的孔隙流动系数进行数值预测,分析流动状态下孔隙流动系数与瞬态过渡的关系。这为使用孔板流量计测量瞬时流量提供了参考。

1、物理模型和数值方法

1.1、基本理论

  孔板流量计是一种差压式流量计。对于不可压缩流体的水平管流,忽略了管壁的摩擦阻力损失,这可以根据流体连续性和机械能的相互转换来获得。

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1.2、模型,网格和边界条件

  图1显示了孔板流量计的物理模型。根据标准孔板流量计的安装情况,在图1a中,上游和下游直线段的长度分别取10D和5D作为稳定的直线段。上游管和下游管的内径D取为100mm。板厚δ需要3mm。

  流速从0增加到恒定加速度,如图1b所示;压力阀的位置如图1c所示。

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  为了准确捕捉孔板前后的流场变化,首先在壁面附近定义了一个边界层网格。边界层第一层的厚度为0.1mm,总共10层,高度增长因子为1.1;其次,使用孔板。孔的圆柱形表面用作内盆的界面将边界表面附近的边界层切割为同一边界层网格,内部区域被蝴蝶网格划分;最后,基于边界层设置良好,结构化网格生成方法用于完成网格的其余部分。师。

  图2显示了孔板附近的网格分布。液态水作为常温下的流体介质,选择二阶迎风方式进行动量,湍动能和湍流耗散率方程的离散选择。压力和速度耦合由SIMPLE算法选择。状态和加速条件下的湍流模型分别为Realizablek-ε和RealizableDES模型。稳态和加速过程的入口采用进口边界条件,流体加速曲线如图1b所示,管壁无滑动边界条件。


孔板流量计附近三维网格图

孔板流量计附近的三维网格图

  由于流量的增加,考研采取时间步骤来提高迭代过程的经济性。时间步长Δt和时间t采用等式(1)的关系:


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  流场求解软件在Linux平台下为Fluent6.3,并且在曙光1800工作站上由8个Intel Xeon处理器(3.2GHz)执行并行计算。稳态迭代4000时间约为2h,250次迭代的瞬态时间约为22h。

2、结果分析

2.1、孔流量系数和压降

  图3显示了孔隙流量系数的数值模拟结果。 Realiza-blek-ε和ISO试验回归曲线[10]模拟的稳态孔隙流动系数C0的最大误差在3%以内,达到了标准k-ε的最大误差。 6%[6]。

  对于流量Q≤0.6m3/ h,C0随着流量的增加而缓慢下降,然后保持在0.63左右。与C0的差异在于C从0开始并随流速增加,并逐渐接近C0直到C≥3.5m3/ h。 C及时落后于C0。图4Δp-Q曲线表明,Q≤3.0m3/ h时,加速过程孔口前后的压降高于同一流量下的稳态压降; Q≥3.0m3/ h,瞬态压降降低至稳态水平。

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2.2、速度和压力场分析

  从流入角度分析导致2.1节中C和C0之间的差异。图5和图6分别示出并比较了在稳定状态和加速过程中在相同流速下通过孔口之前和之后的流体的速度和压力场。对于Q≤3。在孔板后面可以观察到0m3 / h的稳态条件,孔板上右侧的细长的主涡流和小的涡流,并且流动损失大。同时表明在流场中形成了稳定的流道,动能和压力能量的转化达到平衡,流动损失(长涡)也趋于稳定,压力随着流量的增加,差异逐渐增大。

  在加速过程中,孔板后面的旋涡逐渐形成:流量在小流量时相对稳定,流体被加速流体不断推向下游,不形成涡流,流量损失为小;随着流量继续增加,孔板流动分离开始发生在后部(大约Q> 1.1m3 / h);当流量进一步增加时,孔板后面出现大涡流。在加速的早期阶段,压力沿着整个管道逐渐向下游扩散,并且压力能量传播很长距离,并且不会在短距离内快速转换成动能。

  由以上分析可以认为,由加速前的C和C0之间的差异引起的流入是涡流形成的滞后和预加速压力能量在短距离内不能转化为动能。

  随着流量增加,在孔板后面出现明显的涡流,并且涡流中心附近的区域是低压区域。尽管孔隙流动系数和压降的瞬态和稳态值彼此接近,但与稳态条件相比,流动状态(涡流的形状和位置)和压力分布仍然相对较大,因为液体仍处于加速阶段区别。

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3、结论

  通过CFD技术实现了稳态和加速流体流过节流孔的数值模拟。得到了孔流量系数,流场和压力的模拟结果。主要结果总结如下:

1)稳态孔流量系数C0的数值预测非常接近ISO试验的回归曲线,可实现的k-ε比ISO标准回归曲线更接近于标准k- ε,误差分别为3%和6%;

2)在加速过程中,C随流速的增加逐渐增加,接近稳态C0。在加速初期,压差高于稳态水平。随着流量增加,瞬态和稳态压力差彼此接近。 3)引起加速早期C和C0差异的流入原因是涡旋形成滞后和加速前压力能量在短距离内不能转化为动能。本文的内容可为孔板流量计测量瞬时流量提供参考,为研究流体机械内部的非定常流动等特殊问题提供基础保证。未来的工作将集中在系统和深入研究其他瞬态条件,如流量波动,步骤和突然变化。





标签:   孔板流量计
点击次数:  更新时间:2018-07-01 14:44:11  【打印此页】  【关闭