均速管流量计优化设计的数值模拟

均速管流量计优化设计的数值模拟

0 引言

    均速管流量计是美国Dieterich标准公司在60年代中期研制的产品，现已被广泛的用于我国工业现场。均速管流量计具有结构简单，安装拆卸方便，节能效果显著等优点，尤其是应用于大直径管道中时其节能量更是不可忽视，这对于能源短缺的今天十分重要。

    均速管流量计从问世开始直到今天有了很大的发展，出现了很多不同截面形状的测量杆，如：圆形、菱形、弹头形（Veris bar）、机翼形、Delta形等等。近年来，通过数值模拟及实验的方法来分析不同截面形状均速管的性能成为流量测量领域的一个重要课题。齐利晓等人选取弹头形、菱形、Delta形3种截面形状的均速管，将它们分别置于不同的流场中，研究不同流场对均速管流量系数、线性度及重复性的性能指标的影响； 张迎春等人利用CFD数值模拟研究了不同长度的前直管段对流量系数计算结果的影响，总结出了为得到准确的计算值其计算域所应有的直管段长度；M. Kabacinski等人对不同截面形状的均速管进行数值研究，对比不同模型下流量系数随速度变化，并研究了截面尺寸对流量系数的影响；Boleslaw Dobrowolski 等人建立了Verisbar的三维流动模型，研究了Verisbar工作时测量杆内部流体的流动。这些研究工作都为均速管流量计的发展做出了重大的贡献。

    虽然均速管流量计具有很多的优点，但在实际运用中还是存在一些问题。首先，均速管流量计输出压差小，测量结果容易受流体扰动的干扰，而且小的输出压差使其对差压变送器的要求很高；其次，均速管流量计不适用于低速流体的测量，用于测量低流速流体时其测量精度低。因此该文主要目标是在不增加永久压力损失的前提下提高均速管输出压差，同时扩大其所能测量的流速范围。

  1 均速管流量计的工作原理

    均速管流量计是差压式流量计的一种，是基于早期皮托管测速原理发展起来的。均速管主要由测量杆与引压管组成，测量杆是一根中空的金属管。当流体流过测量杆时，流体的流速增加，在测量杆的前端形成高压区，测量杆的后部形成低压区，高低压区的压力通过开于测量杆上的取压孔分别进入测量杆内腔中，再由置于测量杆内腔的引压管分别将压力引出，通过引压管引出的高低压力之差计算流量。设均速管检测杆迎面流速为V1，压力为P1，检测杆后端流速为V2，压力为P2，则根据伯努利方程有：

    （1）

    其中：ρ为流体的密度。

    显然，在V1=0时，则：

    （2）

    由此可得：

    （3）

    （4）

    其中：Qv为体积流量，Qm为质量流量，K为流量系数，Yv为流体膨胀系数。从式中可以看出，流量系数是已知的定值，根据压差可计算得到流量。流量系数K主要取决于探头尺寸，所以可以通过改变检测杆截面改变流量系数。

 2 数值模拟

    2.1 Verisbar的数值模拟

    威力巴（Veris bar）测量杆的截面形状如图1所示，模拟的管道直径D=300mm，计算域为流量计前35D至流量计后5D，流量计前长度为35D时流动已得到充分发展。网格采用分块结构化网格，对测量杆周围的网格进行加密，测量杆下游的流动比上游复杂，所以检测杆下游的网格比上游网格密，测量杆周围网格如图2所示。采用k－ωSST湍流模型及SIMPLE算法进行数值计算。

图1 测量杆的截面形状

图2 测量杆周围网格    

    通过计算得到检测杆附近压力分布如图3所示，速度分布如图4所示。从图3、图4可以看出，流体流过检测杆时，检测杆前端形成高压区，后端形成低压区，流体流过检测杆时速度加快。在检测杆高低压取压孔的相应位置上取得动压及静压，通过动压及静压之差进行流量系数的计算，通过计算得到流量系数随速度的变化，如图5所示。从图5中可以看出，当流速较低时流量系数是不稳定的，它会随流速的增加而增大，当流速V≥7m/s时，流量系数相对稳定，它随流速变化的量很小。流速低时均速管流量计流量系数不稳定，会偏离其给定值，因此均速管流量计不适用于测量流速低的流体。当流速达到一定值时均速管流量计流量系数相对稳定，所以其测量精度是比较高的。稳定时的流量系数为K=0.767，相对误差在±3%以内。

图3 检测杆附近压力云图（V=16m/s）

图4 检测杆附近速度云图（V=16m/s）

图5 流量系数随速度的变化

  2.2 双体均速管的数值模拟

    文丘里流量计能产生较大的压差，为了增加均速管流量计的输出压差，将文丘里流量计及均速管的特点相结合得到双体均速管如图6所示。两个截面之间的间隙即构成文丘里管，而检测杆的截面形状与威力巴流量计相近，采用的计算域、湍流模型及算法均与2.1相同，网格亦为分块网格，并对测量杆周围网格进行加密，测量杆周围的网格如图7所示。

图6 双体均速管截面

图7 双体测量杆周围网格

图8 双检测杆附近压力分布（V=16m/s）

    通过计算得到双体均速管附近压力分布如图8所示，速度分布如图9所示。从图中可以看出，流体流过双体均速管两检测杆之间时，流速增加，在检测杆前端形成高压区，两检测杆之间形成低压区。双体均速管流量系数随速度的变化如图10所示。从图中可以看出，当流速V≥0.5m/s时，流量系数基本保持稳定，与原型相比流量系数的稳定范围有所增加，稳定的流量系数K=0.67，相较原型下降了12.6% ，相对误差在±2.8%以内，通过计算得输出压差增加了30.9% 。

图9 双检测杆附近速度分布（V=16m/s）

图10 双体均速管流量系数随速度变化

    随着均速管测量杆截面形状的改变由其所引起的永久压力损失也发生了改变。取检测杆前1D处的平均压力为Px，检测杆后6D处的平均压力为Py，则Px－Py为检测杆所引起的永久压力损失。Verisbar和双体均速管所引起的永久压力损失如图11所示。从图中可以看出，随着流速的增加，检测杆所引起的永久压力损失在一定范围内，呈现出逐渐增大的趋势。计算结果表明，双体均速管检测杆引起的永久压力损失较Verisbar稍有增加但差距不大，因此，双体均速管与原型相比在增加了输出压差及测量范围的同时并没有引起过多压力损失。    

图11 不同模型永久压力损失

  3 结论

    1）当流速较低时，Veris bar的流量系数不稳定，它随速度的改变而改变，当流速V≥7m/s时，流量系数基本稳定，流速对流量系数的影响很小。

    2）双体均速管流量系数基本稳定在K=0.67左右，相较于Verisbar降低了12.6%，其输出压差增加了30.9% 。

    3）双体均速管当流速V≥0.5m/s时，其流量系数基本保持稳定，其相对误差在±2.8%以内，所能测量的流速范围较Verisbar有很大的增加。

    4）随着流速的增加，均速管测量杆所引起的压力损失逐渐增加，由双体均速管测量杆引起的永久压力损失比Verisbar并没有很大的增加，但较大幅度提升了输出压差，并扩大了流量（流速）的测量范围。