摘(zhāi)要:通過(guò)CFD流體軟(ruǎn)件對内(nei)錐流量(liang)計 壓力(li)損失進(jin)行了數(shù)值模拟(nǐ),實驗介(jiè)質爲汽(qì)油與柴(chai)油的混(hùn)合物。内(nei)錐流量(liàng)計和 孔(kǒng)闆流量(liàng)計 經常(chang)使用于(yú)流體計(jì)量,在保(bao)證兩種(zhǒng)流量計(ji)流通面(miàn)積相🔞等(deng)的條件(jiàn)下,對它(ta)們的壓(ya)力損失(shī)進行了(le)比較。結(jie)果表明(ming),内錐流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失僅爲(wei)孔闆流(liú)量計壓(ya)力損失(shi)的30%左右(you),将内錐(zhuī)流🔴量計(ji)應🤩用于(yú)流體計(ji)量,可以(yi)起🐆到節(jiē)能降🥰耗(hào)的作用(yòng)🙇🏻。
0引言
　　在(zài)許多情(qíng)況下,由(you)壓力損(sun)失所引(yin)起的額(é)外的耗(hào)能費用(yong)是選用(yong)流量計(ji)時必須(xū)要考慮(lǜ)的一個(ge)重要因(yin)🌈素。流量(liàng)儀表的(de)壓力損(sǔn)失小已(yi)經是選(xuǎn)擇流量(liàng)計的一(yī)項重要(yào)指标。由(you)于内錐(zhui)流量計(ji)和孔闆(pan)流量計(ji)使💁用的(de)條件相(xiang)似,并且(qiě)使用廣(guǎng)泛✨,因此(cǐ)有必要(yào)對這兩(liǎng)🍉種流量(liàng)計進👈行(hang)壓力損(sun)失🌈比較(jiào),以便選(xuǎn)出更合(he)适的測(ce)量儀表(biao)。雖‼️然人(ren)們對内(nèi)錐流⭐量(liang)計和孔(kǒng)闆流量(liàng)計的壓(yā)力損失(shī)進行過(guò)比較,但(dan)目前文(wen)獻[1-2]中所(suo)作的比(bǐ)較存在(zai)兩個問(wen)題。第一(yī),文獻中(zhōng)多是通(tong)過比較(jiào)兩種💜流(liu)量計的(de)♋壓力損(sun)失計算(suàn)公式來(lái)對兩種(zhong)儀表進(jin)行💯比較(jiào)。
　　對于孔(kong)闆流量(liàng)計,它的(de)曆史較(jiào)長,有統(tong)一的國(guo)際标準(zhǔn),可📞以直(zhi)接算出(chu)壓力損(sun)失。對于(yú)内錐流(liú)量計,它(ta)的曆史(shi)相對較(jiào)短🔱,沒有(yǒu)統一的(de)國際标(biāo)準,給出(chū)的一些(xie)計算公(gōng)式也不(bu)太成熟(shú)🍉,通常計(ji)算值與(yǔ)真實值(zhí)之間存(cun)在較大(dà)的誤差(chà)。例如,内(nèi)錐流量(liàng)計的生(shēng)📧産廠家(jiā)即♍使是(shì)按照行(háng)♈業規範(fan)生産的(de)同一型(xíng)号的内(nèi)錐流量(liàng)計,其給(gěi)出的計(ji)算内錐(zhuī)流量計(jì)🐅的壓力(lì)損失系(xi)數也是(shi)各不相(xiang)同的,這(zhe)就給用(yòng)公式計(ji)算🌈壓力(li)損失帶(dai)來了誤(wù)差。第二(èr),對兩種(zhong)🐕流量計(jì)壓力損(sǔn)失比較(jiao)時,并沒(mei)有規定(dìng)兩種流(liu)量計的(de)有效流(liu)通面積(ji)相同,所(suǒ)得到的(de)結果缺(quē)乏說服(fu)力。基于(yú)以上兩(liang)個原因(yīn),本文用(yòng)CFD數值模(mó)拟的方(fang)法,計算(suan)出内👄錐(zhuī)流量計(jì)的壓力(lì)損失,并(bing)💘在保🐇證(zheng)有效流(liú)通面積(ji)的💋條件(jiàn)下對兩(liang)種流量(liang)計的😄壓(yā)力損失(shī)㊙️進行了(le)比較,并(bing)且對兩(liang)種流量(liang)👨‍❤️‍👨計進行(hang)了經濟(ji)技術分(fèn)析,對選(xuǎn)用流量(liang)計及計(ji)算内錐(zhui)流量計(jì)的能耗(hao)都有很(hen)好的參(cān)考價值(zhi)。
1模型建(jian)立
1.1幾何(hé)模型和(hé)湍流模(mo)型的建(jiàn)立
　　建立(li)長L=14m,内徑(jìng)D=0.2m的管道(dào)模型,模(mo)拟了前(qián)錐角爲(wei)45°,後錐角(jiao)爲120°的V錐(zhui)體壓力(lì)分布情(qíng)況。
　　由于(yú)内錐體(ti)爲旋轉(zhuan)體,具有(you)軸對稱(chēng)特性,在(zai)進行數(shu)值模🔞拟(ni)實♊驗時(shí),所建立(lì)的模型(xing)爲二維(wei)結構,并(bìng)進行了(le)簡化處(chu)理(計算(suan)域選取(qu)一半),如(rú)圖1所示(shì)。

　　在(zai)網格的(de)剖分方(fāng)面,采用(yòng)了結構(gou)化網格(gé)[3-4],如大比(bi)率🚶四邊(biān)形網格(gé)計算長(zhǎng)管形狀(zhuang)流場,網(wang)格數量(liang)明顯減(jiǎn)少,在靠(kao)近錐體(ti)部分的(de)網👉格進(jìn)行加密(mì)設置,越(yue)靠近管(guan)道兩端(duan),網格💋越(yue)稀疏。這(zhè)樣做的(de)目的是(shi)爲了保(bao)持網格(gé)的光滑(hua)度,從而(er)🔞加速叠(die)代收斂(liǎn)速度,避(bì)免因臨(lin)近單元(yuan)體積或(huo)面積的(de)快🏃‍♀️速變(bian)化而導(dǎo)緻大的(de)截斷誤(wù)差,節省(sheng)計🈲算時(shí)間。另外(wai),在相💃同(tong)網格數(shu)量下,爲(wèi)更好保(bao)證計👄算(suàn)精度,對(dui)流場影(yǐng)響最重(zhong)🏃🏻要的部(bù)分進行(háng)了更精(jing)密的網(wang)格剖🧡分(fèn)。圖1即是(shì)采用此(ci)方法進(jin)行的㊙️網(wang)格剖分(fen)㊙️。
　　利用RNGκ-ε[5]模(mo)型進行(hang)計算,經(jing)物理實(shi)驗驗證(zheng)顯示出(chu)了較好(hao)的預測(ce)性。另外(wài),在近壁(bì)面區域(yu)采用标(biāo)準壁面(miàn)函數法(fa)進行處(chu)理。利用(yong)🛀🏻有限😘體(tǐ)積法實(shi)現控制(zhì)方程的(de)離散化(hua)👣,在求解(jiě)離散方(fāng)程過程(chéng)中,采用(yong)以壓力(lì)爲基本(ben)求解變(bian)♻️量的求(qiu)解方法(fǎ),即SIMPLE算法(fǎ)進行求(qiú)解。差分(fen)格💋式采(cǎi)用二階(jie)迎風格(ge)式。
1.2邊界(jiè)條件和(he)工作流(liú)體物性(xing)
　　邊界條(tiáo)件包括(kuò)壁面、對(dui)稱軸、速(sù)度入口(kǒu)和壓力(li)出口。流(liu)體從速(su)度入口(kǒu)進入,流(liú)經節流(liú)裝置,最(zuì)後由壓(ya)力出口(kǒu)流出。
　　内(nèi)錐流量(liàng)計的數(shu)值模拟(ni)實驗介(jie)質爲柴(chai)油與汽(qi)油的📞混(hùn)合⛹🏻‍♀️物,其(qi)物理性(xìng)質見表(biao)1所示。

2内(nei)錐流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shī)模拟實(shi)驗
　　傳統(tǒng)測量孔(kong)闆流量(liang)計壓力(li)損失的(de)方法[6]如(rú)圖2所示(shi),分别測(ce)🔴出、兩點(dian)之間的(de)靜壓力(lì),所得差(cha)值即爲(wei)孔闆壓(ya)力損失(shi)。爲了🏃使(shǐ)模拟的(de)壓力是(shì)不可恢(hui)複性壓(ya)力,P1、P2兩點(diǎn)之間的(de)距離應(ying)盡量遠(yuan),在本模(mó)拟實驗(yan)中管道(dào)直徑D=0.2m,P1、P2兩(liǎng)點之間(jiān)的距離(li)取50D,即兩(liǎng)個測壓(ya)點相距(ju)10m遠,模👌拟(ni)結果如(rú)表2所示(shi)。


3内(nei)錐流量(liang)計與孔(kǒng)闆流量(liang)計壓力(lì)損失比(bǐ)較
　　對于(yu)孔闆流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失,用(ISO5167-2:2003)給(gěi)出的計(jì)算公式(shì)進行計(jì)算,計算(suan)結果與(yu)内錐流(liu)量計壓(yā)力損失(shi)的模拟(nǐ)實驗結(jié)果進行(hang)比較。爲(wèi)了更好(hao)地對内(nei)錐流量(liàng)計♈的壓(ya)力損失(shī)與♻️孔闆(pǎn)的壓力(li)損失進(jìn)行比較(jiao),選擇了(le)有效流(liú)通面積(ji)相同的(de)内錐流(liu)量計和(he)孔♈闆流(liú)量計☎️進(jìn)行比較(jiao),這樣的(de)比較才(cái)有意義(yi)[7]。
　　内錐流(liú)量計錐(zhuī)體最大(da)截面圓(yuán)的直徑(jing)是dv=0.152m,流量(liang)計的直(zhi)徑D=0.2m,管道(dào)截面面(mian)積Sc=0.031m2,有效(xiao)流通面(mian)積爲Sv=0.013m2。将(jiāng)内錐流(liu)量♊計的(de)有效流(liú)通面積(ji)轉換爲(wei)孔的面(miàn)積,則對(dui)應的有(you)效孔徑(jing)βv比爲

　　取(qu)孔闆流(liu)量計與(yǔ)内錐流(liú)量計有(yǒu)效孔徑(jìng)比最接(jie)近的值(zhi)βo=0.65。根據Reader-Harris[8]給(gei)出的流(liu)出系數(shu)的計算(suàn)公式,求(qiu)得平均(jun)流出系(xi)數🏃‍♀️C=0.61。在2003年(nián)實施的(de)孔闆流(liú)量計的(de)國際标(biao)準(ISO5167-2:2003)中,壓(ya)力損失(shī)系數的(de)計算公(gōng)式爲

将(jiang)βo=0.65,C=0.61代人式(shì)(2),可以得(dé)到K=13.37
計算(suàn)壓力損(sun)失Δpo的公(gōng)式爲

将(jiang)流體密(mì)度ρ=836.4kg/m3與K=13.37代(dài)人式(3)可(ke)以得到(dào)

圖3反映(yìng)了由式(shì)(4)計算出(chu)的在不(bu)同流速(sù)下孔闆(pan)流量計(ji)的壓♊力(li)損❤️失曲(qu)線和内(nei)錐流量(liang)計壓力(li)損失的(de)實驗結(jie)果。

　　從圖(tú)3可以看(kan)出,在流(liu)通面積(jī)一定的(de)情況下(xia),孔闆的(de)㊙️壓力損(sun)失要大(dà)于内錐(zhui)流量計(ji),并且随(suí)着流速(su)的增加(jiā)而增加(jia)。表3列出(chū)了在不(bu)同流速(su)下,孔闆(pǎn)流量計(jì)與内錐(zhuī)流量計(ji)的💛壓力(lì)損失,其(qi)中n爲孔(kǒng)闆流量(liang)計與内(nei)錐流量(liang)計壓力(li)損失的(de)比值。

4内(nei)錐流量(liàng)計與孔(kong)闆流量(liàng)計能耗(hào)的比較(jiào)
4.1計算動(dòng)力與能(néng)量消耗(hào)和年耗(hào)能費
對(duì)于液體(tǐ),可采用(yòng)以下的(de)計算公(gong)式[9]
P′=Δp·v·S/η
式中(zhong)P′———所需要(yao)的功率(lǜ),kW;
Δp———壓損損(sun)失,kPa;
v———工況(kuàng)下的流(liú)體的速(sù)度,m/s;
S———管道(dào)的橫截(jié)面積,m2。
計(ji)算年耗(hao)能費
Co=P′。t·X
式(shì)中Co———年耗(hào)能費,元(yuan);
t———運行時(shí)間,h;
X———電價(jià),元/kW。h。
　　由于(yu)孔闆前(qian)後都有(you)大旋渦(wō),在大幅(fu)值脈動(dòng)壓力的(de)背景噪(zào)聲條件(jiàn)下,隻能(néng)通過縮(suō)小孔徑(jìng),提高差(chà)壓上🚶‍♀️限(xian)值來實(shi)現有效(xiào)的流量(liang)測量。因(yin)此孔闆(pǎn)的壓力(li)損失必(bi)然增大(da)。
　　由于内(nèi)錐流量(liàng)計測量(liang)壓差的(de)背景噪(zao)聲小,可(kě)以檢❌測(ce)出👄較小(xiǎo)的壓差(cha),因此内(nèi)錐流量(liàng)計的壓(yā)損必然(ran)比孔闆(pan)的壓🏒損(sǔn)小,年耗(hào)能費也(ye)小。
4.2舉例(li)分析
　　提(ti)到的内(nei)錐流量(liàng)計與孔(kǒng)闆流量(liang)計爲例(li)，工業電(diàn)價爲1元(yuan)/kW·h,做出🐪它(tā)們的年(nian)耗能費(fei)比較圖(tú),如圖4所(suǒ)示。

　　從(cong)圖中可(ke)以得到(dào),随着流(liú)速的增(zeng)加内錐(zhuī)與孔闆(pan)流量計(jì)㊙️年耗能(néng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻費也逐(zhú)漸增大(dà),而孔闆(pǎn)流量計(ji)的年耗(hào)能費要(yào)大于内(nèi)錐流量(liang)計❗的年(nian)耗能費(fèi)。這是因(yīn)爲内錐(zhui)流量計(jì)的壓⭐力(li)損失比(bǐ)孔闆的(de)壓力損(sun)失小得(dé)多,年耗(hào)能費用(yòng)可大大(dà)減少。流(liú)量計口(kǒu)徑越大(dà),流速越(yue)🐕大,則内(nei)錐流量(liang)計節能(néng)效果越(yuè)顯著,投(tou)🔅資回收(shou)期也就(jiù)越短。
　　圖(tú)5表示的(de)是内錐(zhui)流量計(jì)相對比(bi)孔闆流(liu)量計可(ke)以節約(yue)的年耗(hào)能費用(yòng),随着流(liu)速的增(zeng)大,節約(yuē)的費用(yòng)也就越(yuè)多。
以流(liú)速v=5m/s爲例(lì),内錐流(liu)量計的(de)年節約(yue)耗能爲(wèi)17411.9元,節能(neng)🔞效果是(shì)非常可(kě)觀的。

5結(jie)論
　　通過(guo)CFD數值模(mó)拟的方(fang)法,模拟(nǐ)了成品(pin)油管道(dào)中内錐(zhuī)流量計(jì)的壓力(li)損失,同(tóng)時與孔(kong)闆流量(liàng)計比較(jiào),得到了(le)如下結(jie)論:
(1)内錐(zhui)流量計(jì)的壓力(li)損失比(bǐ)孔闆流(liu)量計小(xiao),如果保(bao)👈證兩♈種(zhong)流量計(ji)的有效(xiào)流通面(mian)積相同(tong),那麽内(nei)錐流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)是孔闆(pǎn)☀️流量計(jì)的三分(fèn)之一還(hái)要小一(yī)些📐。
(2)通過(guò)技術經(jīng)濟分析(xī)可以明(míng)顯地看(kan)出:内錐(zhuī)流量計(ji)相比與(yu)孔闆流(liu)量計,可(kě)以節約(yuē)很多的(de)能耗,符(fu)合國家(jiā)的節能(néng)減排長(zhang)期發展(zhǎn)✨方針政(zheng)策。

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