摘要(yào):針對速度分布的(de)不對稱性對均速(sù)管流量計 測量精(jīng)度影響的問題，利(lì)用計算流體力學(xué)(CFD)軟件，對均速管🏃‍♀️流(liú)量計的内部流場(chang)進行了3D數值模拟(nǐ)。采用有限體積法(fa)，引✔️人标準k-ensilon湍流模(mo)型對控制方程進(jin)行離散和求解，得(dé)出了均⛱️速管流量(liang)計在彎管後不同(tong)直管段位置和不(bu)同流速條件下的(de)流場動力學參數(shù);利用得到㊙️的差壓(yā)模拟數據計算得(dé)出流量系數♉，并對(dui)測量精度進行了(le)分析。
引言
　　均速管(guǎn)流量計是基于皮(pi)托管流量計發展(zhan)起來的一種新型(xíng) 差壓式流量計 ，其(qi)目的是爲了克服(fú)皮托管流量計因(yin)單點取樣而🧑🏽‍🤝‍🧑🏻對🔅管(guan)🌂内速度分布對稱(chēng)性的嚴格要求。通(tōng)過采用如圖1所示(shì)的在近✊管壁處的(de)多點取壓方法，均(jun1)速管流量計可以(yǐ)應用于非對稱性(xing)流速分布管段的(de)流量⛹🏻‍♀️測量，适用範(fan)圍更大，測量精度(du)也有所提高。因其(qi)結構簡單，安裝方(fang)便，價格低和節能(neng)的優點，現已被廣(guang)泛的應用于🐅冶金(jīn)、石化等工業計量(liàng)中。
 
　　圖2所示爲均速(su)管流最計檢測杆(gǎn)的橫截面，其均壓(yā)原理是湧過分布(bu)幹管壁附近的多(duo)點取壓孔..将壓強(qiang)引入檢測杆内部(bu)的均壓腔，迎流面(miàn)取壓孔.引人高壓(ya)(沖壓)，側面⛷️取壓孔(kong)引入低壓(靜壓❓)，引(yin)入的各點壓強在(zai)均壓腔内平均後(hou)被引壓管引出👉。
 
　　均(jun)速管流量計測量(liang)原理遵循伯努利(li)方程，設均速管流(liú)量計檢🙇‍♀️測杆迎流(liú)取壓孔處速度爲(wèi)U,(m/s)，壓力爲P1(Pa)，檢測杆👈側(cè)流取壓♊孔.處的流(liú)速爲U2(m/s)，壓力爲P2(Pa)，忽略(lue)摩擦阻力，流體高(gāo)度差等因素，可得(dé)到:
 
　　其中流量系數(shu)K由多種因素共同(tóng)影響，是測量探頭(tou)速度系數、被測管(guan)道速度分布修正(zhèng)系數和管道安裝(zhuāng)幹擾系數三部分(fen)🍓的乘積4。其中速度(dù)系數可看作流量(liàng)計在均勻流場中(zhong)流速與輸出差壓(yā)之間關系的修正(zheng);速度分布系數是(shi)管道内處幹充分(fèn)發展流動時流速(sù)分布對平均速度(dù)測量影響的修正(zhèng);系數則是現場安(an)❓裝條件對流量測(ce)量影響的修正1。流(liú)量😘系數K的準♌确與(yǔ)否會直接♊影響流(liú)最測量的精度。工(gong)程應用時都是通(tong)過實驗标定作爲(wèi)固定值應用于實(shi)際測量♌。
　　均速管流(liú)量計取樣具有實(shi)際意義的前提是(shi)管道内的速度❤️分(fèn)布是對稱穩定的(de)充分發展湍流，各(ge)個取壓孔的🚩速度(dù)算數平均值近似(sì)等于管道截面的(de)👅平均速度"，這是插(cha)入式均速流量計(jì)的測量精度取❌決(jué)于管道⁉️内流速分(fèn)布的特點。--般而言(yán)，完全對稱的速度(du)分布是最理想的(de)，但在應用過程中(zhong)受實際情況的限(xiàn)制，并不能保證有(yǒu)足夠長的直管段(duàn)使流動達到充分(fen)🔆發展，在現場直㊙️管(guǎn)段長度較短、上遊(you)又有彎管阻件導(dǎo)緻流速分布複雜(za)時，測量誤💜差會較(jiao)大💔。
　　爲了更深人地(di)了解管内流速分(fen)布特點對流量系(xì)數的影響，本文對(dui)處幹彎管後不同(tóng)直管段位置和不(bú)同流速條件下的(de)均速流量計内部(bù)流場進行了🍓數值(zhí)模❤️拟，并分🔴析了管(guǎn)内速度分布對♍均(jun1)速管流量計的測(cè)量精度的影響。
1.數(shu)值模拟
1.1物理模型(xíng)和數值方法
　　計算(suan)洗擇檢測杆有效(xiào)長度爲200mm的彈頭狀(zhuàng)威力巴均速管流(liú)量計爲物理模型(xíng);垂直于管道中心(xīn)線、彎管平面插入(rù);三對取壓孔按🏃‍♀️照(zhao)切比雪夫法分布(bù)[6l;陽塞比爲8.9%，可🤩忽略(lue)檢測杆對🌈管道内(nei)流速的影響;工作(zuo)介質爲常溫空氣(qì)，密度爲1.225ke/m3，運動黏度(du)爲1.7894x10-5;彎管前直管段(duàn)🔞L0=20D，彎管後直管段長(zhang)度L1=4D~11D，均速🤩管流量計(jì)後直管段長度爲(wèi)L2=5D,圖3所示爲計算域(yu)彎管平面示意圖(tu)，流速範🚶‍♀️圍爲🌏6~30m/s,對應(ying)的雷諾數範♋圍是(shi)0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前處理軟件(jiàn)ICEM對計算區域進行(háng)網格劃分，采用非(fei)均勻網格，并對網(wǎng)格進行優化，檢測(ce)杆内部空腔♉采用(yong)較密集的網格，最(zui)小網格尺寸爲0.2mm，對(dui)靠近流量計的一(yī)⭐-段管道進行加🐇密(mi)最小網格尺寸爲(wei)1mm，以保證數值模拟(ni)的精度圖4是整個(gè)流場的三維仿真(zhēn)模型示意圖。
 
　　用Fluent流(liu)體力學軟件進行(háng)數值模拟，用有限(xiàn)體積法對控制方(fang)程進👌行離散，模型(xing)選用标準k-eDsilon湍流模(mo)型，近壁區采用标(biao)㊙️準壁面函數法，入(rù)口條件采用Velocitv-inlet，出口(kou)條件采用Pressure-outlet。
1.2控制方(fāng)程和湍流模型
　　求(qiú)解各個算例的的(de)流體動力學特性(xing)可以用流體力學(xue)基本方程14.71.
連續性(xìng)方程爲:
 
 
式中，Umax是管(guan)道中心速度，r是管(guǎn)道内部任意.點距(ju)離管中心的距離(li)，R是管道半徑，指數(shù)n與雷諾數Re有關。
1.4仿(pang)真結果和讨論
　　在(zài)不同直管段位置(zhi)和不同流速的條(tiao)件下，引用标準k-ε模(mó)☀️型🏃🏻，模拟得出了均(jun)速管流量計附近(jìn)的速度場🔞和壓力(li)場。
　　圖5所示是入口(kǒu)流速爲15m/s的條件下(xia)，直管段内充分發(fa)展的🆚湍流(L0=0，無彎管(guan)附件，L;=20D，L2=5D)的模拟結果(guo)。由速度雲圖(圖5a)看(kan)出，在流量計迎流(liú)面上:沒有開孔.的(de)位置，流速驟然下(xià)降并接近幹零，在(zài)取壓孔處的速度(du)雖然有所下降，但(dàn)并不爲零。根據充(chōng)分發❌展湍流的速(sù)度分布可知，管中(zhōng)心處的速度最大(da)，檢測杆上半部的(de)三個取壓孔的速(sù)度分别爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示總(zong)⛹🏻‍♀️壓腔内的流體不(bu)是靜止的，流體從(cong)中心附近的兩個(gè)取💛壓口流人，從近(jin)壁處的取壓刊.流(liú)出。檢測杆下半部(bù)的三個取壓孔的(de)流速分别爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shang):半👈部分基💘本對稱(cheng)。壓力雲圖(圖5b)則顯(xiǎn)示了檢測杆内部(bu)壓力的差異。壓腔(qiang)🐉内的壓力是由取(qu)壓孔引人的壓力(li)👅平均之後得到的(de)結果，總壓腔是正(zhèng)高壓，爲184.233Pa，靜壓腔是(shì)負低🔞壓，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給出(chū)了直管段充分發(fā)展湍流條件下，均(jun)速管流量🐅計前0.25D處(chu)的🐕縱軸截面上.的(de)速度分布，可以看(kan)出在此情♈形下的(de)湍流流💜形是對稱(cheng)的、均勻的。
 
　　對幹受(shòu)彎管影響的湍流(liu)(Lo=20D，有彎管附件，L1=4D~11D，L2=5D)的情(qíng)況，圖7給💯出的🎯是入(ru)口速度爲15m/s時均速(su)管流量計處幹彎(wān)管後㊙️4D位置🙇🏻的模拟(nǐ)結果的雲圖。從速(sù)度雲圖(圖7c)看出速(sù)度分布明🐉顯不對(dui)稱。靠近管中心的(de)取壓孔附近的流(liu)速分别爲⁉️4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近(jìn)管壁的取壓👌孔附(fu)近的流速爲-1.123m/s、-1.339m/s;由取(qǔ)壓孔引入㊙️的壓力(lì)也出現了較大變(biàn)化，總壓腔内壓強(qiáng)爲172.492Pa，靜壓腔☁️爲--44.958Pa。雲圖(tú)也展示🐉了速度和(he)壓強的等❄️值區域(yù)受彎管影響而産(chan)生的變化。
 
　　處幹彎(wan)管後的均速管流(liú)量計前0.25D處縱軸截(jié)面上的👌速度分布(bu)如🔞圖8所示。縱坐标(biāo)爲縱軸截面徑向(xiàng)t點的位置，橫坐🈲标(biao)爲各點的速🔱度，曲(qǔ)線代表了均速管(guan)流量計處于彎管(guǎn)☎️後不同位置時測(cè)量的流體的速度(dù)分布。可以很明顯(xiǎn)看🌈出在彎管下遊(yóu)有很長一段範圍(wei)内，速度分布是中(zhōng)間低，兩側高，中間(jian)🛀的速度逐步♍增大(da)，到11D處仍然是外側(ce)的速度大于内側(ce)的速度，之🌈後再繼(jì)續發展。
 
　　表1列出的(de)是根據模拟的差(cha)壓數據計算得到(dào)的均速管流量㊙️計(ji)的流量系數K。可以(yǐ)看出，處幹彎管後(hou)的均速管流量計(ji)㊙️測得的流量系數(shu)與對稱分布的充(chong)分發展湍流下得(dé)到的♈流量系數存(cun)在一-定的偏差，表(biao)明管内速度分布(bù)的不均勻性對測(ce)量精度的影🌈響，在(zài)實際應用中應該(gāi)加以修正。
 
　　圖9是不(bú)同流速條件下，檢(jian)測杆位于彎管後(hòu)4D~11D距離時的流🔅最系(xi)數的模拟結果。可(ke)以發現，有彎管影(ying)響時的流🤩量系數(shù)均高于充分發展(zhan)湍流情形下的值(zhi)，這是速度分布的(de)不對稱性導緻的(de)結果。因此，在均速(sù)🚶‍♀️管流量計的應用(yòng)上，當測量位置處(chù)于彎✌️管後一定的(de)距離内，應對流量(liang)系數🔞進行修正，否(fǒu)則導緻測量結果(guǒ)的偏差。
 
2結語
　　本文(wen)對彎管後不同直(zhi)管段位置和不同(tóng)流速下的均速管(guǎn)流🔞量👅計的流場進(jìn)行了三維數值模(mo)拟，模拟得出了不(bu)同情況下檢測杆(gan)内部的流動情況(kuang)和管内速度分布(bu)的不對稱♍性對均(jun)速管流量計測量(liàng)的影響。得出了以(yǐ)下結論:
1)均速管流(liú)量計垂直安裝幹(gàn)彎管平面後,在彎(wān)管後4D~11D這段距🌈離内(nei)，檢測杆前縱軸截(jie)面上的速度呈現(xian)出“中間低，兩邊高(gāo)😘”的規律。
2)彎管引起(qi)的管内速度分布(bù)的不對稱性對流(liú)量測量☂️精🚩度的☀️影(yǐng)🐉響大，建議對彎管(guan)後11D内安裝的流量(liàng)計進行流量系數(shù)修正。

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