摘(zhai)要:通過(guo)CFD流體軟(ruan)件對内(nei)錐流量(liang)計 壓力(li)損失進(jin)行了數(shu)值模拟(ni),實驗介(jie)質爲汽(qi)油與柴(chai)油的混(hun)合✉️物。内(nei)錐流量(liang)計和 孔(kong)闆流量(liang)計 經常(chang)使用于(yu)流體計(ji)量,在保(bao)證兩種(zhong)流量計(ji)流通面(mian)積相☔等(deng)💞的條🏃件(jian)下,對它(ta)們的壓(ya)力損失(shi)進行了(le)比較。結(jie)果表明(ming),内錐流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失僅爲(wei)孔闆流(liu)量計壓(ya)力損失(shi)的30%左右(you),将内錐(zhui)流量計(ji)應用于(yu)流體計(ji)♌量,可以(yi)起到節(jie)能降耗(hao)的作用(yong)㊙️。
0引言
　　在(zai)許多情(qing)況下,由(you)壓力損(sun)失所引(yin)起的額(e)外的耗(hao)能㊙️費用(yong)🏃🏻‍♂️是選用(yong)流量計(ji)時必須(xu)要考慮(lü)的一個(ge)重要因(yin)素。流量(liang)儀表的(de)壓力🎯損(sun)失小已(yi)經是選(xuan)擇流量(liang)計的一(yi)項重要(yao)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(qie)使用廣(guang)泛,因此(ci)有必要(yao)對這兩(liang)種流量(liang)計進行(hang)壓力損(sun)失比較(jiao),以便選(xuan)🍉出更合(he)适的🛀🏻測(ce)量儀表(biao)。雖然人(ren)們對内(nei)錐流量(liang)計和孔(kong)闆流🚶‍♀️量(liang)計㊙️的壓(ya)力損失(shi)進行過(guo)比較,但(dan)目前文(wen)獻[1-2]中所(suo)作的比(bi)較存在(zai)兩個問(wen)題。第一(yi),文獻中(zhong)多是通(tong)過🐉比較(jiao)兩種流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失計算(suan)公式來(lai)對兩種(zhong)儀表進(jin)行👉比較(jiao)。
　　對于孔(kong)闆流量(liang)計,它的(de)曆史較(jiao)長,有統(tong)一的國(guo)際标準(zhun),可💜以直(zhi)🚶接算出(chu)壓力損(sun)失。對于(yu)内錐流(liu)量計,它(ta)的曆史(shi)相對較(jiao)短,沒有(you)統一💃的(de)國際标(biao)準,給出(chu)的一些(xie)計算公(gong)式也不(bu)太成熟(shu)⁉️,通常計(ji)算值與(yu)真實值(zhi)之間存(cun)在較大(da)🐕的誤差(cha)。例如,内(nei)錐流量(liang)計的生(sheng)産廠家(jia)即♈使是(shi)按照行(hang)業規範(fan)生産的(de)同一型(xing)号的内(nei)錐流量(liang)❤️計,其給(gei)出的計(ji)算内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失系(xi)數也是(shi)各不相(xiang)同的,這(zhe)就給用(yong)公式計(ji)算壓力(li)損失帶(dai)來了誤(wu)差。第二(er),對兩種(zhong)💃流量計(ji)壓力損(sun)失🛀比較(jiao)時,并沒(mei)有規定(ding)兩種流(liu)量計的(de)🚶有效流(liu)📧通面積(ji)相同,所(suo)🈲得到的(de)結果缺(que)乏說服(fu)力。基于(yu)以上兩(liang)個原因(yin)🔱,本文用(yong)CFD數值模(mo)拟的方(fang)✌️法,計算(suan)出内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失,并(bing)在保證(zheng)有效流(liu)通面積(ji)的☀️條件(jian)下對兩(liang)種流量(liang)計的😍壓(ya)力損失(shi)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(fen)析☀️,對選(xuan)用流量(liang)計及計(ji)算内錐(zhui)流量計(ji)‼️的能耗(hao)都有很(hen)好的✔️參(can)考價值(zhi)❌。
1模型建(jian)立
1.1幾何(he)模型和(he)湍流模(mo)型的建(jian)立
　　建立(li)長L=14m,内徑(jing)D=0.2m的管道(dao)模型,模(mo)拟了前(qian)錐角爲(wei)45°,後錐角(jiao)爲120°的V錐(zhui)體壓😍力(li)分布情(qing)況。
　　由于(yu)内錐體(ti)爲旋轉(zhuan)體,具有(you)軸對稱(cheng)特性,在(zai)進行數(shu)😄值模拟(ni)實驗時(shi),所建立(li)的模型(xing)爲二維(wei)結構,并(bing)進行了(le)簡化處(chu)理(計算(suan)域選取(qu)一半),如(ru)圖1所示(shi)。

　　在(zai)網格的(de)剖分方(fang)面,采用(yong)了結構(gou)化網格(ge)[3-4],如大比(bi)率四邊(bian)形網格(ge)計算長(zhang)管形狀(zhuang)流場,網(wang)格數量(liang)明顯減(jian)少,在靠(kao)近錐體(ti)部分的(de)網格進(jin)行加密(mi)設置,越(yue)靠近管(guan)道兩端(duan),網格♻️越(yue)稀疏。這(zhe)樣做的(de)目的是(shi)爲了保(bao)持網格(ge)的光滑(hua)度,從而(er)加速叠(die)代收斂(lian)速度,避(bi)免因臨(lin)近單元(yuan)體積或(huo)面積的(de)快速變(bian)化而導(dao)🏃‍♂️緻大的(de)截斷誤(wu)差,節省(sheng)計算🐅時(shi)間。另外(wai),在相同(tong)網格數(shu)量下☎️,爲(wei)更好保(bao)證計算(suan)精度☁️,對(dui)流場影(ying)響最重(zhong)要的部(bu)分進行(hang)了更精(jing)密的網(wang)格剖分(fen)。圖1即是(shi)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(wai),在近壁(bi)面區域(yu)采用标(biao)準壁面(mian)函數法(fa)❌進行處(chu)理🥵。利用(yong)有限🍓體(ti)積法實(shi)現控制(zhi)方程的(de)離散化(hua),在求解(jie)離散方(fang)程過程(cheng)中,采用(yong)以壓力(li)爲基本(ben)求解變(bian)量的求(qiu)解🚩方法(fa),即SIMPLE算❗法(fa)進行求(qiu)解。差分(fen)格👄式采(cai)用二階(jie)迎風格(ge)式。
1.2邊界(jie)條件和(he)工作流(liu)體物性(xing)
　　邊界條(tiao)件包括(kuo)壁面、對(dui)稱軸、速(su)度入口(kou)和壓力(li)出口。流(liu)體從速(su)度入口(kou)進入,流(liu)經節流(liu)裝置,最(zui)後由壓(ya)力出口(kou)流出。
　　内(nei)錐流量(liang)計的數(shu)值模拟(ni)實驗介(jie)質爲柴(chai)油與汽(qi)油的⭕混(hun)合物,其(qi)物理性(xing)質見表(biao)1所示。

2内(nei)錐流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)模拟實(shi)驗
　　傳統(tong)測量孔(kong)闆流量(liang)計壓力(li)損失的(de)方法[6]如(ru)圖2所示(shi),分别測(ce)出、兩點(dian)之間的(de)靜壓力(li),所得差(cha)值即爲(wei)孔闆✊壓(ya)力損失(shi)❌。爲了🐆使(shi)模拟的(de)壓力是(shi)不可恢(hui)複性壓(ya)力,P1、P2兩點(dian)之間的(de)距離應(ying)盡量遠(yuan),在本模(mo)拟🔞實驗(yan)中管道(dao)直徑D=0.2m,P1、P2兩(liang)點之間(jian)的距離(li)取50D,即兩(liang)個測壓(ya)點相距(ju)10m遠,模拟(ni)結果如(ru)表2所示(shi)。


3内(nei)錐流量(liang)計與孔(kong)闆流量(liang)計壓力(li)損失比(bi)較
　　對于(yu)孔闆流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失,用(ISO5167-2:2003)給(gei)出的計(ji)算公式(shi)進行計(ji)算,計算(suan)結果與(yu)内錐流(liu)量計壓(ya)力損失(shi)的模💃🏻拟(ni)實驗結(jie)果進行(hang)比較。爲(wei)了更好(hao)地對内(nei)錐流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)與孔闆(pan)的壓力(li)損失進(jin)行🐇比較(jiao),選擇了(le)有效流(liu)通面積(ji)相同的(de)内錐流(liu)量計和(he)孔闆流(liu)量計進(jin)行比較(jiao),這樣的(de)比較才(cai)🏃‍♀️有意義(yi)[7]。
　　内錐流(liu)量計錐(zhui)體最大(da)截面圓(yuan)的直徑(jing)是dv=0.152m,流量(liang)計的直(zhi)徑D=0.2m,管道(dao)截面面(mian)積Sc=0.031m2,有效(xiao)流通面(mian)積爲Sv=0.013m2。将(jiang)内錐流(liu)量🏃‍♀️計的(de)❗有效流(liu)通🈲面積(ji)🈚轉換爲(wei)孔的面(mian)積,則對(dui)應的有(you)效孔徑(jing)βv比爲

　　取(qu)孔闆流(liu)量計與(yu)内錐流(liu)量計有(you)效孔徑(jing)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(suan)公式,求(qiu)得平均(jun)流出🈲系(xi)數C=0.61。在2003年(nian)實施的(de)孔闆流(liu)量計的(de)國際标(biao)準(ISO5167-2:2003)中,壓(ya)力損失(shi)系數的(de)計算✉️公(gong)式爲🙇‍♀️

将(jiang)βo=0.65,C=0.61代人式(shi)(2),可以得(de)到K=13.37
計算(suan)壓力損(sun)失Δpo的公(gong)式爲

将(jiang)流體密(mi)度ρ=836.4kg/m3與K=13.37代(dai)人式(3)可(ke)以得到(dao)

圖3反映(ying)了由式(shi)(4)計算出(chu)的在不(bu)同流速(su)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(tu)3可以看(kan)出,在流(liu)通面積(ji)一定的(de)情況下(xia),孔闆的(de)壓力損(sun)失要💃🏻大(da)于内錐(zhui)流量計(ji),并且随(sui)着流速(su)的增加(jia)而🍓增加(jia)。表3列出(chu)了在不(bu)同流速(su)下,孔闆(pan)流量計(ji)與🛀内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失,其(qi)中n爲孔(kong)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(liang)計與孔(kong)闆流量(liang)計能耗(hao)的比較(jiao)
4.1計算動(dong)力與能(neng)量消耗(hao)和年耗(hao)能費
對(dui)于液體(ti),可采用(yong)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(lü),kW;
Δp———壓損損(sun)失,kPa;
v———工況(kuang)下的流(liu)體的速(su)度,m/s;
S———管道(dao)的橫截(jie)面積,m2。
計(ji)算年耗(hao)能費
Co=P′。t·X
式(shi)中Co———年耗(hao)能費,元(yuan);
t———運行時(shi)間,h;
X———電價(jia),元/kW。h。
　　由于(yu)孔闆前(qian)後都有(you)大旋渦(wo),在大幅(fu)值脈動(dong)壓力的(de)背景噪(zao)聲條件(jian)下,隻能(neng)通過縮(suo)小孔徑(jing),提高差(cha)壓上限(xian)值來實(shi)🌈現有效(xiao)的🌈流量(liang)💋測量。因(yin)此孔闆(pan)的壓力(li)損☔失必(bi)然增大(da)。
　　由于内(nei)錐流量(liang)計測量(liang)壓差的(de)背景噪(zao)聲小,可(ke)以檢測(ce)出較小(xiao)的壓差(cha),因此内(nei)錐流量(liang)計的壓(ya)損必然(ran)比孔闆(pan)的壓損(sun)小,年耗(hao)能費也(ye)小。
4.2舉例(li)分析
　　提(ti)到的内(nei)錐流量(liang)計與孔(kong)闆流量(liang)計爲例(li)，工業電(dian)價✨爲1元(yuan)/kW·h,做出它(ta)們的年(nian)耗能費(fei)比較圖(tu),如圖4所(suo)示。

　　從(cong)圖中可(ke)以得到(dao),随着流(liu)速的增(zeng)加内錐(zhui)與孔闆(pan)流量計(ji)年🔱耗能(neng)費也逐(zhu)漸增大(da),而孔闆(pan)流量計(ji)的年耗(hao)能費要(yao)大于内(nei)錐流量(liang)計的年(nian)耗能費(fei)。這是因(yin)爲内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失比(bi)孔闆的(de)壓力損(sun)失小得(de)多,年耗(hao)能費用(yong)可大大(da)減少。流(liu)量計口(kou)徑越👅大(da),流速越(yue)🔞大,則内(nei)錐流量(liang)計節能(neng)效果越(yue)顯著,投(tou)資回收(shou)期也就(jiu)越短。
　　圖(tu)5表示的(de)是内錐(zhui)流量計(ji)相對比(bi)孔闆流(liu)量計可(ke)以節約(yue)的年耗(hao)能費用(yong),随着流(liu)速的增(zeng)大,節約(yue)的費用(yong)也就越(yue)多😘。
以流(liu)速v=5m/s爲例(li),内錐流(liu)量計的(de)年節約(yue)耗能爲(wei)17411.9元,節能(neng)效果是(shi)非常可(ke)觀的。

5結(jie)論
　　通過(guo)CFD數值模(mo)拟的方(fang)法,模拟(ni)了成品(pin)油管道(dao)中内錐(zhui)流量🏃計(ji)的壓力(li)損失,同(tong)時與孔(kong)闆流量(liang)計比較(jiao),得到了(le)如下結(jie)論:
(1)内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失比(bi)孔闆流(liu)量計小(xiao),如果保(bao)證兩種(zhong)流量計(ji)的有效(xiao)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(pan)流量計(ji)的三分(fen)之一還(hai)要小一(yi)些。
(2)通過(guo)技術經(jing)濟分析(xi)可以明(ming)顯地看(kan)出:内錐(zhui)流量計(ji)👌相比☀️與(yu)孔闆♌流(liu)量計,可(ke)以節約(yue)很多的(de)能耗,符(fu)合國😄家(jia)的節能(neng)減排㊙️長(zhang)期發展(zhan)方針政(zheng)策。

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