摘(zhāi)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(qì)油與柴(chai)油的混(hun)💁合物。内(nèi)錐流量(liang)計和 孔(kǒng)闆流量(liang)計 經常(cháng)使用于(yu)流體計(ji)量,在保(bǎo)證兩種(zhong)流量計(jì)流通面(miàn)積相🔴等(děng)的條件(jiàn)下,對它(tā)們的壓(yā)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(wèi)孔闆流(liú)量計壓(ya)力損失(shi)的30%左右(yòu),将内錐(zhui)流量計(jì)應用于(yú)流體計(ji)量,可以(yǐ)起到節(jiē)能降耗(hao)的作用(yong)。
0引言
　　在(zai)許多情(qing)況下,由(yóu)壓力損(sǔn)失所引(yǐn)起的額(é)外的耗(hào)能🐅費用(yong)✌️是😘選用(yòng)流量計(jì)時必須(xu)要考慮(lǜ)的一個(ge)重要因(yin)🌍素。流量(liang)儀表的(de)壓力損(sun)失🎯小已(yǐ)經是選(xuan)擇流量(liàng)計的一(yi)項重要(yào)指标。由(you)于内錐(zhui)流量🤞計(jì)和孔闆(pǎn)流量計(ji)使用的(de)條件相(xiàng)似,并且(qie)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(hé)适的🌐測(cè)量儀表(biǎo)。雖然人(ren)們對内(nei)錐流量(liàng)計和孔(kǒng)闆流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi)進行過(guò)比較,但(dan)目前文(wén)獻[1-2]中所(suǒ)作的比(bǐ)較存在(zài)兩個問(wèn)題。第一(yi),文獻中(zhōng)多是通(tong)過比較(jiao)兩種流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失計🍉算(suàn)公式來(lai)對兩種(zhǒng)儀表進(jin)行🈲比較(jiao)。
　　對于孔(kǒng)闆流量(liang)計,它的(de)曆史較(jiao)長,有統(tǒng)一的國(guo)際标準(zhǔn)⭐,可⚽以直(zhí)接算出(chū)壓力損(sun)失。對于(yú)内錐流(liú)量計,它(tā)的曆史(shǐ)相對較(jiao)短,沒有(yǒu)統一的(de)國際标(biao)準,給出(chū)的一些(xiē)🆚計算公(gong)式也不(bú)太成熟(shú),通常計(ji)算值與(yu)真實值(zhi)之間存(cun)在較大(da)的誤差(chà)。例如,内(nei)錐流量(liàng)計的生(shēng)産廠家(jia)即使是(shì)按照行(hang)業規範(fan)生産的(de)同一型(xíng)号🈲的内(nèi)錐流量(liang)計,其給(gěi)出的計(ji)算内錐(zhui)流量計(jì)的壓力(lì)損失系(xi)🐕數也是(shi)各不相(xiang)同的,這(zhè)🌈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(zhǒng)流量計(jì)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(liú)通面積(ji)相同,所(suǒ)得到的(de)結果缺(quē)乏說服(fú)力。基于(yu)以上兩(liǎng)個原因(yīn)💔,本文用(yòng)CFD數值模(mo)拟的方(fāng)法,計算(suàn)出内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失,并(bing)在保證(zheng)有效流(liú)通面積(jī)的條件(jiàn)下對兩(liǎng)種流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi)🌈進行了(le)比較,并(bing)且對兩(liang)種流量(liàng)計進行(hang)了經濟(jì)技術分(fen)析,對選(xuan)用流量(liang)計及計(jì)算内錐(zhuī)流量😍計(ji)💯的能耗(hao)都有很(hěn)好的參(cān)考價值(zhí)✉️。
1模型建(jiàn)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(dào)模型,模(mó)拟了前(qian)錐角爲(wèi)45°,後錐角(jiao)爲120°的V錐(zhuī)體壓👄力(li)分布情(qíng)況。
　　由于(yu)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(nǐ)實驗時(shí),所建立(lì)的模型(xing)爲二維(wei)結構,并(bing)進行了(le)簡化處(chù)理(計算(suan)域選取(qǔ)一半),如(ru)圖1所示(shi)。

　　在(zai)網格的(de)剖分方(fang)面,采用(yòng)了結構(gòu)化網格(ge)[3-4],如大比(bǐ)率四邊(biān)形網格(gé)計算長(zhang)管形狀(zhuàng)流場,網(wang)格數量(liàng)明顯減(jiǎn)少,在靠(kào)近錐體(ti)部分的(de)網格進(jìn)行加密(mì)設置,越(yue)靠近管(guǎn)道兩端(duān),網格越(yuè)稀疏。這(zhè)樣做的(de)目的是(shì)爲了保(bao)持網格(gé)的光滑(hua)度,從而(ér)加速叠(die)代⭕收斂(lian)速度,避(bì)免因臨(lín)🥰近單元(yuán)體積或(huo)面積的(de)快速變(biàn)化而導(dǎo)緻大的(de)截斷誤(wu)差,節省(shěng)計💃算♉時(shi)間。另外(wài),在相同(tong)網格數(shù)量下💘,爲(wèi)更👣好保(bǎo)證計🛀算(suàn)精度,對(duì)流場影(yǐng)響最重(zhòng)要的部(bù)分進行(hang)了更精(jīng)密的網(wǎng)格剖分(fèn)。圖1即是(shì)采用此(ci)方🤟法進(jìn)行的網(wang)格剖分(fen)。
　　利用RNGκ-ε[5]模(mo)型進行(háng)計算,經(jīng)物理實(shí)驗驗證(zhèng)顯示出(chu)了較好(hǎo)的預測(ce)性。另外(wài),在近壁(bi)面區域(yu)采用标(biāo)準壁面(miàn)函數法(fǎ)進行處(chù)理。利用(yòng)有限體(ti)積法實(shi)現控制(zhì)方程的(de)離散化(hua),在求解(jiě)離散方(fang)程過程(cheng)❗中,采用(yòng)以壓力(lì)爲基本(ben)求解變(bian)量的求(qiú)解方法(fǎ),即SIMPLE算法(fa)進行求(qiú)解。差分(fen)格👈式采(cǎi)用二階(jiē)迎風格(ge)式。
1.2邊界(jie)條件和(hé)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(kou)和壓力(li)出口。流(liú)體從速(su)度入口(kǒu)進入,流(liu)經節流(liu)裝置,最(zui)後由壓(yā)力出口(kǒu)流出㊙️。
　　内(nèi)錐流量(liang)計的數(shù)值模拟(ni)實驗介(jiè)質爲柴(chái)油與汽(qì)油的🆚混(hùn)合物,其(qi)物理性(xìng)質見表(biǎo)1所示。

2内(nei)錐流量(liang)計的壓(ya)力損失(shī)模拟實(shi)驗
　　傳統(tong)測量孔(kong)闆流量(liàng)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(yā)力損失(shi)。爲了使(shǐ)模㊙️拟的(de)♍壓力是(shì)不可恢(huī)複性壓(ya)力,P1、P2兩點(diǎn)之間的(de)距㊙️離應(ying)盡量遠(yuǎn),在本模(mo)拟實驗(yàn)中管道(dao)🙇‍♀️直徑D=0.2m,P1、P2兩(liang)點之間(jiān)的距離(lí)取50D,即兩(liang)個測壓(ya)點相距(ju)10m遠,模拟(nǐ)結果如(rú)表🚩2所示(shì)。


3内(nèi)錐流量(liàng)計與孔(kǒng)闆流量(liàng)計壓力(li)損失比(bǐ)較
　　對于(yu)孔闆流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失,用(ISO5167-2:2003)給(gěi)出的計(ji)算公式(shi)進行計(jì)算,計♌算(suàn)結果與(yǔ)内錐流(liu)量計壓(ya)力損失(shī)的模拟(nǐ)實驗結(jié)果進行(hang)比較。爲(wei)🔱了更好(hao)地對内(nei)錐流量(liang)計的壓(yā)力損失(shi)與孔闆(pǎn)的壓力(lì)損失進(jin)行比較(jiao),選擇了(le)有效流(liú)通🙇🏻面積(ji)相同❄️的(de)内錐流(liú)量計和(hé)孔闆流(liu)量計進(jìn)行比較(jiao),這⭐樣的(de)比較才(cái)有意義(yì)[7]。
　　内錐流(liú)量計錐(zhuī)體最大(dà)截面圓(yuán)的直徑(jing)是dv=0.152m,流量(liang)計的直(zhí)徑D=0.2m,管🐅道(dao)截面面(miàn)積Sc=0.031m2,有效(xiao)流通面(miàn)積爲Sv=0.013m2。将(jiang)内錐流(liú)量計的(de)有效♋流(liu)通面積(jī)轉換⭐爲(wèi)孔的面(mian)積,則對(duì)應的有(you)☂️效孔徑(jing)βv比爲

　　取(qu)孔闆流(liu)量計與(yu)内錐流(liú)量計有(yǒu)效孔徑(jìng)比最接(jiē)近的值(zhí)βo=0.65。根據Reader-Harris[8]給(gei)出的流(liu)出系數(shù)的計算(suàn)公式,求(qiu)得平均(jun1)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(biāo)準(ISO5167-2:2003)中㊙️,壓(ya)力損失(shī)系數的(de)計算公(gong)式爲

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

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

圖3反映(yìng)了由式(shì)(4)計算出(chū)的在不(bu)同流速(su)下孔闆(pǎn)流量🚶計(jì)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(jié)果。

　　從圖(tu)3可以看(kàn)出,在流(liú)通面積(ji)一定的(de)情況下(xià),孔闆的(de)壓力損(sun)失要大(da)于内錐(zhui)流量計(jì),并且随(sui)着流速(sù)的增加(jia)而🌈增加(jiā)。表3列出(chū)了在不(bu)同流速(su)下,孔闆(pǎn)流量計(jì)與内錐(zhui)流量計(ji)的壓力(li)損失,其(qí)中n爲孔(kong)闆🐉流量(liang)計與内(nèi)錐流量(liang)計壓力(li)損失的(de)比值。

4内(nèi)錐流量(liàng)計與孔(kǒng)闆流量(liàng)計能耗(hao)的比較(jiào)
4.1計算動(dòng)力與能(neng)量消耗(hao)和年耗(hao)能費
對(duì)于液體(tǐ),可采用(yòng)以下的(de)計算公(gōng)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(kuang)下的流(liu)體的速(su)度,m/s;
S———管道(dào)的橫截(jie)面積,m2。
計(jì)算年耗(hào)能費
Co=P′。t·X
式(shì)中Co———年耗(hao)能費,元(yuán);
t———運行時(shi)間,h;
X———電價(jia),元/kW。h。
　　由于(yú)孔闆前(qian)後都有(yǒu)大旋渦(wō),在大幅(fú)值脈動(dong)壓力的(de)背景噪(zào)聲條🏃‍♀️件(jiàn)下,隻能(néng)通過縮(suō)小孔徑(jing),提高差(chà)壓上限(xiàn)值來實(shi)現有效(xiao)的流量(liàng)測量。因(yīn)此孔闆(pan)的壓力(li)損失必(bi)然📱增大(dà)。
　　由于内(nei)錐流量(liang)計測量(liang)壓差的(de)背景噪(zao)聲小,可(kě)以檢測(cè)🔴出較小(xiǎo)的壓差(chà),因此内(nei)錐流量(liàng)計的壓(ya)損必然(ran)比孔闆(pan)的壓✊損(sǔn)小,年耗(hao)能費也(yě)小。
4.2舉例(lì)分析
　　提(ti)到的内(nei)錐流量(liàng)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(nián)耗能費(fèi)比較圖(tú),如圖4所(suo)示。

　　從(cong)圖中可(kě)以得到(dao),随着流(liu)速的增(zeng)加内錐(zhuī)與孔闆(pǎn)流量計(ji)💋年耗能(neng)費也逐(zhu)漸增大(da),而孔闆(pǎn)流量計(jì)的年耗(hào)能費要(yao)大🌈于内(nei)錐流量(liang)計🎯的年(nián)耗能費(fèi)。這是因(yīn)爲内錐(zhuī)流量計(ji)的壓力(li)損失比(bǐ)孔闆的(de)壓力損(sun)失小得(de)多,年耗(hào)能費用(yòng)可大大(dà)💘減少。流(liú)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(yuè)顯著,投(tóu)資回收(shou)期也😄就(jiù)越短。
　　圖(tu)5表示的(de)是内錐(zhui)流量計(jì)相對比(bǐ)孔闆流(liú)量計可(kě)以節約(yuē)的年耗(hao)♊能費用(yong),随着流(liú)速的增(zeng)大,節約(yue)的費用(yòng)也就越(yue)多🔞。
以流(liú)速v=5m/s爲例(li),内錐流(liu)量計的(de)年節約(yuē)耗能爲(wei)17411.9元,節能(neng)效✨果是(shi)非常可(kě)觀的。

5結(jie)論
　　通過(guo)CFD數值模(mo)拟的方(fang)法,模拟(nǐ)了成品(pin)油管道(dao)中内錐(zhui)流量計(jì)的壓力(lì)損失,同(tong)時與孔(kǒng)闆流量(liang)計比較(jiao),得到🈲了(le)如下結(jié)論:
(1)内錐(zhuī)流量計(ji)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(jì)的有效(xiao)流通面(mian)積相同(tóng),那麽内(nèi)錐流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shī)是孔闆(pan)流量計(jì)的三分(fèn)之一還(hai)要小一(yī)些。
(2)通過(guò)技術經(jing)濟分析(xi)可以明(ming)顯地看(kàn)出:内錐(zhuī)流量計(jì)相比與(yǔ)孔闆流(liú)量計,可(kě)以節約(yue)很多的(de)能耗,符(fu)合國家(jia)的節能(neng)減排長(zhǎng)期發展(zhǎn)👅方針政(zheng)策。

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