摘要:研究(jiū)基于差壓式流量(liàng)計 的大氣總懸浮(fú)顆粒物采樣器流(liu)量仿真問題,應用(yòng)FLUENT流體仿真軟件,對(dui)空氣經過孔闆前(qián)後的壓力.和速度(du)進行仿真研究。仿(pang)真初始條件爲空(kōng)氣密度1.29kg/m3,入口速度(du)100L/min,溫度22℃,大氣壓101.325kPa,在上(shàng)述工況下得到了(le)空氣經過流量計(jì)的壓力分布雲圖(tu)、速度流線圖以及(jí)在10~90L/min流速區間内的(de)差壓數值。氣體從(cóng)錐形孔闆經過時(shí)壓力減小,流經流(liu)量計下端部時流(liú)量增大,從而産生(shēng)了孔闆前後的壓(ya)差,孔闆入口流速(sù)60L/min時,壓差很小,會影(ying)響采樣泵的線性(xing)控.制。該研究對于(yú)應用流體仿真軟(ruǎn)件對大氣總懸浮(fú)顆粒物采樣器流(liú)量差壓式孔闆流(liu)量計特性的研究(jiu)提供了方向,不同(tong)流速差壓的研究(jiu)對孔闆流量計結(jié)構的改進和優化(huà)有一定的指導和(he)借鑒意義。
0引言
　　總(zǒng)懸浮顆粒物采樣(yàng)器指能夠采集空(kong)氣動力學當量直(zhí)徑小于100μm顆粒物的(de)采樣器。其基本原(yuán)理是使一-定體積(ji)的空氣恒速通過(guo)已知質量的濾膜(mó)時,懸浮于空氣中(zhong)的顆粒物被阻留(liú)在濾膜上,根據濾(lü)膜增加的質量和(hé)通過濾膜的空氣(qi)體積,确定大氣中(zhong)總懸浮顆粒物的(de)質量濃度總懸浮(fú)顆粒物采樣器空(kong)氣流量計算的精(jīng)度是影響設備的(de)核心技術指标,其(qi)中差壓式流量計(jì)取壓性能直接關(guan)系到空氣流量的(de)換算。
　　标準孔闆流(liú)量計是差壓式流(liu)量計中爲典型的(de)一種結構,由取壓(yā)裝置、孔闆和流裝(zhuang)置構成,如圖1所示(shì)。
 
　　本研究應(yīng)用CFD軟件對空氣流(liú)過孔闆進行流場(chang)分析,觀察差壓式(shi)流量計内部的空(kong)氣速度和壓力分(fen)布對後期 孔闆流(liú)量計 的優化設計(jì)有理論支撐作用(yòng)。
1差壓式孔闆流量(liàng)計計量原理
　　當流(liú)體經過管道内的(de)孔闆時,會造成流(liu)體的局部收縮,從(cóng)而使流體的瞬時(shi)速度增大,在孔闆(pan)的前後變形成了(le)壓差。在總懸浮顆(ke)粒物采樣器中,當(dang)環境空氣從上而(er)下經過孔口時,由(you)于具有一定的流(liú)速,形成一定的負(fu)壓狀态,産生了一(yi)個與空氣流量的(de)平方根成正比的(de)壓差。壓差經矽膠(jiao)管連接到壓差傳(chuan)感器上,産生與壓(yā)差信号成比例的(de)電信号,經過軟件(jian)計算處理顯示出(chu)氣體流量。
流量方(fang)程式是從伯努利(li)方程和連續性方(fang)程推導而來,如下(xia)所示:
 
　　式中:Q0爲差壓(ya)口處氣體流量,L/min,标(biāo)定介質爲空.氣;α爲(wei)流量系數,與節流(liú)裝置的結構形式(shì)、取壓方式、孔口截(jie)面積與管道截面(mian)積之比m、雷諾數Re、孔(kǒng)口邊緣銳度、管壁(bi)粗糙度等因素有(yǒu)關;對于标準節流(liú)裝置,α的值可從有(yǒu)關手冊中查出(附(fù));對于非标準節流(liu)裝置,α值要由實驗(yan)方法确定,且确定(dìng)的α值隻能應用在(zai)一定的條件下;ξ爲(wèi)膨脹修正系數,與(yu)孔闆前後壓力的(de)相對變化量、介質(zhi)的等熵指數、孔口(kou)截面積與管道截(jié)面積之比等因素(sù)有關,對氣體來說(shuō),通常在0.9~1.0,當p2/P1的值接(jiē)近于1時,膨脹修正(zheng)系數接近于1;A。爲孔(kong)口内.截面積,m2;△p爲壓(ya)差信号,Pa,等同于流(liú)量傳感器的.信号(hào)值;pr爲流量計前壓(yā)力,絕對壓力,Pa;T,爲流(liú)量計前溫度,絕對(duì)溫度,K;ρ爲節流裝置(zhi).上遊取壓口的氣(qi)體密度,kg/m3,ρ=MPr/RTr。
2孔闆流量(liang)計内部流場數字(zì)仿真
2.1創建幾何模(mo)型
　　使用三維軟件(jiàn)建立總懸浮顆粒(lì)物采樣器差壓式(shì)孔闆流量計的三(sān)維幾何模型[3]如圖(tu)2所示。孔闆上端和(hé)下端的管部直徑(jìng)爲20mm,孔闆上端管長(zhǎng)爲20mm,下端管長爲30mm。由(you)于該幾何模型整(zhěng)個爲回轉體,爲減(jiǎn)少計算量,簡化實(shi)體模型如圖3所示(shì)。
 
　　用四邊形網格計(jì)算管形流場,靠近(jin)孔闆椎體的網格(ge)密度明顯較密,管(guǎn)道端部的網格明(míng)顯稀疏,從而保證(zheng)網格的光滑度,加(jia)快計算的叠代收(shou)斂速度,避免臨近(jin)單元體積的快速(su)跌變所引起的截(jié)斷誤差孔闆流量(liang)計網格劃分模型(xing)如圖4所示。
 
2.2流體仿(pang)真分析
　　差壓式孔(kǒng)闆流量計 模拟仿(pang)真介質爲環境空(kong)氣,密度爲1.29kg/m3,設定入(ru)口速度爲5.31m/s,溫度爲(wèi)22℃,大氣壓爲101.325kPa。設定了(le)仿真介質和初始(shǐ)條件後,對湍流模(mó)型進行選擇,差壓(ya)式孔闆流量計在(zai)仿真模拟中,流體(tǐ)流場入口速度爲(wèi)5.31m/s,用雷諾系數公式(shì)進行計算:
Re=pvd/η(2)
　　式中:Re爲(wèi)雷諾數;ρ爲密度,kg/m3;D爲(wei)流速,m/s;d爲特征長度(du)(内徑),mm;η爲動力黏性(xìng)系數,Pa.s。
　　将設定條件(jian)代人式(2)得:Re=7611,由于7611>2300,所(suo)以差壓式流量計(ji)管道内的氣體流(liu)動歸屬于湍流,仿(pang)真中選擇湍流模(mo)型進行計算。
　　對空(kōng)氣在設定工況的(de)基礎上進行流體(tǐ)分析仿真,得到差(chà)壓式孔闆流量計(ji)管道内壓力和速(sù)度的分布情況'51,如(ru)圖5~6所示。
 
　　圖5中,顔色(sè)深淺代表壓力的(de)大小分布情況,單(dān)位.爲Pa。從圖中可以(yǐ)得出,氣體流入流(liú)量計孔闆上端管(guǎn)道部分,由于氣泵(bèng)抽氣産生負壓,壓(ya)力值大概在-3.422X104--3.443x104Pa,氣體(ti)流入錐形孔闆瞬(shùn)間,壓力急速減小(xiao),壓力減小範圍在(zai)-3.443x104--3.518x104Pa,經過孔闆後壓力(lì)維持在-3.507x104~-3.497x104Pa。氣體從錐(zhui)形孔闆經過時壓(ya)力減小,流經流量(liàng)計下端部時流量(liàng)增大,從而産生了(le)孔闆前後的壓差(cha),環境空氣經過差(cha)壓式孔闆時,由于(yu)孔闆的阻隔瞬間(jiān)形成高壓狀态,孔(kong)闆的錐角處圓角(jiǎo)處理,空氣流過孔(kǒng)闆椎孔處壓力有(you)一-定程度的增大(da)。流體仿真得到的(de)流量計個管道速(sù)度分布情況如圖(tú)6所示,單位爲m/s。如圖(tu)所示,氣體流入流(liu)量計孔闆上端瞬(shùn)間,産生了一個回(hui)轉對稱性的速度(dù)場,中心軸線處速(sù)度最大,氣體在差(chà)壓式流量計管壁(bì)處碰撞後産生回(huí)旋,速度降低并産(chan)生壓降,在錐形孔(kǒng)處由于錐角做圓(yuan)角處理後,平緩過(guò)渡,氣體速度有不(bú)同程度的增大。氣(qi)體流入孔闆前速(sù)度範圍大概在0.2754~1.913m/s,流(liu)人孔闆瞬間,速度(du)增大,管道軸心處(chù)速度最高可達3.799m/s,經(jīng)過孔闆後速度範(fàn)圍大概在1.913~3m/s,并向管(guǎn)壁處速度遞減從(cóng)而在管壁處形成(cheng)回旋産生低壓。氣(qi)體未經過錐形孔(kong)闆前速度變化明(míng)顯較小,經過孔闆(pan)後速度明顯增大(da),在管道軸心處速(sù)度數值最大。
 
2.3.差壓(ya)式孔闆流量計差(chà)壓分析
　　孔闆壓力(li)損失是孔闆.上端(duān)測得壓力與孔闆(pǎn)下端測得壓力數(shu)值之差,差壓數據(jù)穩定性是控制泵(bèng)的關鍵條件[7-8]。參考(kao)100L/min的仿真條件,将入(ru)口速度調整至10~90L/min,每(mei)10L/min作爲一次步長,流(liú)體仿真後得到流(liu)速、動壓、靜壓和差(cha)壓的數據,如表1所(suǒ)示。
 
3結束語
　　本文根(gen)據差壓式孔闆流(liú)量計的計量原理(li),應用FLUENT軟件對空氣(qì)流過孔闆進行流(liú)場分析,得到了空(kōng)氣經過流量計的(de)壓力分布雲圖、速(sù)度流線圖以及在(zai)10~90L/min流速區間内的差(chà)壓數值,得出如下(xià)結論:
(1)通過初始條(tiáo)件分析和計算雷(léi)諾數R。可知,差壓式(shì)流量計管道内的(de)氣體流動歸屬于(yu)湍流,仿真中選擇(ze)湍流模型進行計(jì)算;
(2)氣體從錐形孔(kong)闆經過時壓力減(jian)小,流經流量計下(xia)端部時流量增大(da),從而産生了孔闆(pan)前後的壓差,孔闆(pǎn)入口流速60L/min時,壓差(chà)很小,會影響采樣(yang)泵的線性控制,在(zai)錐形孔處由于錐(zhui)角做圓角處理,空(kong)氣流過孔闆椎孔(kong)處壓力和速度有(you)不同程度的增大(da);
(3)分析差壓式流量(liang)計内部的空氣速(su)度和壓力分布,爲(wei)後期孔闆流量計(jì)的提供了依據。

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