摘要:針(zhēn)對速度(dù)分布的(de)不對稱(cheng)性對均(jun)速管流(liú)量計 測(ce)量精度(du)影響的(de)問題，利(lì)用計算(suan)流體力(li)學(CFD)軟件(jiàn)，對均速(su)管流量(liang)計的内(nèi)部流場(chǎng)進行了(le)3D數值模(mo)拟。采用(yòng)有限體(tǐ)積🌈法，引(yǐn)人标準(zhǔn)k-ensilon湍流模(mó)型對控(kong)制方程(cheng)進行離(lí)散和求(qiu)解，得✏️出(chu)了均速(sù)管流量(liàng)計在彎(wan)管後不(bú)同直管(guan)段位🌈置(zhì)和不同(tóng)流速條(tiáo)件下的(de)流場動(dong)力學參(cān)❌數;利用(yong)得到的(de)差壓模(mo)拟數據(ju)計算得(dé)出流量(liàng)系數，并(bìng)對測量(liang)精度進(jìn)行了分(fen)析。
引言(yán)
　　均速管(guǎn)流量計(jì)是基于(yu)皮托管(guǎn)流量計(ji)發展起(qǐ)來的一(yī)種㊙️新型(xing) 差壓式(shi)流量計(jì) ，其目的(de)是爲了(le)克服皮(pí)托管流(liú)量計因(yīn)單點取(qu)樣而對(duì)管内速(sù)度分布(bu)對稱性(xing)的嚴格(ge)要求。通(tong)過采用(yòng)如圖1所(suǒ)示的在(zai)近管壁(bì)處的多(duo)點取壓(ya)方法，均(jun)速管流(liú)量計可(kě)以應用(yong)于非對(dui)🚩稱性流(liú)速分布(bu)管段的(de)流量測(cè)量，适用(yong)範圍更(geng)大，測量(liang)精度也(yě)有所提(tí)高。因其(qi)結🔅構簡(jiǎn)單，安裝(zhuang)方便，價(jia)格低和(he)節能的(de)優點，現(xiàn)已被廣(guang)🈲泛的應(ying)用于冶(ye)金、石化(huà)等工業(yè)計量中(zhōng)。
 
　　圖2所示(shi)爲均速(sù)管流最(zuì)計檢測(ce)杆的橫(heng)截面，其(qí)均壓原(yuán)理是湧(yǒng)過分布(bù)幹管壁(bì)附近的(de)多點取(qǔ)壓孔..将(jiang)壓強引(yǐn)入檢測(cè)杆内部(bu)的均壓(ya)腔，迎流(liú)面取壓(yā)孔.引人(ren)高壓(沖(chòng)壓)，側面(mian)取壓孔(kǒng)引入低(di)壓(靜壓(yā)❄️)，引入的(de)各點壓(ya)強在均(jun1)壓腔内(nei)平均後(hou)被引壓(yā)管引出(chu)。
 
　　均速管(guǎn)流量計(jì)測量原(yuan)理遵循(xún)伯努利(lì)方程，設(shè)均速‼️管(guan)🏃流量計(ji)🔞檢測杆(gan)迎流取(qǔ)壓孔處(chù)速度爲(wei)U,(m/s)，壓力爲(wèi)P1(Pa)，檢測杆(gan)側流取(qu)壓孔.處(chu)的流速(sù)爲U2(m/s)，壓力(lì)爲P2(Pa)，忽略(luè)摩擦阻(zu)力，流體(ti)🌈高度差(cha)等因素(sù)，可得到(dao):
 
　　其中流(liu)量系數(shù)K由多種(zhǒng)因素共(gòng)同影響(xiang)，是測量(liang)探頭速(su)度系數(shù)、被測管(guǎn)道速度(dù)分布修(xiu)正系數(shu)和管道(dào)安裝幹(gan)擾系數(shù)三部分(fèn)💃🏻的乘積(jī)4。其中速(su)度系數(shu)可看作(zuò)流量計(ji)在均勻(yun)流場中(zhong)流速與(yu)📞輸出差(cha)壓之間(jiān)關系的(de)修正;速(sù)度分布(bù)系數是(shi)管道内(nei)處幹充(chong)分發展(zhan)流動時(shi)流速分(fèn)布對平(píng)均速度(dù)測量影(yǐng)響🌈的修(xiu)正;系數(shu)⭐則是現(xian)場安裝(zhuāng)條件對(dui)流量測(cè)量影響(xiǎng)的修正(zheng)1。流量系(xì)數K的準(zhǔn)确與否(fou)會直接(jie)🎯影響流(liú)最⭕測量(liàng)的精度(du)。工程應(ying)用時都(dou)是通過(guò)🌍實驗标(biāo)定作爲(wèi)固定值(zhí)應用于(yu)實際測(ce)量🚶‍♀️。
　　均速(sù)管流量(liang)計取樣(yàng)具有實(shi)際意義(yi)的前提(tí)是管道(dao)🈚内的♌速(sù)度分布(bù)是對稱(cheng)穩定的(de)充分發(fā)展湍流(liu)，各個取(qu)壓孔的(de)速度算(suan)數⭐平均(jun)值近似(si)等于管(guǎn)道截面(miàn)的平均(jun1)速度"，這(zhè)是插入(ru)式均速(sù)流量計(jì)的測量(liàng)精度取(qǔ)決于管(guǎn)道内流(liú)速分布(bu)的特點(diǎn)❓。--般而言(yán)，完全對(duì)稱的🈲速(su)度分布(bu)是最理(lǐ)想的，但(dan)在應用(yòng)過程💞中(zhong)受實際(jì)情況的(de)限制，并(bìng)不能保(bǎo)證有足(zú)夠長的(de)直管段(duàn)使🏃🏻流動(dong)‼️達到充(chong)分發展(zhan)，在現場(chang)直管段(duàn)長度較(jiao)短、上遊(you)又有彎(wān)管阻件(jiàn)導緻流(liú)速分布(bù)複雜時(shi)，測量誤(wu)差會較(jiao)大。
　　爲了(le)更深人(ren)地了解(jiě)管内流(liú)速分布(bu)特點對(dui)流量系(xì)數🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的影(ying)響，本文(wén)對處幹(gan)彎管後(hòu)不同直(zhí)管段位(wèi)置和🌈不(bu)同流速(su)條件下(xia)的均速(sù)💰流量計(ji)内部流(liú)場進行(hang)了數值(zhi)模拟，并(bìng)分❄️析了(le)管🈲内速(sù)度分布(bu)對均速(sù)管流量(liang)計的測(cè)量🌈精度(dù)的影響(xiang)。
1.數值模(mó)拟
1.1物理(lǐ)模型和(hé)數值方(fāng)法
　　計算(suan)洗擇檢(jiǎn)測杆有(yǒu)效長度(du)爲200mm的彈(dàn)頭狀威(wei)力巴均(jun1)速管流(liú)量計爲(wei)物理模(mo)型;垂直(zhí)于管道(dào)中心線(xiàn)、彎管平(píng)面插入(rù);三對取(qǔ)壓孔按(an)👨‍❤️‍👨照切比(bǐ)雪夫法(fa)分布[6l;陽(yang)塞比爲(wei)8.9%，可忽略(luè)檢測杆(gǎn)對管道(dào)内流速(sù)的影響(xiǎng);工作介(jiè)質爲常(chang)溫✔️空氣(qì)，密度爲(wèi)1.225ke/m3，運動黏(nian)度爲1.7894x10-5;彎(wan)管前直(zhi)管段L0=20D，彎(wan)管後直(zhi)管⭕段長(zhang)度L1=4D~11D，均速(su)管流量(liàng)計後直(zhí)管段長(zhǎng)度💘爲L2=5D,圖(tú)3所示爲(wei)計算域(yù)彎管平(píng)面示意(yì)圖，流速(sù)範圍爲(wèi)6~30m/s,對應的(de)雷諾數(shu)範圍是(shì)0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前(qian)處理軟(ruan)件ICEM對計(ji)算區域(yù)進行網(wang)格劃分(fèn)，采用非(fei)均📞勻網(wang)💃格👌，并對(duì)網格進(jin)行優化(hua)，檢測杆(gan)内部空(kong)腔👈采用(yòng)較密集(ji)的網格(gé)，最小網(wǎng)格尺寸(cùn)爲0.2mm，對靠(kao)近流量(liàng)💚計的一(yi)-段管道(dào)進行加(jia)密最小(xiao)網格尺(chi)寸爲1mm，以(yǐ)保證數(shù)值模拟(ni)💔的精度(dù)圖4是整(zhěng)個流場(chang)的三維(wei)仿真模(mó)型示意(yì)圖。
 
　　用Fluent流(liú)體力學(xue)軟件進(jìn)行數值(zhi)模拟，用(yòng)有限體(ti)積法對(dui)🏃控制方(fang)程進㊙️行(háng)離散，模(mó)型選用(yòng)标準k-eDsilon湍(tuān)流模型(xíng)，近壁區(qū)采用标(biao)準壁面(mian)函數法(fa)，入口條(tiáo)件采用(yong)Velocitv-inlet，出口條(tiáo)件采用(yong)Pressure-outlet。
1.2控制方(fang)程和湍(tuan)流模型(xíng)
　　求解各(gè)個算例(li)的的流(liú)體動力(lì)學特性(xing)可以用(yong)流體力(li)學基本(ben)💛方程14.71.
連(lian)續性方(fāng)程爲:
 
 
式(shi)中，Umax是管(guǎn)道中心(xin)速度，r是(shì)管道内(nèi)部任意(yì).點距離(li)管中🙇‍♀️心(xīn)🏃🏻的📧距離(li)，R是管道(dao)半徑，指(zhi)數n與雷(lei)諾數Re有(yǒu)關。
1.4仿真(zhēn)結果和(he)讨論
　　在(zài)不同直(zhí)管段位(wèi)置和不(bu)同流速(su)的條件(jiàn)下，引用(yòng)标👈準k-ε模(mo)型，模拟(nǐ)得出了(le)均速管(guǎn)流量計(jì)附近的(de)速度場(chǎng)和壓力(lì)場。
　　圖5所(suǒ)示是入(rù)口流速(sù)爲15m/s的條(tiáo)件下，直(zhi)管段内(nei)充分發(fa)展的湍(tuan)流✂️(L0=0，無彎(wan)管附件(jiàn)，L;=20D，L2=5D)的模拟(nǐ)結果。由(yóu)速度雲(yún)圖(圖5a)看(kàn)出✂️，在流(liú)量計迎(ying)流面上(shang):沒有開(kai)孔.的位(wèi)置，流速(sù)驟然下(xia)降并接(jiē)近♍幹零(ling)，在取壓(ya)孔🔞處的(de)速度雖(suī)然有所(suo)下降，但(dàn)并不爲(wèi)零。根據(jù)充分發(fa)展湍流(liú)的速度(du)分布👨‍❤️‍👨可(ke)知，管中(zhōng)心處的(de)速度最(zui)大，檢測(cè)杆上半(ban)部的三(sān)個取壓(yā)孔的速(su)度分别(bié)爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示(shi)總壓腔(qiāng)内的流(liu)體不是(shi)靜止的(de)，流體從(cong)中🐉心附(fu)近的兩(liang)個取壓(yā)口流人(ren)，從近壁(bì)處的取(qu)壓刊.流(liú)出。檢測(ce)杆下半(bàn)部的三(sān)個取壓(ya)孔的流(liu)速分别(bié)爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shàng):半部分(fen)基本對(duì)稱。壓力(li)雲圖(圖(tú)☂️5b)則顯示(shì)了檢測(ce)杆内部(bù)壓力的(de)差異。壓(yā)腔♉内的(de)壓力是(shì)由取壓(yā)孔😘引人(ren)的壓力(lì)平均之(zhi)後得到(dào)的結果(guǒ)，總㊙️壓腔(qiang)是正高(gao)壓，爲184.233Pa，靜(jìng)壓腔是(shì)負低壓(yā)，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給(gei)出了直(zhi)管段充(chong)分發展(zhan)湍流條(tiáo)件下，均(jun1)速管流(liú)量計前(qián)0.25D處👈的縱(zong)軸截面(miàn)上.的速(sù)度分布(bù)，可以看(kan)出在🐆此(cǐ)情形下(xia)的湍流(liu)流形是(shì)對稱的(de)、均勻的(de)。
 
　　對幹受(shou)彎管影(ying)響的湍(tuan)流(Lo=20D，有彎(wan)管附件(jian)，L1=4D~11D，L2=5D)的情況(kuàng)，圖7給出(chu)的是入(rù)口速度(du)爲15m/s時均(jun)速管流(liú)量計處(chù)幹彎管(guan)後4D位置(zhi)的模💘拟(nǐ)結果的(de)雲圖。從(cong)速度雲(yún)圖(圖7c)看(kan)出速度(dù)🏃🏻‍♂️分布明(ming)顯不對(duì)稱。靠近(jin)管中心(xin)的取壓(ya)✌️孔附近(jin)的流速(sù)分别爲(wèi)4.005m/s、2.655m/s，3.53m/s、3.715m/s，而靠近(jìn)管壁的(de)取壓孔(kǒng)附近的(de)流速爲(wèi)-1.123m/s、-1.339m/s;由取壓(ya)孔引入(ru)🏒的壓力(li)也出現(xiàn)了較大(da)變化，總(zǒng)壓腔内(nei)🆚壓強爲(wèi)172.492Pa，靜壓腔(qiāng)爲--44.958Pa。雲圖(tú)也展示(shì)了速度(du)和壓強(qiang)的等值(zhí)區域受(shòu)彎管影(ying)響而産(chǎn)生的變(bian)化。
 
　　處幹(gan)彎管後(hòu)的均速(su)管流量(liang)計前0.25D處(chù)縱軸截(jié)面上的(de)速度分(fen)布如圖(tu)8所示。縱(zong)坐标爲(wèi)縱軸截(jié)面徑向(xiàng)t點的位(wei)置，橫坐(zuò)标爲各(gè)點⛷️的速(su)度，曲線(xiàn)代表了(le)均速管(guan)流量計(ji)處于彎(wan)管後不(bu)同🌍位置(zhì)時測量(liàng)的流體(tǐ)的速度(dù)🚶分布。可(ke)以很明(ming)顯看出(chū)在彎管(guǎn)下遊有(you)很長一(yi)段範圍(wei)内，速度(du)分布是(shi)中間低(dī)，兩側高(gāo)，中間☂️的(de)速度逐(zhú)步增大(dà)，到11D處仍(réng)然是外(wai)側的速(su)度✉️大于(yú)内側的(de)速度，之(zhi)後再繼(ji)續發展(zhǎn)。
 
　　表1列出(chū)的是根(gēn)據模拟(ni)的差壓(yā)數據計(jì)算得到(dào)的均👄速(su)管流量(liàng)計的流(liu)量系數(shu)K。可以看(kàn)出，處幹(gàn)彎管後(hou)的均速(sù)❓管流量(liang)計測得(dé)的流量(liàng)系數與(yǔ)對稱分(fèn)布的充(chōng)🤟分發展(zhan)👄湍流下(xià)🔅得到的(de)流量系(xi)數存在(zai)一-定的(de)偏差，表(biǎo)明管内(nèi)速度分(fèn)布的不(bu)均勻性(xing)對測量(liang)📧精度的(de)影響，在(zai)實際應(ying)用中應(ying)該加以(yǐ)修正。
 
　　圖(tu)9是不同(tong)流速條(tiáo)件下，檢(jian)測杆位(wei)于彎管(guan)後4D~11D距離(li)時的流(liu)最系數(shù)的模拟(nǐ)結果。可(ke)以發現(xian)，有彎管(guǎn)影響時(shí)的流量(liàng)系數均(jun)高于充(chong)分發展(zhan)湍流情(qing)形下的(de)值，這是(shì)速度分(fèn)布的不(bu)對稱性(xìng)導緻的(de)結果。因(yīn)此，在均(jun)速管流(liú)量計的(de)應用上(shàng)，當測量(liàng)位置處(chù)于彎管(guǎn)後一定(dìng)的距離(li)内，應對(dui)流量系(xì)數進行(háng)修正，否(fǒu)則導緻(zhì)測量結(jie)果的偏(piān)差。
 
2結語(yu)
　　本文對(duì)彎管後(hou)不同直(zhi)管段位(wei)置和不(bu)同流速(su)下的均(jun)♈速管流(liu)量計的(de)流場進(jìn)行了三(san)維數值(zhi)模拟，模(mó)拟得出(chu)了不同(tóng)情🌏況下(xia)檢測杆(gan)内部的(de)流動情(qíng)況和管(guǎn)内速度(dù)分布的(de)不對稱(cheng)性對均(jun1)📧速管流(liu)量計測(ce)量的影(yǐng)響。得出(chu)了以下(xia)結論:
1)均(jun1)速管流(liu)量計垂(chui)直安裝(zhuāng)幹彎管(guǎn)平面後(hòu),在彎管(guan)後4D~11D這段(duàn)距離内(nèi)，檢測杆(gan)前縱軸(zhóu)截面上(shàng)的速度(dù)呈現出(chu)“中間低(di)，兩邊高(gao)”的規⭐律(lǜ)。
2)彎管引(yin)起的管(guǎn)内速度(dù)分布的(de)不對稱(chēng)性對流(liú)量測🔱量(liang)精度的(de)影響大(da)，建議對(dui)彎管後(hou)11D内安裝(zhuāng)的流量(liang)計進行(háng)流量🔞系(xì)數修正(zhèng)。

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