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关键因素对内外管压差流量计压损的影响


文章日期:2017-06-18|阅读数:


为提高对内外管压差流量计压力损失的认识,为流量计的优化设计提供一个重要基础,进行了关键因素对内外管压差流量计压损影响的 Fluent 仿真试验研究。 定义了内外管压差流量计的等效直径比。 在水为介质的情况下,设计了不同参数(等效直径比、异径比、雷诺数)下共计 20 组模型,从压损和压损比 2 个角度进行分析对比。

0.引言

内外管差压流量计是一种新型差压式流量计。

该流量计设计的取压位置为管的同一截面上,消除了节流件前后摩阻压降对压差信号的影响,相同的流量下, 获得的压差信号较传统的压差流量计大,提高了信号的灵敏度, 其节流方式较传统流量计对流体的扰动减小, 提高了压差信号的稳定性;在相同的压差信号下,其压力损失比内锥式流量计要小很多,符合作为煤层气测量的要求。 但是,目前对影响内外管压差流量计压力损失的具体因素研究较少,而研究关键因素对该流量压损的影响有助于该流量计优化设计,为其设计提供一定的指导意义。

1.基本结构及理论

(1)基本结构

内外管压差流量计结构如图 1 所示,流量计以道轴线定位安装, 主体结构由前直管段 (大径d1)、梯形段、后直管段(小径 d2)组成,外取压口在管道壁上取流道 2 的压力,内取压口在支架中空取流道 1 的压力,内外取压口为前直管段同一截面的中分水平面两侧; 前取压口在距流量计前端面 2D(D为管道直径)的管道壁面上,后取压口距流量计后端面 1D。 前后取压口压差是本文要研究的压力损失。

取下来1.jpg

(2)理论基础

与其他类型的压差式流量计相同,内外管压差量计的工作原理同样是基于流体连续方程和伯努利方程。

 

对于不可压缩流体,体积流量为

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式中 C—流出系数;K1、K2—流道 1 和流道 2 的压缩比;

 

A—管道的截面积。

 

(3)影响压损的关键因素根据内外管压差流量计的结构分析,忽略沿程压损,前后直管段长度适当取值;流量计形状参数中, 梯形段倾角 θ 取流体与壁面即将分离的角度时压损***小,取 θ=7°。 为了消除大径、小径的具体数值对该流量计压损的影响,本文选用异径比 k 和等效直径比 β 进行试验研究。 定义异径比为小径与大径之比,类比于孔板流量计和 V 锥流量计,定义内外管压差流量计的等效直径比 β 为通流面积

 

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雷诺数是影响液压元件压损的一个重要因素,本文从异径比、等效直径比和雷诺数 3 个方面研究对内外管压差流量计的影响。

2.流量计的流场仿真

为方便参数化建模,本文采用 UG 进行三维实体建模,然后导入 Fluent 进行仿真。 建模中管道内径为 DN20 的标准直径 准27.2 mm,流体采用常温水。

(1)建立模型

为了得出异径比和等效直径比 β 与压损之间的关系, 在雷诺数 Re 相同的情况下, 分别取 β =0.9,0.85,0.8,0.7 四组;在 4 组等效直径比下分别取k=0.3,0.4,0.5,0.6 建立模型,共 16 组。

为了解雷诺数 Re 与压损的关系,在相同等效直径比下,建立 4 组不同雷诺数模型,进行比较分析。

由于所建模型较多,采用 UG 参数化建模,缩短三维建模时间。 建立三维模型后,导入 Fluent 进行网格划分,本文中模型采用非结构四面体网格划分,3 为 β=0.8,k=0.5 的网格划分结果,有 9 521 个节,44 115 个单元。

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(2)仿真设定与数据提取

本文所涉及的流动均为湍流流动,选择 RNG k-ε 湍流模型,亚松弛因子采用默认值,残差收敛精度设为 1E-6。参数控制器设置中,压力选择 2 阶,其他为默认值。 以进口速度进行初始化,进口速度设置中,选用湍流强度和水力直径进行设置,水力直径为管道直径,湍流强度数据提取:前取压点为流量计前 2D 中心,后取压点为流量计后 1D,内外取压点分别为流量计前直管段中段的内外侧。

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3.仿真结果及数据分析

对于压差式流量计,压损一般分为压损和相对压损。 压损是指流体由平稳流动流经流量计节流件后产生压差,再到平稳流动,在这个过程中因节流件产生的压力损失,本文的压损为前后压差值;相对压损是指压损与压差信号之比,本文定义压损比 σ 为内外管压差流量计的相对压损

从表 1 中可以看到,在相同雷诺数、相同等效直径比、不同异径比的情况下,内外管压差流量计的压损值变化很小,***多不超过 4%;而相同雷诺数、不同等效直径比,该流量计的压损值变化很大,随着等效直径比的减小而增大;从表 2 中可以看出相同雷诺数、相同异径比下,压损比随着等效直径比的减小而增大;从表 3 中可以得到在相同等效直径比、相同异径比下,压损值和信号值都随着雷诺数的增大而增大,且其增大的倍数约等于雷诺数增大倍数的二次方,但是压损比并没有随雷诺数增大而有明显变化。

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4.结语

本文定义了内外管压差流量计的异径比、等效直径比,并通过 Fluent 对影响内外管压差流量计的等效直径比和雷诺数分别作了仿真,结论如下:在一定范围内,相同雷诺数、相同等效直径比下,异径比对内外管压差流量计的压损影响很小;内外管压差流量计的压损不仅与等效直径比有关,而且与雷诺数有关,当雷诺数相同时,压损随着等效直径比的减小而增大,当等效直径比相同时,随着雷诺数增大而增大,压损值增大倍数约为雷诺数增大倍数的二次方;内外管压差流量计的压损比与雷诺数无关,它随等效直径比的减小而增大。

 

 

 

 

 

 



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