新型插入式双 V 型流量计优化设计及数值模拟
新型插入式双 V 型流量计优化设计及数值模拟
基于插入式流量计差压原理与安装方式，设计了一种新型插入式双 V 型流量计。在不同的流速条件下，对400mm 口径管道新型流量计进行数值模拟。引用 k-ε 湍流模型及 SIMPLIC 算法进行计算，得到了流量系数随速度的变化规律。以威力巴流量计作为参照对象进行同等条件下的数值模拟，将二者特性进行对比分析。结果表明：新型插入式双V 型流量计集合了威力巴流量计与文丘里管的优势，大幅度提升了输出压差，压损比较威力巴降低了 7.7%，扩大了低速稳定范围，其性能更优。
1引言
随着现代化进程的日益加快,大口径流体管道在工业上应用已十分普遍。目前测量大口径管道流量的仪表主要有电磁流量计、超声流量计和插入式流量计[1]。插入式流量计通过测量管道中一点或几点的流速来反映整个管道的流量。具有结构简单、制造成本低、压损小及维修方便等优点,尤其适合于大管道流量的测量。
威力巴是典型的径流速计型插入式流量计,采用差压式测量原理,检测杆截面形状为弹头形,其取压点的分布特点能形成稳定的差压信号,且防堵性较好,它的主要缺点是输出压差值较低,当相对流量较小时,流量系数的分散性大,故测量精度低。
文丘里管是节流式差压流量计,其特点是在相同的工况下,可较径流速计获得更大的差压。
近年来,文丘里管在测量大管径、中低压,低流速的各类气体流量中得到广泛应用,收到了良好的效果,但用于大管道流量测量时体积庞大,安装成本较高。将威力巴流量计与文丘里管的特点相结合,创新设计了插入式双V型流量计,通过独特的断面结构设计,既保留插入式流量计的优点,又要集合文丘里管的“扩压”效应,同时运用CFD数值模拟优化设计,使该流量计具有输出压差大,压损低，量程范围宽，测量精度高等特点。
2.流量计的结构原理
设计的新型插入式双 V 型流量计主要由传感器、差压变送器及流体管道等组成，结构原理，如图 1 所示。在检测杆 5 上按契比雪夫法安装数对文丘里管 6，文丘里管由收缩段、喉部和扩散段组成[4-6]。当流体流过传感器 4 时，在其前部迎流方向形成高压分布区，在其侧后部则形成低压分布区，这样在传感器前后便产生了压差。由于文丘里管收缩段的作用，在其喉部能产生一个更低的稳定压力，故能产生更大的输出压差。流体流速（流量）越大，产生的压差越大，故可用压差来测量流量。在每对文丘里管所在横截面的检测杆前端布有高压取压孔 p1，在喉部布有低压取压孔p2，分别测量流体的总压 Pl 和静压 P2，将 P1、P2 分别引入差压变送器，测量出压差 P=P1-P2，由于多点截面式取压， P 反映了流体平均速度的大小，因此可准确地推算出流体的流量。
根据连续性方程和伯努利方程推导出新型流量计的流量计算公式为：
式中：qV—体积流量，m3/s；qm—质量流量，kg/s；α—流量系数；ε—
可膨胀性系数； P—输出差压，Pa；ρ—流体密度，kg/m3。
流量系数 α 主要取决于传感器截面形状及尺寸，在一定安装条件下给定的节流装置，α 值仅与雷诺数有关，皆由实验方法确定。从上式可以看出，α 值一定，可根据压差求得流量。
3.数值模拟与分析
3.1 插入式双 V 型流量计的数值模拟与分析
插入式双 V 型流量计的截面形状，如图 1 所示。在 Gambit中建模时进行简化，模拟的管道内径 DN400；为保证充分发展管流，取流量计前 10D 至流量计后 6D 为计算域；计算域网格划分采用分块结构化与非结构化相结合的网格，并对流量计周围网格进行加密以提高计算精度[7]，局部网格结构，如图 2 所示。选择适合本例计算的 RNG k-ε 两方程湍流模型及 SIMPLEC 算法，入口边界条件为 velocity-inlet、出口边界条件为 outflow、其余边界为壁面 wall，离散方法采用二阶迎风格式，流速 v 分别取 0.5m/s、0.8m/s、3m/s、5m/s、7m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s；用空气速度入口的初始值对整个流场进行初始化，以残差小于 10-5 为收敛标准进行计算。
在数值模拟过程中选择了三组不同截面尺寸的模型进行仿
真对比分析，选择相对理想的模型后进一步优化其结构尺寸，***终确定了一种***优模型。通过模拟得到各速度点下流场内的基本物理量及其随时间的变化特性。v=15m/s 的检测杆附近的压力和速度分布云图，如图 3、图 4 所示。
从图 4 中可以看出，流体流过检测杆时，在检测杆前端形成高压区，速度***小（近似为 0）；经过文丘里管的收缩，至喉部时压力降至较低，速度***大；经过扩散段时，压力逐渐恢复，速度逐渐下降。在检测杆高、低压取压孔取得总压和静压后得到压差 P，计算求得流量系数 α，绘制流量系数随速度的变化曲线，如图 5 所示。从图 5 中
看出，在低速时流量系数随着速度（即雷诺数）的增加而减小，当 v≥3m/s 时，流量系数相对稳定，变化很小，在 v=（3~30）m/s 的范围内平均流量系数 α=0.5396，相对误差在±1.0%以内。所以流量系数在较宽的雷诺数范围（10：1）是稳定的，测量精度比较高。
3.2 威力巴流量计的数值模拟与分析
对威力巴流量计进行与插入式双 V 型流量计同等条件下的数值模拟，取压点的设置位置同 2.1。模拟计算后得到检测杆附近的压力和速度分布云图，如图 6、图 7 所示。
从图 7 中可以看出，流体流过检测杆时，在其前端形成高压区，速度较低，在侧后部形成低压区，速度较大。计算后得到流量系数随速度的变化规律，如图 8 所示。从图 8 中看出，流量系数在低速时比较分散，随着流速的增加而增大，当流速 v≥7m/s 时流量系数相对稳定，稳定的流量系数 α=0.6962。与此相比较，插入式双 V 型流量计的低速稳定范围扩大到 v=3m/s，经过计算其输出压差较威力巴平均增加了 71%，因此扩大了低速测量范围，提高了测量的灵敏度和精度。
仪表的精度和能耗是仪表选型时的两个重要指标，对于插入式流量计来说，在一定的流量下，输出差压信号越强，由节流件引起的压力损失越小，其性能越优。压力损失（简称压损）和压损比就是衡量流量计结构优化时的一个标准。分别取出检测杆前 1D 和后 6D 处的平均压力 P3 和 P4[12]，计算压损 PS=P3-P4。两种模型所引起的压损，如图 9 所示。压损比，如图 10所示。
从图 9 中可以看出，随着流速的增加，压损逐渐增大，插入式双 V 型流量计的压损较威力巴流量计有所增加，但增幅不大。这点从压损比的计算结果也可以看出，如图 10 所示。压损比随着
速度的增大而减小，***终趋于一稳定值。双 V 型流量计的压损比较威力巴降低了 7.7%，而且在低速的范围更平直一些，说明双 V型流量计稳定性更好。
4 .结论
（1）新型插入式双 V 型流量计集合了威力巴流量计与文丘里管二者的优势，大幅度提升了输出压差，相较威力巴平均增加了 71%；（2）新型插入式流量计在流速 v=（3~30）m/s 时，其流量系数基本稳定在 α=0.5396 左右，相较威力巴扩大了流量（流速）的测量范围，量程比为 10：1；（3）随着流速的增加，由新型流量计引起的压损较威力巴有所增加，但却大幅度提升了输出压差。新型流量计的压损比相较威力巴降低了 7.7%，并且扩大了低速稳定范围，其性能更优，适合于大管道流量测量，具有很大的工程应用前景。