摘要:通過(guo)CFD流體軟件對(dui)内錐流量計(jì) 壓力損失進(jìn)行了數值模(mo)拟,實驗介質(zhì)爲汽油與柴(chái)⚽油的混♈合物(wu)。内錐流量計(jì)和 孔闆流量(liang)計 經常使用(yong)于流體計量(liang),在保證兩種(zhong)流量計流通(tōng)面積相等的(de)條件下,對它(ta)們的壓力損(sun)失進行了比(bi)較。結果表明(míng),内錐流量計(jì)的壓力損失(shi)僅爲孔闆流(liu)量計壓力損(sǔn)失的30%左右,将(jiang)内錐流量計(ji)應用于流體(ti)計🌈量,可以起(qi)到節能降耗(hao)的作用。
0引言(yan)
　　在許多情況(kuang)下,由壓力損(sǔn)失所引起的(de)額外的耗能(neng)費🏃‍♂️用是選用(yòng)流量計時必(bì)須要考慮的(de)一個重要因(yin)素。流♌量儀表(biǎo)的😄壓力損失(shi)小已經是選(xuan)擇流量計的(de)一項重要指(zhi)标。由于内錐(zhui)流量計和孔(kǒng)闆流量計使(shi)用的條件相(xiang)似,并且使用(yòng)廣泛,因此有(you)必要對這兩(liǎng)種流量計進(jin)行壓力損失(shi)比較,以便選(xuǎn)出更合适的(de)測量儀表。雖(suī)然人們對内(nèi)錐流量計和(hé)孔闆流‼️量計(ji)的壓力損失(shī)進行過比較(jiao),但目前文獻(xiàn)[1-2]中所作的比(bǐ)較存在兩個(gè)問題。第一,文(wén)獻中多是通(tong)過🧑🏾‍🤝‍🧑🏼比較兩種(zhǒng)🆚流量計的壓(yā)力損失計算(suan)公式來對兩(liǎng)種儀表進行(háng)🔞比較。
　　對于孔(kǒng)闆流量計,它(tā)的曆史較長(zhǎng),有統一的國(guo)際标準💃,可😘以(yi)直接算出壓(yā)力損失。對于(yu)内錐流量計(ji),它的曆史相(xiàng)對💛較短,沒有(yǒu)統一的國際(ji)标準,給出的(de)一些計算公(gōng)式也不💛太成(cheng)熟,通常計算(suàn)值與真實值(zhí)之間⚽存在較(jiao)大的誤差。例(lì)如,内錐流量(liàng)計的生産廠(chǎng)家即🙇🏻使是按(an)照行業規範(fan)生産的同一(yī)型号的内錐(zhui)流量計,其給(gei)出的計算内(nèi)錐流量計的(de)壓力損失系(xì)🔞數也是各不(bu)相同的,這就(jiù)給用公式計(jì)算壓力損失(shi)帶來了誤差(chà)。第二,對兩種(zhong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量計壓力(li)損失比較時(shí),并沒有規定(ding)兩種流量計(ji)的有效流通(tong)面積相同,所(suǒ)得到的結果(guǒ)缺乏說服力(li)。基于以上兩(liǎng)個原因,本文(wen)用CFD數值模拟(ni)的方🏒法,計算(suan)出内錐流量(liàng)計的壓力損(sǔn)失,并在保證(zheng)有效流通面(miàn)積的條件下(xia)對兩種流量(liang)計的壓力損(sun)失🤞進行了比(bǐ)較,并且對兩(liang)種流量計進(jìn)行了經濟技(jì)術分析,對選(xuan)用流量計及(jí)計算内錐流(liu)量計☁️的能耗(hào)都有很好的(de)參考價值。
1模(mó)型建立
1.1幾何(he)模型和湍流(liú)模型的建立(li)
　　建立長L=14m,内徑(jìng)D=0.2m的管道模型(xing),模拟了前錐(zhui)角爲45°,後錐角(jiao)🛀爲120°的V錐體壓(yā)力分布情況(kuàng)。
　　由于内錐體(ti)爲旋轉體,具(jù)有軸對稱特(tè)性,在進行數(shu)值🐉模🚶拟實驗(yan)時,所建立的(de)模型爲二維(wei)結構,并進行(háng)了簡化處理(li)(計算域選取(qǔ)一半),如圖1所(suo)示。

　　在網格的剖(pou)分方面,采用(yòng)了結構化網(wang)格[3-4],如大比率(lü)四邊形網格(ge)🏃‍♀️計算長管形(xing)狀流場,網格(gé)數量明顯減(jian)少,在靠近錐(zhuī)體部分的網(wǎng)格進行加密(mi)設置,越靠近(jìn)管道兩端,網(wǎng)格越稀疏。這(zhe)樣做✏️的目的(de)是爲了保持(chi)網格的光滑(huá)度,從而加速(sù)叠代收斂速(su)度,避免因臨(lin)近單元體積(ji)✔️或面積的快(kuài)速變化而導(dǎo)緻大的截斷(duàn)誤差,節省計(ji)算時間。另外(wài),在相同網格(ge)數量下,爲更(geng)好保證計算(suàn)精度,對流場(chǎng)影響最重要(yào)的部分進行(hang)了更精密的(de)網格剖分。圖(tu)1即是采用此(ci)方法進行的(de)網格剖分。
　　利(lì)用RNGκ-ε[5]模型進行(hang)計算,經物理(li)實驗驗證顯(xian)示出了較好(hao)的💞預測🐇性。另(lìng)外,在近壁面(miàn)區域采用标(biao)準壁面函數(shù)法💯進行處理(li)。利用有限體(ti)積法實現控(kòng)制方程的離(lí)散化,在求解(jiě)離散方程過(guò)程中,采用以(yi)壓力爲基本(ben)求解變量的(de)求解方法,即(ji)SIMPLE算法進行求(qiu)解。差分格❗式(shi)采用二階迎(ying)風格式。
1.2邊界(jie)條件和工作(zuo)流體物性
　　邊(biān)界條件包括(kuo)壁面、對稱軸(zhou)、速度入口和(he)壓力出口。流(liú)💃🏻體🆚從速度👌入(rù)口進入,流經(jīng)節流裝置,最(zui)後由壓力出(chū)口流出。
　　内錐(zhui)流量計的數(shù)值模拟實驗(yàn)介質爲柴油(you)與汽油的😍混(hun)合物,其物理(li)性質見表1所(suo)示。

2内錐流量(liang)計的壓力損(sun)失模拟實驗(yàn)
　　傳統測量孔(kong)闆流量計壓(ya)力損失的方(fāng)法[6]如圖2所示(shì),分㊙️别測出、兩(liǎng)點之間的靜(jing)壓力,所得差(chà)值即爲孔闆(pǎn)👌壓力㊙️損失。爲(wei)了❌使模拟的(de)壓力是不可(ke)恢複性壓力(lì),P1、P2兩點之間的(de)距離應盡量(liàng)遠,在本模拟(ni)實驗中管道(dao)🐕直徑D=0.2m,P1、P2兩點☀️之(zhī)間的距離取(qǔ)50D,即兩個測壓(ya)點相距10m遠,模(mó)拟結果如表(biao)2所示。


3内錐流量(liang)計與孔闆流(liú)量計壓力損(sǔn)失比較
　　對于(yu)孔闆流量計(ji)的壓力損失(shī),用(ISO5167-2:2003)給出的計(jì)算公式進行(háng)計算,計算結(jie)果與内錐流(liú)量計壓力損(sǔn)失的模拟實(shí)驗結果進🏃🏻‍♂️行(háng)比較。爲了更(geng)好地對内錐(zhuī)流量計的壓(yā)力📞損失與孔(kǒng)闆的壓力損(sun)失進行比較(jiào),選擇了有效(xiao)流通🚶‍♀️面積相(xiàng)同的内錐流(liú)量計和孔闆(pan)流量計進行(hang)比較,這♉樣的(de)比較才有意(yì)義[7]。
　　内錐流量(liàng)計錐體最大(dà)截面圓的直(zhí)徑是dv=0.152m,流量計(jì)的直徑D=0.2m,管道(dào)截🔞面面積Sc=0.031m2,有(you)效流通面積(jī)爲Sv=0.013m2。将内錐流(liu)量計的有效(xiao)流通面積轉(zhuǎn)換爲孔的面(miàn)積,則對應的(de)有效孔徑βv比(bi)爲

　　取孔闆流(liu)量計與内錐(zhuī)流量計有效(xiao)孔徑比最接(jie)近的❌值βo=0.65。根據(ju)Reader-Harris[8]給出的流出(chū)系數的計算(suàn)公式,求得平(píng)均流出系數(shu)C=0.61。在2003年實施的(de)孔闆流量計(ji)的國際标準(zhun)(ISO5167-2:2003)中✂️,壓力損失(shī)系數的計算(suàn)公式爲

将βo=0.65,C=0.61代(dài)人式(2),可以得(dé)到K=13.37
計算壓力(li)損失Δpo的公式(shì)爲

将流體密(mi)度ρ=836.4kg/m3與K=13.37代人式(shi)(3)可以得到

圖(tu)3反映了由式(shì)(4)計算出的在(zài)不同流速下(xia)孔闆流量計(ji)的壓力💛損🈲失(shī)曲線和内錐(zhuī)流量計壓力(li)損失的實驗(yan)結果。

　　從圖3可(kě)以看出,在流(liu)通面積一定(dìng)的情況下,孔(kǒng)闆的壓力損(sǔn)失要大于内(nèi)錐流量計,并(bing)且随着流速(sù)的增加而增(zeng)加。表3列出了(le)在不同流速(sù)下,孔闆流量(liàng)計與内錐流(liú)量計的壓力(lì)損失,其中n爲(wèi)孔闆流量計(ji)與内錐流量(liàng)計壓力損失(shī)的比值。

4内錐(zhui)流量計與孔(kong)闆流量計能(néng)耗的比較
4.1計(jì)算動力與能(neng)量消耗和年(nian)耗能費
對于(yu)液體,可采用(yòng)以下的計算(suàn)公式[9]
P′=Δp·v·S/η
式中P′———所(suǒ)需要的功率(lü),kW;
Δp———壓損損失,kPa;
v———工(gong)況下的流體(tǐ)的速度,m/s;
S———管道(dào)的橫截面積(ji),m2。
計算年耗能(néng)費
Co=P′。t·X
式中Co———年耗(hao)能費,元;
t———運行(háng)時間,h;
X———電價,元(yuán)/kW。h。
　　由于孔闆前(qian)後都有大旋(xuan)渦,在大幅值(zhi)脈動壓力的(de)背景噪聲條(tiao)件下,隻能通(tong)過縮小孔徑(jing),提高差壓上(shang)限值來實現(xiàn)有效的流量(liàng)測量。因此孔(kǒng)闆的壓力損(sǔn)失必然增大(dà)。
　　由于内錐流(liú)量計測量壓(ya)差的背景噪(zao)聲小,可以檢(jian)測✉️出較小的(de)壓差,因此内(nei)錐流量計的(de)壓損必然比(bǐ)孔闆的壓損(sun)小,年耗能費(fèi)也小。
4.2舉例分(fèn)析
　　提到的内(nei)錐流量計與(yǔ)孔闆流量計(ji)爲例，工業電(dian)價💚爲1元/kW·h,做出(chū)它們的年耗(hao)能費比較圖(tu),如圖4所示。

　　從圖中可以(yǐ)得到,随着流(liu)速的增加内(nei)錐與孔闆流(liu)量🔴計✔️年耗能(neng)費也逐漸增(zēng)大,而孔闆流(liu)量計的年耗(hao)能費要大于(yu)内錐流量計(jì)的年耗能費(fèi)。這是因爲内(nèi)錐流量計的(de)壓力損失比(bǐ)孔闆♈的壓力(lì)損失小得多(duō),年耗能費用(yòng)可大大㊙️減少(shǎo)。流量計口徑(jìng)越大,流速越(yue)大,則内錐流(liu)量計節能效(xiao)果越顯著,投(tóu)💰資回收期也(yě)😘就越短。
　　圖5表(biao)示的是内錐(zhui)流量計相對(duì)比孔闆流量(liàng)計可以節約(yue)的🔞年耗能費(fei)用,随着流速(sù)的增大,節約(yuē)的費用也就(jiù)越多。
以流速(sù)v=5m/s爲例,内錐流(liú)量計的年節(jiē)約耗能爲17411.9元(yuan),節能效果是(shì)非💋常可觀的(de)。

5結論
　　通(tōng)過CFD數值模拟(nǐ)的方法,模拟(nǐ)了成品油管(guǎn)道中内錐流(liu)量計♋的壓❤️力(li)損失,同時與(yǔ)孔闆流量計(ji)比較,得到了(le)如下結論:
(1)内(nei)錐流量計的(de)壓力損失比(bǐ)孔闆流量計(ji)小,如果保證(zheng)兩種流量計(ji)的有效流通(tōng)面積相同,那(nà)麽内錐流❄️量(liang)計的壓力損(sun)失是孔闆流(liú)量計的三分(fen)之一還要小(xiao)一些。
(2)通過技(jì)術經濟分析(xi)可以明顯地(di)看出:内錐流(liu)量計相比與(yu)孔闆流量計(jì),可以節約很(hěn)多的能耗,符(fú)合國家的節(jie)能減排長期(qī)發展方針政(zhèng)策。

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