摘要:針(zhen)對速度(dù)分布的(de)不對稱(cheng)性對均(jun)速管流(liu)量計 測(ce)量精度(du)影響的(de)問題，利(lì)用計算(suan)流體力(lì)學(CFD)軟件(jiàn)，對均㊙️速(sù)管🐆流量(liang)🍉計的内(nei)部流場(chang)進行了(le)3D數值模(mó)拟。采用(yong)有限體(tǐ)積法，引(yǐn)🈲人标👨‍❤️‍👨準(zhǔn)k-ensilon湍流模(mo)型對控(kòng)制方程(chéng)進行離(li)散和🌍求(qiú)解，得⛹🏻‍♀️出(chu)了均速(sù)管流量(liàng)計在彎(wān)管後不(bú)同直管(guǎn)段位置(zhi)和不同(tong)流速條(tiáo)件下的(de)流場動(dong)力學參(can)數;利用(yòng)得到的(de)差壓模(mo)拟數據(ju)計算得(dé)😄出流量(liang)系數📧，并(bìng)對測量(liàng)精度進(jin)行了分(fèn)析。
引言(yán)
　　均速管(guǎn)流量計(jì)是基于(yú)皮托管(guǎn)流量計(jì)發展起(qi)來的一(yi)種新型(xing) 差壓式(shì)流量計(ji) ，其目的(de)是爲了(le)克服皮(pi)托管流(liú)量計因(yīn)單點取(qǔ)樣而對(dui)管内速(sù)㊙️度分布(bu)對稱性(xìng)的嚴格(gé)要求。通(tōng)過采用(yong)如❗圖1所(suǒ)示的在(zài)近🈲管壁(bi)處的多(duō)點取壓(yā)方法，均(jun)速管流(liu)量計可(ke)以應用(yong)于非對(dui)♈稱性流(liu)速分布(bù)管段的(de)流量測(cè)量，适用(yong)範圍更(geng)大，測量(liang)精度也(ye)有所提(ti)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(xian)已被廣(guǎng)☂️泛的應(yīng)用于♌冶(yě)金、石化(hua)等工業(yè)計量中(zhōng)。
 
　　圖2所示(shì)爲均速(su)管流最(zuì)計檢測(cè)杆的橫(heng)截面，其(qí)均壓⚽原(yuán)理👌是湧(yǒng)過分布(bu)幹管壁(bi)附近的(de)多點取(qǔ)壓孔..将(jiāng)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(miàn)取壓孔(kong)引入低(dī)壓(靜壓(yā))，引入的(de)各點壓(yā)強在均(jun1)壓腔内(nèi)平均後(hou)被引壓(ya)管引出(chū)。
 
　　均速管(guǎn)流量計(ji)測量原(yuán)理遵循(xun)伯努利(li)方程，設(she)均速管(guǎn)流量計(ji)檢🌈測杆(gǎn)迎流取(qǔ)壓孔處(chù)速度爲(wèi)U,(m/s)，壓力爲(wei)P1(Pa)，檢測杆(gan)💋側流取(qu)壓🌐孔.處(chù)的流速(su)爲U2(m/s)，壓力(lì)爲P2(Pa)，忽略(luè)摩擦阻(zu)🔆力，流體(tǐ)高度差(chà)💛等因素(su)，可得到(dao):
 
　　其中流(liu)量系數(shù)K由多種(zhong)因素共(gong)同影響(xiǎng)，是測量(liang)探頭速(su)度系數(shu)、被測管(guan)道速度(dù)分布修(xiū)正系數(shu)和管道(dao)安🈲裝幹(gan)擾系數(shù)三部分(fen)的乘🌈積(ji)4。其中速(su)度系數(shu)可看作(zuò)流量計(ji)在均勻(yún)✨流場中(zhong)流速與(yu)輸出差(cha)壓之間(jiān)關系的(de)修正;速(su)度分布(bu)系數是(shì)管道内(nei)處幹充(chōng)分發展(zhǎn)流動時(shi)流速分(fen)布對平(píng)均速度(dù)測量影(ying)響的修(xiu)正;系數(shù)❌則是現(xiàn)場安裝(zhuang)條件對(duì)流量測(cè)量影響(xiang)的修正(zhèng)⛷️1。流量🙇‍♀️系(xì)數K的準(zhun)确與否(fǒu)會直接(jie)影響流(liú)最測量(liang)的精度(du)。工程應(yīng)用時都(dōu)是通過(guo)🈲實驗标(biao)定作爲(wèi)固定值(zhi)應用于(yú)實際測(ce)量。
　　均速(sù)管流量(liàng)計取樣(yàng)具有實(shi)際意義(yì)的前提(ti)是管道(dao)☎️内的速(su)✉️度分布(bu)是對稱(cheng)穩定的(de)充分發(fa)展湍流(liu)，各個取(qu)壓孔的(de)速度算(suan)數平均(jun)值近似(sì)等于管(guǎn)道截面(mian)的平均(jun)速度"，這(zhe)是插入(rù)式均速(sù)流量計(ji)的測量(liang)精度取(qǔ)決于管(guǎn)道内流(liú)速分布(bu)的特點(diǎn)。--般而言(yan)，完全對(duì)稱的速(sù)度分布(bu)是最理(li)想的，但(dàn)在應用(yong)過程👣中(zhōng)受實際(ji)情況的(de)限制，并(bìng)不能保(bǎo)證有足(zú)夠長的(de)直管段(duan)使✨流動(dòng)達到充(chōng)分發展(zhan)，在現場(chǎng)直管段(duàn)長度🈲較(jiao)短、上遊(yóu)又有彎(wan)管阻件(jiàn)導緻流(liú)速🔴分布(bu)複雜時(shi)，測量誤(wu)差會較(jiào)大。
　　爲了(le)更深人(rén)地了解(jiě)管内流(liú)速分布(bù)特點對(duì)流量系(xi)❄️數的影(yǐng)響😍，本文(wen)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(xià)的💃均速(sù)流量計(jì)内部流(liu)場進行(hang)了數值(zhí)模拟，并(bing)分析了(le)管内速(su)度分布(bù)對均速(su)管流量(liàng)計的測(ce)量精度(dù)的影響(xiǎng)。
1.數值模(mo)拟
1.1物理(lǐ)模型和(hé)數值方(fāng)法
　　計算(suan)洗擇檢(jian)測杆有(you)效長度(dù)爲200mm的彈(dan)頭狀威(wei)力巴均(jun1)速管流(liu)💯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(àn)照切比(bi)雪夫法(fǎ)分布[6l;陽(yang)塞比爲(wèi)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(jie)質爲常(chang)溫空氣(qì)，密度爲(wèi)1.225ke/m3，運動黏(nián)💛度爲1.7894x10-5;彎(wān)管前直(zhí)管段L0=20D，彎(wan)管後直(zhi)管段長(zhǎng)度L1=4D~11D，均速(sù)管流量(liàng)計後直(zhi)管段長(zhang)度🤞爲L2=5D,圖(tú)3所示爲(wei)計算域(yù)彎管平(ping)面示意(yì)圖，流速(sù)範圍爲(wei)🏒6~30m/s,對應的(de)雷諾數(shù)範圍是(shì)0.822x105~4.11x105.
 
　　利用前(qián)處理軟(ruǎn)件ICEM對計(ji)算區域(yù)進行網(wang)格劃分(fen)，采用非(fei)均勻網(wang)格，并對(dui)網格進(jìn)行優化(huà)，檢測杆(gǎn)内部空(kōng)腔采用(yòng)較密❌集(jí)的網格(ge)，最小網(wang)格尺寸(cun)爲0.2mm，對靠(kào)近流量(liang)🙇🏻計的一(yi)-段管道(dao)進行加(jiā)密最小(xiǎo)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(zheng)個流場(chang)的三維(wei)仿真模(mó)型💜示意(yi)圖。
 
　　用Fluent流(liú)體力學(xué)軟件進(jìn)行數值(zhí)模拟，用(yong)有限體(ti)積法對(dui)控制方(fāng)程🏃‍♀️進行(háng)離散，模(mo)型選用(yong)标準k-eDsilon湍(tuān)流模型(xing)，近壁區(qu)采🌈用标(biao)🐇準壁面(miàn)函數法(fa)，入口條(tiáo)件采用(yong)Velocitv-inlet，出口條(tiao)件采用(yòng)Pressure-outlet。
1.2控制方(fāng)程和湍(tuan)流模型(xing)
　　求解各(ge)個算例(li)的的流(liu)體動力(lì)學特性(xìng)可以用(yòng)流體力(lì)學❌基本(ben)方程14.71.
連(lián)續性方(fāng)程爲:
 
 
式(shì)中，Umax是管(guǎn)道中心(xīn)速度，r是(shì)管道内(nèi)部任意(yi).點距離(li)管💋中心(xin)的距離(lí)，R是管道(dào)半徑，指(zhi)數n與雷(léi)諾數Re有(yǒu)關。
1.4仿真(zhēn)結果和(he)讨論
　　在(zai)不同直(zhí)管段位(wèi)置和不(bú)同流速(sù)的條件(jiàn)下，引用(yong)标準k-ε模(mó)型👅，模拟(ni)得出了(le)均速管(guan)流量計(ji)附近的(de)速度場(chang)和壓力(lì)場。
　　圖5所(suo)示是入(ru)口流速(sù)爲15m/s的條(tiao)件下，直(zhí)管段内(nei)充分發(fā)展的湍(tuān)流(L0=0，無彎(wān)管附件(jian)，L;=20D，L2=5D)的模拟(ni)結果。由(you)速度雲(yún)圖(圖5a)看(kan)出，在流(liu)量計迎(yíng)流面上(shàng)🈲:沒有開(kāi)孔.的位(wei)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(sui)然有所(suǒ)下降，但(dàn)并不爲(wei)零。根據(ju)充分發(fa)展湍流(liú)的速度(dù)分布🛀可(kě)知，管中(zhong)心處的(de)速度最(zuì)大，檢測(ce)杆上半(bàn)部的三(san)個👨‍❤️‍👨取壓(yā)孔的速(sù)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(cóng)中心附(fu)近的兩(liǎng)個取壓(yā)口流人(ren)，從近壁(bì)處的取(qǔ)壓刊.流(liu)出。檢測(ce)杆下半(ban)部的三(san)👣個取壓(yā)孔的流(liu)速分别(bié)爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shang):半部分(fèn)基🔅本對(dui)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(ya)孔🌈引人(ren)的壓力(lì)平均之(zhi)後得到(dao)的結果(guo)，總㊙️壓腔(qiang)是正高(gāo)壓，爲184.233Pa，靜(jing)壓腔是(shì)負低壓(yā)，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給(gei)出了直(zhí)管段充(chōng)分發展(zhan)湍流條(tiáo)件下，均(jun)速管流(liú)量計前(qián)0.25D處㊙️的縱(zong)軸截面(mian)上.的速(sù)度分布(bu)，可以看(kàn)出在此(ci)情🔴形下(xià)的湍流(liu)流形是(shi)對稱的(de)、均勻的(de)。
 
　　對幹受(shòu)彎管影(ying)響的湍(tuān)流(Lo=20D，有彎(wān)管附件(jian)，L1=4D~11D，L2=5D)的情況(kuàng)，圖7給🐪出(chū)🥵的⛱️是入(rù)口速度(du)爲15m/s時均(jun)速管流(liú)量計處(chu)幹彎管(guǎn)後4D位置(zhi)的模拟(ni)結果的(de)🚶雲圖。從(cóng)速度雲(yún)圖(圖7c)看(kàn)出速度(du)分布明(míng)📧顯不對(dui)稱。靠近(jin)管中心(xīn)的取壓(yā)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(kong)附近的(de)🤟流速爲(wèi)-1.123m/s、-1.339m/s;由🈚取壓(ya)孔引入(rù)的壓力(li)也出現(xian)了較大(da)變化，總(zong)壓腔内(nei)壓強爲(wèi)172.492Pa，靜壓腔(qiang)爲--44.958Pa。雲圖(tu)也展示(shi)了速度(du)和壓強(qiáng)的等值(zhí)區域受(shòu)彎管影(ying)響而産(chan)生的變(bian)化。
 
　　處幹(gan)彎管後(hòu)的均速(sù)管流量(liàng)計前0.25D處(chu)縱軸截(jie)面上的(de)速度分(fèn)布如圖(tu)8所示。縱(zòng)坐标爲(wèi)縱軸截(jié)面徑向(xiang)t點的位(wèi)置，橫坐(zuò)标爲各(gè)點的速(su)度，曲線(xian)代表了(le)均速管(guan)流量計(jì)處于彎(wan)管後不(bu)同位置(zhi)時測量(liàng)的💘流體(tǐ)的速度(du)分布。可(ke)以很明(ming)顯看🔞出(chu)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(di)，兩側高(gao)，中間的(de)速度逐(zhú)步💋增大(da)，到11D處仍(reng)㊙️然是外(wài)側的速(sù)度大于(yu)内側的(de)速度，之(zhi)後再繼(jì)續發展(zhan)。
 
　　表1列出(chū)的是根(gen)據模拟(ni)的差壓(ya)數據計(jì)算得到(dào)的均速(su)管流量(liang)計㊙️的流(liu)量系數(shù)K。可以看(kan)出，處幹(gan)彎管後(hòu)的均速(sù)管流量(liang)計🔴測得(de)💘的流量(liàng)系數與(yu)對稱分(fen)布的充(chōng)分發展(zhan)🏃🏻‍♂️湍流下(xià)得到的(de)流量系(xi)數存在(zài)一-定的(de)偏差，表(biao)明管内(nei)速度分(fèn)布的不(bú)均勻性(xìng)對測量(liang)精度的(de)影響，在(zai)實際應(yīng)用中應(yīng)該加以(yǐ)修正。
 
　　圖(tú)9是不同(tóng)流速條(tiao)件下，檢(jian)測杆位(wèi)于彎管(guan)後4D~11D距離(lí)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(liang)系數均(jun)高于㊙️充(chong)分發展(zhan)湍流情(qing)形下的(de)值，這是(shi)速度分(fen)布的不(bu)對稱性(xìng)導緻的(de)結果。因(yīn)此，在均(jun)速❤️管流(liu)量計的(de)應用上(shang)，當測量(liàng)位置處(chu)于彎管(guǎn)後一定(ding)的距離(li)内，應⛱️對(dui)流量系(xì)數進行(hang)修正，否(fou)則導緻(zhì)測量🈲結(jié)果的偏(piān)差。
 
2結語(yǔ)
　　本文對(duì)彎管後(hòu)不同直(zhi)管段位(wèi)置和不(bú)同流速(su)下的均(jun)速管流(liú)🔴量計的(de)流場進(jìn)行了三(san)維數值(zhí)模拟，模(mo)拟得出(chū)了不🙇🏻同(tong)情況下(xià)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(chēng)性對均(jun1)速管流(liu)量計測(ce)量的影(ying)響。得出(chū)了以下(xià)結論:
1)均(jun1)速管流(liú)量計垂(chuí)直安裝(zhuang)幹彎管(guan)平面後(hou),在彎管(guan)後4D~11D這❄️段(duan)距離内(nèi)，檢測杆(gan)前縱軸(zhóu)截面上(shàng)的速度(dù)呈現出(chū)“中間低(dī)，兩✍️邊高(gao)”的規💛律(lü)。
2)彎管引(yin)起的管(guǎn)内速度(du)分布的(de)不對稱(chēng)性對流(liu)量測量(liang)精度的(de)影響大(da)，建議對(duì)彎管後(hou)11D内安裝(zhuāng)的流量(liang)計進行(háng)流量系(xi)數修正(zhèng)。

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