摘要:通(tong)過CFD流體軟(ruan)件對内錐(zhui)流量計 壓(ya)力損失進(jin)行了數值(zhi)模拟,實驗(yan)介質爲汽(qi)油與柴油(you)的混合物(wu)。内錐流量(liang)計和 孔闆(pan)流量計 經(jing)常使用于(yu)流體計量(liang),在保證兩(liang)種流量計(ji)流通面⛱️積(ji)相等的條(tiao)件下,對它(ta)們的壓力(li)損失進行(hang)了比較。結(jie)果表明,内(nei)錐流量計(ji)的壓力損(sun)失僅爲孔(kong)闆流量計(ji)壓力損失(shi)的30%左右,将(jiang)内錐流量(liang)計應用于(yu)流體計量(liang),可以起到(dao)節能降🛀耗(hao)的作用。
0引(yin)言
　　在許多(duo)情況下,由(you)壓力損失(shi)所引起的(de)額外的耗(hao)能費用是(shi)🈲選用流量(liang)計時必須(xu)要考慮的(de)一個重要(yao)因🔞素。流量(liang)儀表的壓(ya)力損失小(xiao)已經是選(xuan)擇流量計(ji)的一項重(zhong)要指标。由(you)于内錐流(liu)量🔞計和孔(kong)闆流量計(ji)使🏃‍♂️用的條(tiao)件相似,并(bing)且使用廣(guang)泛,因此有(you)必要對這(zhe)兩種流量(liang)計進行壓(ya)力損失比(bi)較,以便選(xuan)出更合适(shi)的測量儀(yi)表。雖然🔞人(ren)們對内錐(zhui)流量計和(he)孔闆流量(liang)計的壓力(li)損失進行(hang)過比較,但(dan)目前文獻(xian)[1-2]中所作的(de)比較存在(zai)兩個問題(ti)。第㊙️一,文獻(xian)中多是通(tong)⛹🏻‍♀️過比較兩(liang)種流量計(ji)的壓力損(sun)失計算公(gong)式來對兩(liang)種儀表進(jin)行比較。
　　對(dui)于孔闆流(liu)量計,它的(de)曆史較長(zhang),有統一的(de)國際标準(zhun),可以直接(jie)🤞算出壓力(li)損失。對于(yu)内錐流量(liang)計,它的曆(li)史相對♌較(jiao)短,沒有💃統(tong)一的國際(ji)标準,給出(chu)的一些計(ji)算公式也(ye)不太成熟(shu),通常計😘算(suan)值與👉真實(shi)值之間存(cun)在較大的(de)誤差。例如(ru),内錐流量(liang)計的生産(chan)廠家即💋使(shi)是按照行(hang)業規範生(sheng)産的同一(yi)型号的内(nei)錐流量計(ji),其給出的(de)計算内錐(zhui)流量計的(de)壓力損失(shi)系數也是(shi)各不相同(tong)的,這就給(gei)用公式計(ji)算壓力損(sun)失帶來了(le)誤差。第二(er),對兩種📞流(liu)量計壓力(li)損失比較(jiao)時,并沒❓有(you)規定兩種(zhong)流量計的(de)有效流通(tong)面積相同(tong),所得到的(de)結果缺乏(fa)說服力。基(ji)于以上兩(liang)個原因,本(ben)文用CFD數值(zhi)模拟的方(fang)法,計算出(chu)内錐流量(liang)計的壓力(li)損失,并✂️在(zai)保證有效(xiao)流通面積(ji)的條件📐下(xia)對兩種流(liu)量計的壓(ya)力損失進(jin)行了比較(jiao),并且對兩(liang)種流量計(ji)進行了經(jing)濟技術分(fen)析♍,對選用(yong)流量計及(ji)計算内錐(zhui)流量🤟計☎️的(de)能耗都有(you)很好的參(can)考價值。
1模(mo)型建立
1.1幾(ji)何模型和(he)湍流模型(xing)的建立
　　建(jian)立長L=14m,内徑(jing)D=0.2m的管道模(mo)型,模拟了(le)前錐角爲(wei)45°,後錐角⚽爲(wei)📧120°的V錐體壓(ya)👄力分布情(qing)況。
　　由于内(nei)錐體爲旋(xuan)轉體,具有(you)軸對稱特(te)性,在進行(hang)數值模拟(ni)實驗時,所(suo)建立的模(mo)型爲二維(wei)結構,并進(jin)行了簡化(hua)處理(計算(suan)域選取一(yi)半),如圖1所(suo)示。

　　在(zai)網格的剖(pou)分方面,采(cai)用了結構(gou)化網格[3-4],如(ru)大比率👌四(si)💯邊形網格(ge)計算長管(guan)形狀流場(chang),網格數量(liang)明顯減少(shao),在靠近錐(zhui)體部分🏃‍♂️的(de)網格進行(hang)加密設置(zhi),越靠近管(guan)道兩端,網(wang)格越稀疏(shu)🌈。這樣做的(de)目的是爲(wei)了保持💯網(wang)格的光滑(hua)度,從而加(jia)速叠代收(shou)斂速度💋,避(bi)免因臨🤟近(jin)單元體積(ji)或面積的(de)快速變化(hua)而導緻大(da)的截斷誤(wu)差,節省計(ji)算時間。另(ling)外,在相⚽同(tong)網格數量(liang)下,爲更好(hao)保證計♌算(suan)精度,對流(liu)場影響最(zui)重要的部(bu)分進行了(le)更精密的(de)網格剖分(fen)。圖1即是采(cai)用此方法(fa)進行的網(wang)格剖分。
　　利(li)用RNGκ-ε[5]模型進(jin)行計算,經(jing)物理實驗(yan)驗證顯示(shi)出了較好(hao)的預測性(xing)。另外,在近(jin)壁面區域(yu)采用标準(zhun)壁面函數(shu)法進行處(chu)理。利用⭐有(you)限🔴體積法(fa)實現控制(zhi)方程的離(li)散化,在求(qiu)解離散方(fang)程過程中(zhong),采用以壓(ya)力爲基本(ben)求解變🌈量(liang)的求解方(fang)法,即SIMPLE算法(fa)進行求解(jie)。差分格式(shi)采用二階(jie)迎風格式(shi)。
1.2邊界條件(jian)和工作流(liu)體物性
　　邊(bian)界條件包(bao)括壁面、對(dui)稱軸、速度(du)入口和壓(ya)力出口。流(liu)體從速度(du)入口進入(ru),流經節流(liu)裝置,最後(hou)由壓力出(chu)口流出。
　　内(nei)錐流量計(ji)的數值模(mo)拟實驗介(jie)質爲柴油(you)與汽油的(de)🈲混合物,其(qi)物理性質(zhi)見表1所示(shi)。

2内錐流量(liang)計的壓力(li)損失模拟(ni)實驗
　　傳統(tong)測量孔闆(pan)流量計壓(ya)力損失的(de)方法[6]如圖(tu)2所示,分别(bie)測出、兩點(dian)之間的靜(jing)壓力,所得(de)差值即爲(wei)孔闆壓力(li)損失。爲了(le)使模😍拟的(de)壓力是不(bu)可恢複性(xing)壓力🙇‍♀️,P1、P2兩點(dian)之間的距(ju)離應盡量(liang)遠,在本模(mo)拟✂️實驗中(zhong)管道直徑(jing)D=0.2m,P1、P2兩點之間(jian)的距離取(qu)50D,即兩個測(ce)壓點相距(ju)10m遠,模👅拟結(jie)果如表2所(suo)示。


3内(nei)錐流量計(ji)與孔闆流(liu)量計壓力(li)損失比較(jiao)
　　對于孔闆(pan)流量計的(de)壓力損失(shi),用(ISO5167-2:2003)給出的(de)計算公式(shi)進🏃🏻行計算(suan),計算結果(guo)與内錐流(liu)量計壓力(li)損失的模(mo)拟實❌驗結(jie)果進行比(bi)較。爲了更(geng)好地對内(nei)錐流量計(ji)的壓力損(sun)失與孔闆(pan)的壓力損(sun)🔅失進行🆚比(bi)較,選擇了(le)有效流通(tong)💋面積相同(tong)的内錐流(liu)🌂量計和孔(kong)闆流量計(ji)🌈進行比較(jiao),這樣的比(bi)較才有意(yi)義[7]。
　　内錐流(liu)量計錐體(ti)最大截面(mian)圓的直徑(jing)是dv=0.152m,流量計(ji)的直徑D=0.2m,管(guan)道截面面(mian)積Sc=0.031m2,有效流(liu)通面積爲(wei)Sv=0.013m2。将内錐流(liu)量計的有(you)效流通面(mian)積轉換爲(wei)孔的面積(ji),則對應的(de)有效孔徑(jing)βv比爲

　　取孔(kong)闆流量計(ji)與内錐流(liu)量計有效(xiao)孔徑比最(zui)接近的值(zhi)βo=0.65。根😍據Reader-Harris[8]給出(chu)的流出系(xi)數的計算(suan)公式,求得(de)平均流出(chu)系數C=0.61。在2003年(nian)實施的孔(kong)闆流量計(ji)的國際标(biao)準(ISO5167-2:2003)中🔴,壓力(li)損失系數(shu)的計算公(gong)式爲

将βo=0.65,C=0.61代(dai)人式(2),可以(yi)得到K=13.37
計算(suan)壓力損失(shi)Δpo的公式爲(wei)

将流體密(mi)度ρ=836.4kg/m3與K=13.37代人(ren)式(3)可以得(de)到

圖3反映(ying)了由式(4)計(ji)算出的在(zai)不同流速(su)下孔闆流(liu)量計的壓(ya)力損失曲(qu)線和内錐(zhui)流量計壓(ya)力損失的(de)實驗結果(guo)。

　　從(cong)圖3可以看(kan)出,在流通(tong)面積一定(ding)的情況下(xia),孔闆的🙇🏻壓(ya)力損🆚失要(yao)大于内錐(zhui)流量計,并(bing)且随着流(liu)速的增🥵加(jia)而增加。表(biao)3列出了✉️在(zai)不🌈同流速(su)下,孔闆流(liu)量計與内(nei)錐流量計(ji)的🔞壓力損(sun)失,其中n爲(wei)孔闆流量(liang)計與内錐(zhui)流量計壓(ya)力損失的(de)比值。

4内錐(zhui)流量計與(yu)孔闆流量(liang)計能耗的(de)比較
4.1計算(suan)動力與能(neng)量消耗和(he)年耗能費(fei)
對于液體(ti),可采用以(yi)下的計算(suan)公式[9]
P′=Δp·v·S/η
式中(zhong)P′———所需要的(de)功率,kW;
Δp———壓損(sun)損失,kPa;
v———工況(kuang)下的流體(ti)的速度,m/s;
S———管(guan)道的橫截(jie)面積,m2。
計算(suan)年耗能費(fei)
Co=P′。t·X
式中Co———年耗(hao)能費,元;
t———運(yun)行時間,h;
X———電(dian)價,元/kW。h。
　　由于(yu)孔闆前後(hou)都有大旋(xuan)渦,在大幅(fu)值脈動壓(ya)力的背景(jing)噪聲條件(jian)下,隻能通(tong)過縮小孔(kong)徑,提高差(cha)壓上限值(zhi)來實⭐現有(you)效的💋流量(liang)測量。因此(ci)孔闆的壓(ya)力損失必(bi)然增大。
　　由(you)于内錐流(liu)量計測量(liang)壓差的背(bei)景噪聲小(xiao),可以檢測(ce)出🐅較小😘的(de)壓差,因此(ci)内錐流量(liang)計的壓損(sun)必然比孔(kong)闆的壓損(sun)小,年耗能(neng)費也小。
4.2舉(ju)例分析
　　提(ti)到的内錐(zhui)流量計與(yu)孔闆流量(liang)計爲例，工(gong)業電價⭕爲(wei)1元/kW·h,做出它(ta)們的年耗(hao)能費比較(jiao)圖,如圖4所(suo)示。

　　從圖中(zhong)可以得到(dao),随着流速(su)的增加内(nei)錐與孔闆(pan)流量計年(nian)耗✉️能費也(ye)逐漸增大(da),而孔闆流(liu)量計的年(nian)耗👄能費要(yao)大于内錐(zhui)流量計的(de)年耗能費(fei)。這是因爲(wei)内錐流量(liang)計的壓力(li)損失比孔(kong)闆的壓力(li)損失小得(de)多,年耗能(neng)費用可大(da)大減少。流(liu)量計口徑(jing)越大,流速(su)越大,則内(nei)錐流量計(ji)節能效果(guo)越顯著,投(tou)資回收期(qi)也就越短(duan)。
　　圖5表示的(de)是内錐流(liu)量計相對(dui)比孔闆流(liu)量計可以(yi)節🌏約的年(nian)耗👈能費用(yong),随着流速(su)的增大,節(jie)約的費用(yong)也就越多(duo)🌈。
以流速v=5m/s爲(wei)例,内錐流(liu)量計的年(nian)節約耗能(neng)爲17411.9元,節能(neng)效果是非(fei)🔴常可觀的(de)。

5結論
　　通過(guo)CFD數值模拟(ni)的方法,模(mo)拟了成品(pin)油管道中(zhong)内錐流🌈量(liang)計💚的壓力(li)損失,同時(shi)與孔闆流(liu)量計比較(jiao),得到了如(ru)下結論:
(1)内(nei)錐流量計(ji)的壓力損(sun)失比孔闆(pan)流量計小(xiao),如果保證(zheng)📱兩種流量(liang)計的有效(xiao)流通面積(ji)相同,那麽(me)内錐流量(liang)計💰的壓力(li)損🔴失是孔(kong)闆流量計(ji)的三分之(zhi)一還要小(xiao)一些。
(2)通過(guo)技術經濟(ji)分析可以(yi)明顯地看(kan)出:内錐流(liu)量計相比(bi)與孔㊙️闆流(liu)量計,可以(yi)節約很多(duo)的能耗,符(fu)合國家的(de)節能減排(pai)長期發展(zhan)方針政策(ce)。

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