摘要(yao):研究基(ji)于差壓(ya)式流量(liang)計 的大(da)氣總懸(xuan)浮顆粒(li)物采樣(yang)器流量(liang)仿真問(wen)題,應用(yong)FLUENT流體仿(pang)真軟件(jian),對空氣(qi)經過孔(kong)闆前後(hou)的壓力(li).和速度(du)進行仿(pang)真研究(jiu)。仿真初(chu)始條件(jian)爲空氣(qi)密度1.29kg/m3,入(ru)口速度(du)100L/min,溫度22℃,大(da)氣壓101.325kPa,在(zai)上述工(gong)況下得(de)到了空(kong)氣經過(guo)流量計(ji)的壓力(li)分布雲(yun)圖、速度(du)流線圖(tu)以及在(zai)10~90L/min流速區(qu)間内的(de)差壓數(shu)值。氣體(ti)從錐形(xing)孔闆經(jing)過時壓(ya)力減小(xiao),流經流(liu)量計下(xia)端部時(shi)流量增(zeng)大,從而(er)産生了(le)孔闆前(qian)後的壓(ya)差,孔闆(pan)入口流(liu)速60L/min時,壓(ya)差很小(xiao),會影響(xiang)采樣泵(beng)的線性(xing)控.制。該(gai)研究對(dui)于應用(yong)流體仿(pang)真軟件(jian)對大氣(qi)總懸浮(fu)顆粒物(wu)采樣器(qi)流量差(cha)壓式孔(kong)闆流量(liang)計特性(xing)的研究(jiu)提供了(le)方向,不(bu)同流速(su)差壓的(de)研究對(dui)孔闆流(liu)量計結(jie)構的改(gai)進和優(you)化有一(yi)定的指(zhi)導和借(jie)鑒意義(yi)。
0引言
　　總(zong)懸浮顆(ke)粒物采(cai)樣器指(zhi)能夠采(cai)集空氣(qi)動力學(xue)當量直(zhi)徑小于(yu)100μm顆粒物(wu)的采樣(yang)器。其基(ji)本原理(li)是使一(yi)-定體積(ji)的空氣(qi)恒速通(tong)過已知(zhi)質量的(de)濾膜時(shi),懸浮于(yu)空氣中(zhong)的顆粒(li)物被阻(zu)留在濾(lü)膜上,根(gen)據濾膜(mo)增加的(de)質量和(he)通過濾(lü)膜的空(kong)氣體積(ji),确定大(da)氣中總(zong)懸浮顆(ke)粒物的(de)質量濃(nong)度總懸(xuan)浮顆粒(li)物采樣(yang)器空氣(qi)流量計(ji)算的精(jing)度是影(ying)響設備(bei)的核心(xin)技術指(zhi)标,其中(zhong)差壓式(shi)流量計(ji)取壓性(xing)能直接(jie)關系到(dao)空氣流(liu)量的換(huan)算。
　　标準(zhun)孔闆流(liu)量計是(shi)差壓式(shi)流量計(ji)中爲典(dian)型的一(yi)種結構(gou),由取壓(ya)裝置、孔(kong)闆和流(liu)裝置構(gou)成,如圖(tu)1所示。
 
　　本研究(jiu)應用CFD軟(ruan)件對空(kong)氣流過(guo)孔闆進(jin)行流場(chang)分析,觀(guan)察差壓(ya)式流量(liang)計内部(bu)的空氣(qi)速度和(he)壓力分(fen)布對後(hou)期 孔闆(pan)流量計(ji) 的優化(hua)設計有(you)理論支(zhi)撐作用(yong)。
1差壓式(shi)孔闆流(liu)量計計(ji)量原理(li)
　　當流體(ti)經過管(guan)道内的(de)孔闆時(shi),會造成(cheng)流體的(de)局部收(shou)縮,從而(er)使流體(ti)的瞬時(shi)速度增(zeng)大,在孔(kong)闆的前(qian)後變形(xing)成了壓(ya)差。在總(zong)懸浮顆(ke)粒物采(cai)樣器中(zhong),當環境(jing)空氣從(cong)上而下(xia)經過孔(kong)口時,由(you)于具有(you)一定的(de)流速,形(xing)成一定(ding)的負壓(ya)狀态,産(chan)生了一(yi)個與空(kong)氣流量(liang)的平方(fang)根成正(zheng)比的壓(ya)差。壓差(cha)經矽膠(jiao)管連接(jie)到壓差(cha)傳感器(qi)上,産生(sheng)與壓差(cha)信号成(cheng)比例的(de)電信号(hao),經過軟(ruan)件計算(suan)處理顯(xian)示出氣(qi)體流量(liang)。
流量方(fang)程式是(shi)從伯努(nu)利方程(cheng)和連續(xu)性方程(cheng)推導而(er)來,如下(xia)所示:
 
　　式(shi)中:Q0爲差(cha)壓口處(chu)氣體流(liu)量,L/min,标定(ding)介質爲(wei)空.氣;α爲(wei)流量系(xi)數,與節(jie)流裝置(zhi)的結構(gou)形式、取(qu)壓方式(shi)、孔口截(jie)面積與(yu)管道截(jie)面積之(zhi)比m、雷諾(nuo)數Re、孔口(kou)邊緣銳(rui)度、管壁(bi)粗糙度(du)等因素(su)有關;對(dui)于标準(zhun)節流裝(zhuang)置,α的值(zhi)可從有(you)關手冊(ce)中查出(chu)(附);對于(yu)非标準(zhun)節流裝(zhuang)置,α值要(yao)由實驗(yan)方法确(que)定,且确(que)定的α值(zhi)隻能應(ying)用在一(yi)定的條(tiao)件下;ξ爲(wei)膨脹修(xiu)正系數(shu),與孔闆(pan)前後壓(ya)力的相(xiang)對變化(hua)量、介質(zhi)的等熵(shang)指數、孔(kong)口截面(mian)積與管(guan)道截面(mian)積之比(bi)等因素(su)有關,對(dui)氣體來(lai)說,通常(chang)在0.9~1.0,當p2/P1的(de)值接近(jin)于1時,膨(peng)脹修正(zheng)系數接(jie)近于1;A。爲(wei)孔口内(nei).截面積(ji),m2;△p爲壓差(cha)信号,Pa,等(deng)同于流(liu)量傳感(gan)器的.信(xin)号值;pr爲(wei)流量計(ji)前壓力(li),絕對壓(ya)力,Pa;T,爲流(liu)量計前(qian)溫度,絕(jue)對溫度(du),K;ρ爲節流(liu)裝置.上(shang)遊取壓(ya)口的氣(qi)體密度(du),kg/m3,ρ=MPr/RTr。
2孔闆流(liu)量計内(nei)部流場(chang)數字仿(pang)真
2.1創建(jian)幾何模(mo)型
　　使用(yong)三維軟(ruan)件建立(li)總懸浮(fu)顆粒物(wu)采樣器(qi)差壓式(shi)孔闆流(liu)量計的(de)三維幾(ji)何模型(xing)[3]如圖2所(suo)示。孔闆(pan)上端和(he)下端的(de)管部直(zhi)徑爲20mm,孔(kong)闆上端(duan)管長爲(wei)20mm,下端管(guan)長爲30mm。由(you)于該幾(ji)何模型(xing)整個爲(wei)回轉體(ti),爲減少(shao)計算量(liang),簡化實(shi)體模型(xing)如圖3所(suo)示。
 
　　用四(si)邊形網(wang)格計算(suan)管形流(liu)場,靠近(jin)孔闆椎(zhui)體的網(wang)格密度(du)明顯較(jiao)密,管道(dao)端部的(de)網格明(ming)顯稀疏(shu),從而保(bao)證網格(ge)的光滑(hua)度,加快(kuai)計算的(de)叠代收(shou)斂速度(du),避免臨(lin)近單元(yuan)體積的(de)快速跌(die)變所引(yin)起的截(jie)斷誤差(cha)孔闆流(liu)量計網(wang)格劃分(fen)模型如(ru)圖4所示(shi)。
 
2.2流(liu)體仿真(zhen)分析
　　差(cha)壓式孔(kong)闆流量(liang)計 模拟(ni)仿真介(jie)質爲環(huan)境空氣(qi),密度爲(wei)1.29kg/m3,設定入(ru)口速度(du)爲5.31m/s,溫度(du)爲22℃,大氣(qi)壓爲101.325kPa。設(she)定了仿(pang)真介質(zhi)和初始(shi)條件後(hou),對湍流(liu)模型進(jin)行選擇(ze),差壓式(shi)孔闆流(liu)量計在(zai)仿真模(mo)拟中,流(liu)體流場(chang)入口速(su)度爲5.31m/s,用(yong)雷諾系(xi)數公式(shi)進行計(ji)算:
Re=pvd/η(2)
　　式中(zhong):Re爲雷諾(nuo)數;ρ爲密(mi)度,kg/m3;D爲流(liu)速,m/s;d爲特(te)征長度(du)(内徑),mm;η爲(wei)動力黏(nian)性系數(shu),Pa.s。
　　将設定(ding)條件代(dai)人式(2)得(de):Re=7611,由于7611>2300,所(suo)以差壓(ya)式流量(liang)計管道(dao)内的氣(qi)體流動(dong)歸屬于(yu)湍流,仿(pang)真中選(xuan)擇湍流(liu)模型進(jin)行計算(suan)。
　　對空氣(qi)在設定(ding)工況的(de)基礎上(shang)進行流(liu)體分析(xi)仿真,得(de)到差壓(ya)式孔闆(pan)流量計(ji)管道内(nei)壓力和(he)速度的(de)分布情(qing)況'51,如圖(tu)5~6所示。
 
　　圖(tu)5中,顔色(se)深淺代(dai)表壓力(li)的大小(xiao)分布情(qing)況,單位(wei).爲Pa。從圖(tu)中可以(yi)得出,氣(qi)體流入(ru)流量計(ji)孔闆上(shang)端管道(dao)部分,由(you)于氣泵(beng)抽氣産(chan)生負壓(ya),壓力值(zhi)大概在(zai)-3.422X104--3.443x104Pa,氣體流(liu)入錐形(xing)孔闆瞬(shun)間,壓力(li)急速減(jian)小,壓力(li)減小範(fan)圍在-3.443x104--3.518x104Pa,經(jing)過孔闆(pan)後壓力(li)維持在(zai)-3.507x104~-3.497x104Pa。氣體從(cong)錐形孔(kong)闆經過(guo)時壓力(li)減小,流(liu)經流量(liang)計下端(duan)部時流(liu)量增大(da),從而産(chan)生了孔(kong)闆前後(hou)的壓差(cha),環境空(kong)氣經過(guo)差壓式(shi)孔闆時(shi),由于孔(kong)闆的阻(zu)隔瞬間(jian)形成高(gao)壓狀态(tai),孔闆的(de)錐角處(chu)圓角處(chu)理,空氣(qi)流過孔(kong)闆椎孔(kong)處壓力(li)有一-定(ding)程度的(de)增大。流(liu)體仿真(zhen)得到的(de)流量計(ji)個管道(dao)速度分(fen)布情況(kuang)如圖6所(suo)示,單位(wei)爲m/s。如圖(tu)所示,氣(qi)體流入(ru)流量計(ji)孔闆上(shang)端瞬間(jian),産生了(le)一個回(hui)轉對稱(cheng)性的速(su)度場,中(zhong)心軸線(xian)處速度(du)最大,氣(qi)體在差(cha)壓式流(liu)量計管(guan)壁處碰(peng)撞後産(chan)生回旋(xuan),速度降(jiang)低并産(chan)生壓降(jiang),在錐形(xing)孔處由(you)于錐角(jiao)做圓角(jiao)處理後(hou),平緩過(guo)渡,氣體(ti)速度有(you)不同程(cheng)度的增(zeng)大。氣體(ti)流入孔(kong)闆前速(su)度範圍(wei)大概在(zai)0.2754~1.913m/s,流人孔(kong)闆瞬間(jian),速度增(zeng)大,管道(dao)軸心處(chu)速度最(zui)高可達(da)3.799m/s,經過孔(kong)闆後速(su)度範圍(wei)大概在(zai)1.913~3m/s,并向管(guan)壁處速(su)度遞減(jian)從而在(zai)管壁處(chu)形成回(hui)旋産生(sheng)低壓。氣(qi)體未經(jing)過錐形(xing)孔闆前(qian)速度變(bian)化明顯(xian)較小,經(jing)過孔闆(pan)後速度(du)明顯增(zeng)大,在管(guan)道軸心(xin)處速度(du)數值最(zui)大。
 
2.3.差壓(ya)式孔闆(pan)流量計(ji)差壓分(fen)析
　　孔闆(pan)壓力損(sun)失是孔(kong)闆.上端(duan)測得壓(ya)力與孔(kong)闆下端(duan)測得壓(ya)力數值(zhi)之差,差(cha)壓數據(ju)穩定性(xing)是控制(zhi)泵的關(guan)鍵條件(jian)[7-8]。參考100L/min的(de)仿真條(tiao)件,将入(ru)口速度(du)調整至(zhi)10~90L/min,每10L/min作爲(wei)一次步(bu)長,流體(ti)仿真後(hou)得到流(liu)速、動壓(ya)、靜壓和(he)差壓的(de)數據,如(ru)表1所示(shi)。
 
3結束語(yu)
　　本文根(gen)據差壓(ya)式孔闆(pan)流量計(ji)的計量(liang)原理,應(ying)用FLUENT軟件(jian)對空氣(qi)流過孔(kong)闆進行(hang)流場分(fen)析,得到(dao)了空氣(qi)經過流(liu)量計的(de)壓力分(fen)布雲圖(tu)、速度流(liu)線圖以(yi)及在10~90L/min流(liu)速區間(jian)内的差(cha)壓數值(zhi),得出如(ru)下結論(lun):
(1)通過初(chu)始條件(jian)分析和(he)計算雷(lei)諾數R。可(ke)知,差壓(ya)式流量(liang)計管道(dao)内的氣(qi)體流動(dong)歸屬于(yu)湍流,仿(pang)真中選(xuan)擇湍流(liu)模型進(jin)行計算(suan);
(2)氣體從(cong)錐形孔(kong)闆經過(guo)時壓力(li)減小,流(liu)經流量(liang)計下端(duan)部時流(liu)量增大(da),從而産(chan)生了孔(kong)闆前後(hou)的壓差(cha),孔闆入(ru)口流速(su)60L/min時,壓差(cha)很小,會(hui)影響采(cai)樣泵的(de)線性控(kong)制,在錐(zhui)形孔處(chu)由于錐(zhui)角做圓(yuan)角處理(li),空氣流(liu)過孔闆(pan)椎孔處(chu)壓力和(he)速度有(you)不同程(cheng)度的增(zeng)大;
(3)分析(xi)差壓式(shi)流量計(ji)内部的(de)空氣速(su)度和壓(ya)力分布(bu),爲後期(qi)孔闆流(liu)量計的(de)提供了(le)依據。

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