均速管流量计优化设计的数值模拟.pdf

2013年第1期工业仪表与自动化装置均速管流量计仳化设计的数値模拟朱莹,王小华,麻剑锋,沈新(浙江大学流体工程研究所,杭州310027摘要:根据流体力学计算方法,对300mm口径管道对应的均速管流量计进行二维数值模拟,采用k-ST湍流模型及 SIMPLE算法,首先得到均速管流量计流壘系数随速度的变化特性;在其基础上,创新设计了一种新型的双体均速管流量计,这种新型均速管流量计较传统的威力巴流量计而言,在压力损失有限增加的前提下,能产生更高的输出压差和更低的流量系数。关键词:流量系数;均速管流量计;永久压力损失中图分类号:TH814文献标志码:A文章编号:1000-0682(2013)01-0057-03The numerical simulation of the optimization design of averaging pitot tubeZHU Ying, WANG Xiaohua, MA Jianfeng, SHEN XinrongInstitute of Fluid Engineering Research, Zhejiang University, Hangzhou 310027, ChinaAbstract: The paper presents numerical simulation(two-dimensional) of the averaging pitot tubeapplied in the pipe with diameter of 300mm. In the calculation the turbulent model of k-a SST andSIMPLE method were applied. Firstly, the relationship between the flow coefficient and velocity was investigated. Then a two-profile averaging pitot tube was innovatively desingned. The new tubes could of-fer higher pressure difference and lower flow coefficient at a limited cost on permanent pressure loss compared to the original modelKey words; flow coefficient; averaging pitot tube; permanent pressure loss0引言性能指标的影响2;张迎春等人利用CFD数值模拟研究了不同长度的前直管段对流量系数计算结果的均速管流量计是美国 Dieterich标准公司在60影响,总结出了为得到准确的计算值其计算域所应年代中期研制的产品,现已被广泛的用于我国工有的直管段长度;M. Kabacinski等人对不同截面业现场。均速管流量计具有结构简单,安装拆卸方形状的均速管进行数值研究,对比不同模型下流量便,节能效果显著等优点,尤其是应用于大直径管道系数随速度变化,并研究了截面尺寸对流量系数的中时其节能量更是不可忽视,这对于能源短缺的今影响+; Boleslaw Dobrowolski等人建立了 Veris bar天十分重要。的三维流动模型,研究了 Veris bar工作时测量杆内均速管流量计从问世开始直到今天有了很大的部流体的流动。这些研究工作都为均速管流量发展,出现了很多不同截面形状的测量杆,如:圆形、计的发展做出了重大的贡献菱形、弹头形( Veris bar)、机翼形、 Delta形等等。近虽然均速管流量计具有很多的优点,但在实际年来,通过数值模拟及实验的方法来分析不同截面运用中还是存在一些问题。首先,均速管流量计输形状均速管的性能成为流量测量领域的一个重要课出压差小,测量结果容易受流体扰动的干扰,而且小题。齐利晓等人选取弹头形、菱形、Dela形3种截的输出压差使其对差压变送器的要求很高;其次,均面形状的均速管,将它们分別置于不同的流场中,研速管流量计不适用于低速流体的测量,用于测量低究不同流场对均速管流量系数、线性度及重复性的流速流体时其测量精度低。因此该文主要目标是在不增加永久压力损失的前提下提高均速管输出压收稿日期:2012-11-12差,同时扩大其所能测量的流速范围。作者简介:朱莹(1988),湖南人,硕上,研究方向为流体机械。工业仪表与自动化装置2013年第1期1均速管流量计的工作原理通过计算得到检测杆附近压力分布如图3所示,速度分布如图4所示。从图3、图4可以看出,均速管流量计是差压式流量计的一种,是基于流体流过检测杆时,检测杄前端形成高压区,后端形早期皮托管测速原理发展起来的。均速管主要由测成低压区,流体流过检测杄时速度加快。在检测杆量杆与引压管组成,测量杆是一根中空的金属管。高低压取压孔的相应位置上取得动压及静压,通过当流体流过测量杄时,流体的流速增加,在测量杆的动压及静压之差进行流量系数的计算,通过计算得前端形成高压区,测量杆的后部形成低压区,高低压到流量系数随速度的变化,如图5所示。从图5中区的压力通过开于测量杆上的取压孔分别进入测量可以看出,当流速较低时流量系数是不稳定的,它会杆内腔中,再由置于测量杆内腔的引压管分别将压随流速的增加而增大,当流速V=7m/s时,流量系力引出,通过引压管引出的高低压力之差计算流量。数相对稳定,它随流速变化的量很小。流速低时均设均速管检测杆迎面流速为,压力为P,检测杆速管流量计流量系数不稳定,会偏离其给定值,因此后端流速为V2,压力为P2,则根据伯努利方程有:均速管流量计不适用于测量流速低的流体。当流速达到一定值时均速管流量计流量系数相对稳定,所以其测量精度是比较高的。稳定时的流量系数为K其中:p为流体的密度。=0.767,相对误差在3%以内。显然,在V1=0时,则:2(P1-P0.04由此可得2(P,-P2)0.02=KYQ。=pQ,=KY,2p(P-P2)其中:Q,为体积流量,Qn为质量流量,K为流量系数,Y为流体膨胀系数。从式中可以看出,流量系数是已知的定值,根据压差可计算得到流量。流量系-004数K主要取决于探头尺寸,所以可以通过改变检测-0.04-0.020.0.020.040.06杆截面改变流量系数。图3检测杆附近压力云图(V=16ms)2数值模拟2.1 Veris bar的数值模拟velocitemagnitude 1威力巴( Veris bar)测量杆的截面形状如图1所0.06示,模拟的管道直径D=300mm,计算域为流量计前35D至流量计后5D,流量计前长度为35D时流动已得到充分发展。网格采用分块结构化网格,对测量杆周围的网格进行加密,测量杆下游的流动比上游复杂,所以检测杆下游的网格比上游网格密,测-0.02量杆周围网格如图2所示。采用k-DSST湍流模型及 SIMPLE算法进行数值计算。-0.00.10图4检测杆附近速