彙(hui)管出口下遊流量(liàng)對孔闆流量計的(de)影響 發布時間:2025-12-16
孔(kong)闆流量計由于結(jie)構簡單、工作可靠(kào)、成本低、又具有一(yī)定精度,能👉滿🐉足工(gong)程測量的需要,而(er)且設計加工已經(jīng)标準化目前已🔱成(chéng)爲天然氣計量中(zhong)使用廣泛的流量(liàng)計。但是其正确測(ce)量是以流體的平(píng)穩流動爲基本條(tiao)件的,當流體處于(yú)脈動流的情形下(xià),流量💔計計量會🐇産(chǎn)生很大誤差,嚴重(zhong)時會使流量測量(liang)值失真[1]。根據部分(fen)參考文獻,其影響(xiang)值可達⭐ 12 %以上[2]。長期(qi)的計量不👌準确可(kě)能會導緻經濟損(sǔn)失、計量糾紛。 近年(nian)來,随着各種 CFD 軟件(jiàn)功能的日益強大(da),許多研究者🔞将這(zhe)🔴些商用軟件應用(yòng)于孔闆等節流元(yuan)件相關流場的研(yán)✉️究中,但專門針對(dui)孔闆流量計内部(bu)回流流場進行系(xì)統分析還很少[3-8]。本(běn)文通過流體仿真(zhen)軟件 Fluent 建立了🤟孔闆(pan)三維穩定流動模(mó)型,計算🧑🏽🤝🧑🏻了孔闆流(liu)🏃♂️量計内部的流場(chǎng)分布,分析了彙管(guǎn)較小流量出口孔(kǒng)闆流量計計量誤(wù)差産生的原因,爲(wei)孔闆流量計計量(liang)誤差分析提供了(le)新的思路。 1模型建(jiàn)立及求解 1.1理論基(jī)礎 孔闆流量計是(shi)以伯努利方程和(he)流體連續性方程(chéng)爲依據🔱,根🔆據節流(liú)原理,當流體流經(jing)節流件時在其🈚前(qian)後産生壓差,此差(cha)壓值與該流量的(de)平方成正比,從而(er)計算出流體流量(liàng)。其取壓方式有 D 和(hé)D/2 取壓、角接取壓和(hé)法蘭取壓等多種(zhong),其中 D 和 D/2 取壓法🌂的(de)結構如♋圖 1 所示。 孔(kǒng)闆流量計理論計(ji)算公式爲: 其中: qυ—工(gōng)況下的流體流量(liang),m3/s; C—流出系數,無量綱(gāng); β—直徑比,β=d/D,無量綱; ε—可(kě)膨脹系數,無量綱(gang); D—工況下孔闆内徑(jìng),mm; ΔP—孔闆前後的壓差(cha)值,Pa; ρ—工況下流體密(mi)度,kg/m3; 孔(kǒng)闆流量計在出廠(chǎng)前都會通過建立(li)的實驗裝置實測(ce)标定出孔闆流量(liàng)計的流出系數 C,工(gōng)程應用中隻需測(cè)定實際的ΔP值,将C、ΔP代(dài)入(1)式即可得實際(jì)體積流🈲量qυ[9]。 采用數(shù)值模拟方法标定(dìng)孔闆流量計時,可(ke)以先通過🌈孔闆穩(wen)定流動計算得到(dào)流出系數C,然後取(qǔ)孔闆前後D和D/2截🔞面(miàn)上的壓力差ΔP,根據(ju)壓差ΔP及流出系數(shu)C可得孔闆計量流(liu)量qυ,對比🏃♂️計量流🈚量(liang)qυ和實際流量qυ’即可(ke)得到孔闆計量的(de)相🔴對誤差。 1.2模型建(jian)立 天然氣在孔闆(pan)中的流動,雷諾數(shù)遠遠大于臨界值(zhi),流動📞處于湍流狀(zhuang)态。湍流是一種三(san)維非穩态、有旋的(de)高度複⛱️雜不規則(ze)流動🧡。在湍流中流(liu)體的各種物🈲理參(can)數,如速度、壓力、溫(wen)度等都☂️随時間和(hé)空間發生🎯随機的(de)變化,但仍然☂️滿足(zu)N-S方程組,既流動❄️參(can)數滿足質量守恒(héng),動量守恒,能量守(shou)恒三大基本定律(lǜ)。爲了考察脈動的(de)影👣響,目前廣泛采(cai)🆚用的是Reynolds時均N-S方程(chéng)[12-16]。 關于湍流運動與(yǔ)換熱的數值計算(suàn),是目前計算流體(ti)力學與計算傳熱(rè)學中困難最多因(yīn)而研究最活躍的(de)領域之一。RNGκ-ε模型是(shì)針🍉對充分發展的(de)湍流有效💜的,即高(gāo)雷諾數的湍流計(ji)算模💃型。近來💯對κ-ε模(mó)型的各種改進取(qǔ)得了更好☎️的應用(yòng)效果,特别是RNGκ-ε模型(xíng)被廣泛的應用于(yu)模拟各種工💯程實(shí)際問題。該模型已(yi)被廣泛的應用于(yú)邊界層型流動、管(guan)内流動、剪切流動(dòng)、平面斜沖擊流動(dong)、有回流的流動、三(san)🌏維邊界層流動、漸(jian)擴、漸縮管道内的(de)🔅流動及換熱并取(qu)🆚得💋了相當的成功(gong),因此🚶分析孔闆内(nei)流場時采用RNGκ-ε模型(xing)[12-16]。 在CFD計算時,爲了獲(huo)得較高的精度,需(xū)要加密計算網格(gé),在近壁㊙️面處爲快(kuai)速得到解,就必須(xū)将κ-ε模型與結合準(zhǔn)确經驗數據的✨壁(bì)面💁函數法一起使(shi)用,且将離壁面最(zui)近的一内節點位(wei)于湍流的對數律(lü)層之中🔅,如圖2所示(shi)[14]。 1.3模型求解 1.3.1方程離(li)散 對于控制孔闆(pan)中氣體流動的偏(pian)微分方程組及湍(tuān)流模型,由于其解(jiě)析解目前還不能(néng)解出,因而必須采(cǎi)用數值✍️計算才能(néng)分析孔闆中的氣(qi)體流動。要進行數(shu)值模拟首先要将(jiang)控制方程離散成(chéng)節點上的代數方(fāng)程。 在對孔闆内流(liu)場模拟中,爲減少(shao)計算量同時提高(gao)計算的精度,對流(liú)項采用二階迎風(fēng)格式離散。擴散項(xiàng)采用中💚心差分格(gé)📱式離散[15-16]。 控制方程(chéng)離散格式采用全(quán)隐式耦合求解,同(tong)時求解連續❄️性方(fang)程、動量方程、能量(liàng)方程、狀态方程的(de)耦合方程組,然後(hou)🚩再逐一求解湍流(liú)κ方程、ε方程等标量(liang)方程。 1.3.2數值計算算(suàn)法 采用時間相關(guan)法求解三維的孔(kǒng)闆流場。将偏微分(fen)方程用🧑🏽🤝🧑🏻控‼️制體積(ji)法離散爲代數方(fāng)程後,求解數值解(jie)有兩種⭐方法💁:分離(li)求解法和耦合求(qiú)解法。由于分離求(qiu)解法常用于不可(ke)壓、Ma<2的流動問題,本(ben)文在數值求解時(shí),采用二階迎風格(gé)式對連續方程、動(dong)量方程和能量方(fang)程進行耦合求解(jie),接着再求解湍流(liú)輸運😍方程;這種耦(ǒu)合求解方式對于(yú)孔闆内的超聲速(su)流場結構的捕捉(zhuō)至關重要,求解過(guò)程如圖3所示。時間(jiān)上采用Runge-Kutta4階精度進(jin)行叠代計算,直到(dào)流場計算趨于👈穩(wěn)定則認爲計算收(shou)斂。 2實例 某配氣站(zhàn)高級孔闆J-4在日常(cháng)生産中常出現用(yòng)戶無生産📧時流量(liang)🌐曲線波動較大,測(ce)量值失真的現象(xiàng)。現⭕場分⭐析發現,二(èr)次調👌壓後,由于輸(shu)出端城區CNG站用氣(qi)量小且用氣不穩(wěn)定,造成彙管出口(kou)端天然氣回流現(xiàn)象,對下遊孔闆計(ji)量精度造成較大(da)影響。爲了深入分(fen)析孔闆流量計計(ji)量誤差産生原📞因(yīn),需要對孔闆内流(liú)場進行細緻深入(ru)的分📞析研究。該配(pei)氣⛷️站主要工藝流(liu)程如圖🏃🏻♂️4所示: 2.1基礎(chǔ)數據 該配氣站主(zhu)要參數: (1)調壓閥T-3、T-4:DN50;進(jin)口壓力:2.0~3.0MPa;出口壓力(li):0.8MPa。 (2)J-2:DN150高級孔闆閥,日用(yong)氣量:5×104m3/d。 (3)J-3:DN50速度式流量(liàng)計,日用氣量:0.2×104m3/d。 (4)DN100孔闆(pǎn)流量計幾何尺寸(cùn)如表1所示: 1044-6 2.2求解設(she)置 按實際幾何尺(chi)寸建立模型時,考(kǎo)慮到上遊出現回(huí)💰流,流動不均勻,不(bú)可應用軸對稱方(fang)式建立模型,而直(zhi)接建立标準孔闆(pǎn)流量計D和D/2取壓時(shí)的三維實體模型(xíng),上遊管段取20D,下遊(yóu)管段取💚10D,在壁面進(jìn)行邊界層處理,邊(biān)界層共5層,設置比(bǐ)例爲1.1。上遊管道沿(yán)🌏軸向網格以1.1的比(bi)例由密變疏,下遊(you)管道以同樣的🏃♂️比(bi)例,由密變疏。最後(hou)采用cooper格式進行網(wǎng)格劃分,最終得到(dào)DN100孔闆流量計計算(suan)網格如圖5所示: 2.3流量分配對孔(kong)闆計量影響分析(xī) 爲研究流量分配(pèi)對孔闆計量的影(ying)響,需要對回流發(fa)生㊙️時孔闆内流場(chǎng)進行細緻深入的(de)分析,據二級彙管(guǎn)内脈動回🈲流的💚分(fèn)析,當流量增至總(zong)流量的20%時,有漩渦(wo)📱存在,但已不影響(xiǎng)下遊☎️孔闆計量。當(dang)西城區CNG流量小于(yu)總流量的10%時,在當(dang)前壓力條件及彙(huì)管結構下必然産(chǎn)生回流現象。而工(gōng)作壓力對回流的(de)形成幾乎無影響(xiǎng),因此令二級彙管(guan)入口流量爲54686m3/d,分析(xī)當西城區CNG管道流(liu)量分别爲二級彙(huì)管入口總流量🌈的(de)0%,1%,3%,5%,7%,9%工況下,回流對孔(kong)闆流量計計量的(de)影響分析。根👉據所(suǒ)計算✨結果及孔闆(pǎn)穩定流動時計算(suan)得到的流出系數(shu)C,根據壓差ΔP及流出(chu)系數計算得到當(dāng)西城區CNG管道實際(ji)輸量qυ’與孔闆計量(liàng)輸量qυ的誤差關系(xi)如表2所示: 根據西(xi)城區CNG管輸量的不(bu)同,孔闆計量誤差(chà)也不同,兩者之✊間(jiān)🔞對應變化規律如(ru)圖7所示,由圖可見(jian),随着西城CNG管輸量(liang)的🎯上升,誤差🤩迅速(su)減小,當管輸量超(chao)過👄彙管入口流量(liang)的10%後,測📞量值與實(shi)際流量的相對誤(wù)差小于15%,回流渦旋(xuan)縮🏃♂️小到已無法影(yǐng)響到孔闆流量🔅計(jì)内部流場;孔闆流(liu)量計計算公式得(dé)到流量與實際流(liú)量的相對誤差随(suí)着西城CNG管輸量的(de)♉增加而減小,并近(jìn)似滿足指數衰減(jian)趨勢。 3結論 經過以(yi)上理論分析及數(shù)值模拟計算,得出(chu)以下結論。 (1)采用CFD數(shu)值模拟可以有效(xiao)獲得孔闆流量計(ji)内部的流場分布(bu)情😘況,并可根據具(jù)體的應用場合得(de)到相應的計量流(liu)量和實🥵際流量,從(cong)而實現對孔闆流(liu)量⚽計的标定。該方(fang)法能夠彌補因受(shou)條件限制不能對(dui)⭐孔闆進行實測标(biāo)定的缺憾和不足(zú)。 (2)配氣站工藝設計(jì)中,同一壓力彙管(guǎn),用戶流量相差極(ji)♻️大時,應進行瞬時(shi)水力分析,避免氣(qì)體倒流現象影響(xiǎng)孔闆流量計計量(liang)。在本例中,随着西(xi)城CNG管輸量的上升(sheng)♋,誤差迅速減小,當(dāng)管輸量超過彙管(guǎn)入口流量的10%後,測(ce)🏃🏻♂️量值與實際流量(liàng)的相對誤差🐇小于(yu)15%,不再影響到孔闆(pan)🔞流量計内部流場(chǎng);孔闆流💰量計計量(liang)流😍量與實際流量(liang)⚽的相對誤差随着(zhe)西城CNG管輸量的增(zēng)加而減小㊙️,近似滿(mǎn)足指數衰減趨勢(shi)。 (3)本文所建立的CFD數(shu)值模拟模型同樣(yàng)适用于對孔闆附(fù)近污物堆㊙️積、孔闆(pǎn)流量計軸向入口(kou)銳角變鈍等幾何(he)形狀變化⛹🏻♀️對流✂️動(dong)情😄況的影響,還可(kě)以直接推✏️廣到噴(pen)嘴、文丘🈲裏管等節(jiē)流差壓式流量計(jì)的分析。
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