摘要:針(zhen)對速度(du)分布的(de)不對稱(chēng)性對均(jun)速管流(liú)量計 測(cè)量精度(du)影響的(de)問題，利(li)用計算(suan)流體力(li)學(CFD)軟件(jian)，對均速(su)管流量(liang)計的内(nei)部流場(chǎng)進行了(le)3D數值模(mo)拟。采用(yong)有限體(ti)積法，引(yin)人标準(zhun)k-ensilon湍流模(mo)型對控(kòng)制方程(chéng)進行離(lí)散和求(qiu)解，得出(chu)了均速(su)管流量(liang)計在🆚彎(wan)管後不(bú)同直管(guan)段位置(zhì)和不同(tong)流速條(tiáo)件下的(de)流場🎯動(dòng)力學參(cān)數;利用(yong)得到☎️的(de)差壓模(mó)拟數據(ju)計算得(dé)出流量(liàng)系數，并(bing)對測量(liang)精度進(jìn)行了分(fèn)析。
引言(yán)
　　均速管(guan)流量計(ji)是基于(yu)皮托管(guan)流量計(jì)發展起(qǐ)來的一(yī)種💯新型(xíng) 差壓式(shì)流量計(ji) ，其目的(de)是爲了(le)克服皮(pí)托管流(liú)量計因(yīn)單點取(qǔ)樣而♊對(dui)管内✔️速(su)度分布(bù)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(bì)處的多(duo)點取壓(ya)方法，均(jun)速管流(liú)量計可(kě)以應用(yòng)于非對(duì)稱性流(liú)速分布(bu)管段的(de)流量測(cè)量，适用(yong)範圍更(geng)大，測量(liang)精度也(yě)有所提(ti)高。因其(qi)結構簡(jian)單，安裝(zhuāng)方便，價(jià)格低和(hé)節能的(de)優點，現(xian)已被廣(guǎng)泛的應(ying)用于冶(ye)金、石化(hua)等工業(ye)計量中(zhong)。
 
　　圖2所示(shi)爲均速(sù)管流最(zuì)計檢測(cè)杆的橫(héng)截面，其(qí)均壓原(yuan)理是湧(yǒng)過分布(bù)幹管壁(bì)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(yā)腔，迎流(liú)面取壓(ya)孔.引人(rén)高壓(沖(chong)壓)，側面(mian)取壓孔(kong)引入低(di)壓(靜壓(ya))，引入的(de)各點壓(yā)強在均(jun1)壓腔内(nèi)平均後(hòu)被引壓(yā)管引出(chū)。
 
　　均速管(guan)流量計(ji)測量原(yuan)理遵循(xun)伯努利(lì)方程，設(she)均速管(guan)流量計(jì)✌️檢測杆(gan)迎流取(qǔ)壓孔處(chu)速度爲(wei)U,(m/s)，壓力爲(wèi)P1(Pa)，檢㊙️測杆(gan)側流取(qǔ)壓孔.處(chu)🔞的流速(sù)爲U2(m/s)，壓力(li)爲P2(Pa)，忽略(lue)摩擦阻(zǔ)力，流體(ti)高度差(cha)💃等因素(su)，可得到(dao)🏃🏻‍♂️:
 
　　其中流(liú)量系數(shù)K由多種(zhǒng)因素共(gòng)同影響(xiang)，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(shù)和管道(dao)安裝幹(gàn)擾系數(shù)三部分(fen)的乘🛀🏻積(ji)4。其中速(sù)度系數(shu)可看作(zuò)流量計(jì)㊙️在均勻(yún)流場中(zhōng)流速與(yǔ)輸出差(chà)壓之間(jian)關系的(de)修正;速(su)度分布(bu)系🍓數是(shì)管道内(nèi)處幹充(chōng)分發展(zhan)流✍️動時(shi)流速分(fèn)布對平(píng)均速🔞度(du)測量影(yǐng)響💔的修(xiū)正;系數(shu)則是現(xian)場安㊙️裝(zhuāng)條件對(duì)流量測(ce)量影響(xiang)的修正(zheng)1。流量📧系(xì)數K的準(zhǔn)确與否(fǒu)會直接(jie)影響流(liu)最測量(liàng)的精度(dù)。工程💋應(ying)用時都(dōu)是通過(guo)實驗标(biao)定作爲(wei)固✊定值(zhí)應用于(yu)實際測(ce)量。
　　均速(sù)管流量(liang)計取樣(yàng)具有實(shi)際意義(yi)的前提(tí)是管道(dào)内的🍉速(sù)度分布(bu)是對稱(chēng)穩定的(de)充分發(fā)展湍流(liú)，各個取(qu)壓🏃‍♀️孔的(de)速度算(suan)數平均(jun1)值近似(si)等于管(guǎn)道截面(miàn)的平均(jun1)速度"，這(zhè)是插入(rù)式均速(sù)流量計(ji)的測量(liàng)精度取(qǔ)決于管(guan)道内流(liu)速分布(bu)的特點(dian)。--般而言(yán)，完全對(duì)稱的速(sù)度分布(bu)是最理(lǐ)想的，但(dan)在應用(yòng)過程中(zhōng)受實際(ji)情🐆況的(de)限制，并(bìng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻不🛀能保(bao)證有足(zú)夠長的(de)直管段(duan)使流動(dòng)達到充(chōng)分發展(zhǎn)，在現場(chang)直管段(duan)長度較(jiao)短、上遊(you)又有彎(wan)管阻件(jian)導緻流(liú)速分布(bù)複雜時(shí)，測量誤(wù)差會較(jiào)大。
　　爲了(le)更深人(rén)地了解(jie)管内流(liu)速分布(bu)特點對(duì)流量系(xi)數㊙️的影(yǐng)響，本⛹🏻‍♀️文(wén)對處幹(gàn)彎管後(hou)不同直(zhi)管段位(wei)置和不(bu)同🌂流速(su)條件下(xià)的均速(su)流量計(ji)内部流(liu)場進行(háng)了數值(zhí)模拟，并(bìng)分⭐析了(le)管🙇‍♀️内速(sù)度分布(bù)對均速(sù)管流量(liang)計的測(ce)量精度(dù)的影響(xiang)。
1.數值模(mó)拟
1.1物理(lǐ)模型和(he)數值方(fāng)法
　　計算(suàn)洗擇檢(jiǎn)測杆有(yǒu)效長度(du)爲200mm的彈(dan)頭狀威(wei)力巴均(jun1)速管流(liú)量計爲(wèi)物理模(mó)型;垂直(zhi)于管道(dao)中心線(xian)、彎管平(ping)面插入(ru);三對🍓取(qu)壓孔按(an)照切比(bǐ)雪夫法(fǎ)分布[6l;陽(yang)塞比爲(wèi)8.9%，可忽略(luè)檢測杆(gan)對💔管道(dao)内流速(su)的影響(xiang);工作介(jiè)質爲常(chang)溫空氣(qì)，密度爲(wei)1.225ke/m3，運動黏(nián)🈲度爲1.7894x10-5;彎(wan)管前直(zhí)管段L0=20D，彎(wān)管後直(zhí)管段長(zhang)度L1=4D~11D，均速(su)🌍管流量(liang)計後直(zhí)管段長(zhǎng)度爲L2=5D,圖(tú)3所示爲(wei)計算域(yu)彎管平(píng)面示意(yì)圖，流速(su)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(ruan)件ICEM對計(jì)算區域(yù)進行網(wǎng)格劃分(fen)，采用🛀非(fēi)❗均勻網(wǎng)♊格，并對(duì)網格進(jin)行優化(huà)，檢測杆(gǎn)内部空(kong)腔🐅采用(yong)較密集(ji)的㊙️網格(gé)，最小🚶‍♀️網(wang)格尺寸(cun)爲0.2mm，對靠(kao)近流量(liang)計的一(yī)-段管道(dào)進行加(jiā)密最小(xiao)網格尺(chi)寸爲1mm，以(yǐ)保證數(shu)值模拟(nǐ)的精度(du)圖4是整(zheng)個流場(chang)的三維(wéi)仿真模(mó)型示意(yì)圖。
 
　　用Fluent流(liu)體力學(xué)軟件進(jin)行數值(zhí)模拟，用(yong)有限體(ti)積法對(dui)控制方(fāng)程進行(hang)離散，模(mó)型選用(yòng)标準k-eDsilon湍(tuan)流模型(xing)，近壁區(qū)采用标(biao)❗準壁面(mian)函數法(fǎ)，入口條(tiao)件采用(yòng)Velocitv-inlet，出口條(tiáo)件采用(yong)Pressure-outlet。
1.2控制方(fang)程和湍(tuan)流模型(xíng)
　　求解各(gè)個算例(li)的的流(liu)體動力(li)學特性(xìng)可以用(yong)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(xin)速度，r是(shi)管道内(nei)部任意(yì).點距離(li)管中心(xin)的距離(li)，R是管道(dào)半徑，指(zhi)數n與雷(lei)諾數Re有(you)關。
1.4仿真(zhen)結果和(he)讨論
　　在(zai)不同直(zhi)管段位(wei)置和不(bu)同流速(sù)的條件(jiàn)下，引用(yòng)标準k-ε模(mo)型，模拟(nǐ)得出了(le)均速管(guan)流量計(jì)附近的(de)速度場(chang)🏒和壓力(lì)場。
　　圖5所(suǒ)示是入(rù)口流速(su)爲15m/s的條(tiáo)件下，直(zhí)管段内(nei)充分發(fā)㊙️展🆚的湍(tuan)💰流💜(L0=0，無彎(wan)管附件(jian)，L;=20D，L2=5D)的模拟(nǐ)結果。由(yóu)速度雲(yun)圖(圖5a)看(kàn)出⭐，在流(liú)量計迎(yíng)流🔴面上(shang):沒有開(kai)孔.的位(wei)置，流速(su)驟然下(xia)降并接(jie)近幹零(líng)，在取壓(yā)孔處的(de)速度雖(sui)然有所(suǒ)下降，但(dan)并不爲(wei)零。根據(jù)充分發(fā)展湍流(liu)的速度(du)分布可(ke)知，管中(zhong)心🛀🏻處的(de)速度最(zui)🐇大，檢測(cè)杆上半(bàn)部的三(sān)個取壓(ya)孔的速(su)度分别(bie)爲6.411m/s、2.536m/s、-5.653m/s,提示(shì)總壓腔(qiang)内的流(liu)體不是(shi)靜止的(de)，流🐅體從(cóng)中心附(fù)近的兩(liǎng)個取壓(yā)口流人(rén)，從近🌏壁(bì)處的取(qu)壓刊.流(liú)出。檢測(ce)杆下半(ban)部的✌️三(sān)個取壓(yā)孔♻️的流(liu)速分别(bié)爲6.497m/s、2.416m/s、-5.624m/s，與上(shàng):半部分(fen)基本對(duì)稱。壓力(lì)雲圖(圖(tú)5b)則顯示(shì)了檢測(cè)杆内部(bù)壓力的(de)差異。壓(ya)腔内的(de)壓力是(shi)由取壓(ya)孔🏃‍♀️引人(ren)的壓力(lì)平均之(zhi)後得到(dào)的結果(guo)，總👣壓腔(qiāng)是正高(gao)壓，爲184.233Pa，靜(jìng)壓腔是(shi)負低壓(yā)，爲-55.394Pa。
 
　　圖6給(gei)出了直(zhí)管段充(chong)分發展(zhǎn)湍流條(tiáo)件下，均(jun1)速管流(liu)👣量計前(qian)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(xia)的湍流(liu)流形是(shi)對稱的(de)、均勻的(de)。
 
　　對幹受(shou)彎管影(yǐng)響的湍(tuan)流(Lo=20D，有彎(wan)管附件(jiàn)，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(kan)出速度(dù)分布明(míng)🆚顯不對(dui)稱。靠近(jin)管中心(xin)的取壓(yā)孔附近(jìn)的流速(su)分别爲(wei)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(wei)-1.123m/s、-1.339m/s;由📐取壓(yā)孔引入(rù)的壓力(lì)也出現(xian)了較大(da)變化，總(zong)壓腔内(nei)壓強爲(wei)172.492Pa，靜壓腔(qiang)爲--44.958Pa。雲圖(tú)也展示(shì)了速度(du)和壓強(qiáng)❗的等值(zhí)區域受(shòu)彎管影(ying)響而産(chǎn)生的變(biàn)化。
 
　　處幹(gàn)彎管後(hòu)的均速(sù)管流量(liang)計前0.25D處(chu)縱軸截(jie)面上的(de)速🈲度分(fèn)布如圖(tú)8所示。縱(zòng)坐标爲(wei)縱軸截(jie)面徑向(xiàng)t點的位(wei)置，橫坐(zuò)标爲各(gè)點的速(sù)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(zhì)時測量(liang)的流體(tǐ)的速度(du)分布。可(kě)以很明(míng)顯看✊出(chū)在彎管(guan)下遊有(you)很長一(yi)段範圍(wei)内，速度(du)分🛀🏻布是(shì)中間低(di)，兩側高(gao)，中間的(de)速度逐(zhu)步增大(da)，到11D處仍(réng)然👄是外(wai)側的速(su)度大于(yu)内側的(de)速度，之(zhi)後再繼(jì)續🌈發展(zhǎn)。
 
　　表1列出(chū)的是根(gen)據模拟(ni)的差壓(yā)數據計(jì)算得到(dao)的均速(sù)管流量(liang)計🔞的流(liú)量系數(shù)K。可以看(kan)出，處幹(gan)彎管後(hou)的均速(sù)管流量(liàng)計測得(dé)的流量(liàng)系數與(yǔ)對稱分(fèn)布的充(chōng)㊙️分發展(zhǎn)湍流下(xià)得到的(de)流量系(xi)數存在(zai)🔱一-定的(de)偏差，表(biǎo)明管内(nèi)速度分(fèn)布的不(bu)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(tong)流速條(tiao)件下，檢(jiǎn)測杆位(wèi)于彎管(guan)後4D~11D距離(lí)時的流(liú)最系數(shù)的模拟(ni)結果。可(kě)以發現(xiàn)，有彎管(guǎn)影響時(shi)的流量(liang)系數均(jun)✍️高于充(chōng)分發展(zhan)湍流情(qing)形下的(de)值，這🧡是(shi)速度分(fèn)布的不(bú)對稱性(xìng)導緻的(de)結果。因(yin)此，在均(jun1)速管流(liú)量計的(de)應用上(shàng)，當測量(liang)位置處(chù)于彎📧管(guan)後一定(ding)的距離(lí)内，應對(dui)流量系(xì)數進行(háng)修正，否(fou)則導緻(zhi)測量🤞結(jié)果的偏(piān)差。
 
2結語(yu)
　　本文對(duì)彎管後(hòu)不同直(zhí)管段位(wei)置和不(bú)同流速(sù)下的均(jun)速管流(liú)量計的(de)流場進(jin)行了三(san)維數值(zhí)模拟，模(mo)拟得出(chū)‼️了不同(tong)情況下(xia)檢測杆(gan)内部的(de)流動情(qing)況和管(guan)内速度(du)⭕分布的(de)不對稱(cheng)性對均(jun)速管流(liu)量計測(cè)量的影(ying)響。得出(chū)了以下(xia)結論:
1)均(jun)速管流(liu)量計垂(chuí)直安裝(zhuang)幹彎管(guǎn)平面後(hou),在彎管(guan)後🈲4D~11D這段(duàn)距離内(nèi)，檢測杆(gan)前縱軸(zhou)截面上(shàng)的速度(dù)呈現出(chu)“中間低(dī)，兩邊高(gao)”的規☀️律(lǜ)。
2)彎管引(yin)起的管(guan)内速度(dù)分布的(de)不對稱(chēng)性對流(liú)量測量(liang)精度的(de)影💘響大(da)，建議對(duì)彎管後(hòu)11D内安裝(zhuāng)的流量(liang)計進行(háng)🤟流量🔴系(xi)數♍修正(zheng)。

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