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關鍵因素對內外管壓差流量計壓損的影響

為提高對內外管壓差流量計壓力損失的認識,為流量計的優化設計提供一個重要基礎,進行了關鍵因素對內外管壓差流量計壓損影響的 Fluent 仿真試驗研究。 定義了內外管壓差流量計的等效直徑比。 在水為介質的情況下,設計了不同參數(等效直徑比、異徑比、雷諾數)下共計 20 組模型,從壓損和壓損比 2 個角度進行分析對比。

0.引言

內外管差壓流量計是一種新型差壓式流量計。

該流量計設計的取壓位置為管的同一截面上,消除了節流件前后摩阻壓降對壓差信號的影響,相同的流量下, 獲得的壓差信號較傳統的壓差流量計大,提高了信號的靈敏度, 其節流方式較傳統流量計對流體的擾動減小, 提高了壓差信號的穩定性;在相同的壓差信號下,其壓力損失比內錐式流量計要小很多,符合作為煤層氣測量的要求。 但是,目前對影響內外管壓差流量計壓力損失的具體因素研究較少,而研究關鍵因素對該流量壓損的影響有助于該流量計優化設計,為其設計提供一定的指導意義。

1.基本結構及理論

(1)基本結構

內外管壓差流量計結構如圖 1 所示,流量計以道軸線定位安裝, 主體結構由前直管段 (大徑d1)、梯形段、后直管段(小徑 d2)組成,外取壓口在管道壁上取流道 2 的壓力,內取壓口在支架中空取流道 1 的壓力,內外取壓口為前直管段同一截面的中分水平面兩側; 前取壓口在距流量計前端面 2D(D為管道直徑)的管道壁面上,后取壓口距流量計后端面 1D。 前后取壓口壓差是本文要研究的壓力損失。

取下來1.jpg

(2)理論基礎

與其他類型的壓差式流量計相同,內外管壓差量計的工作原理同樣是基于流體連續方程和伯努利方程。

 

對于不可壓縮流體,體積流量為

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關鍵因素對內外管壓差流量計壓損的影響式中 C—流出系數;K1、K2—流道 1 和流道 2 的壓縮比;

 

A—管道的截面積。

 

(3)影響壓損的關鍵因素根據內外管壓差流量計的結構分析,忽略沿程壓損,前后直管段長度適當取值;流量計形狀參數中, 梯形段傾角 θ 取流體與壁面即將分離的角度時壓損***小,取 θ=7°。 為了消除大徑、小徑的具體數值對該流量計壓損的影響,本文選用異徑比 k 和等效直徑比 β 進行試驗研究。 定義異徑比為小徑與大徑之比,類比于孔板流量計和 V 錐流量計,定義內外管壓差流量計的等效直徑比 β 為通流面積

 

取下來3.jpg

雷諾數是影響液壓元件壓損的一個重要因素,本文從異徑比、等效直徑比和雷諾數 3 個方面研究對內外管壓差流量計的影響。

2.流量計的流場仿真

為方便參數化建模,本文采用 UG 進行三維實體建模,然后導入 Fluent 進行仿真。 建模中管道內徑為 DN20 的標準直徑 準27.2 mm,流體采用常溫水。

(1)建立模型

為了得出異徑比和等效直徑比 β 與壓損之間的關系, 在雷諾數 Re 相同的情況下, 分別取 β =0.9,0.85,0.8,0.7 四組;在 4 組等效直徑比下分別取k=0.3,0.4,0.5,0.6 建立模型,共 16 組。

為了解雷諾數 Re 與壓損的關系,在相同等效直徑比下,建立 4 組不同雷諾數模型,進行比較分析。

由于所建模型較多,采用 UG 參數化建模,縮短三維建模時間。 建立三維模型后,導入 Fluent 進行網格劃分,本文中模型采用非結構四面體網格劃分,3 為 β=0.8,k=0.5 的網格劃分結果,有 9 521 個節,44 115 個單元。

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(2)仿真設定與數據提取

本文所涉及的流動均為湍流流動,選擇 RNG k-ε 湍流模型,亞松弛因子采用默認值,殘差收斂精度設為 1E-6。參數控制器設置中,壓力選擇 2 階,其他為默認值。 以進口速度進行初始化,進口速度設置中,選用湍流強度和水力直徑進行設置,水力直徑為管道直徑,湍流強度數據提取:前取壓點為流量計前 2D 中心,后取壓點為流量計后 1D,內外取壓點分別為流量計前直管段中段的內外側。

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3.仿真結果及數據分析

對于壓差式流量計,壓損一般分為壓損和相對壓損。 壓損是指流體由平穩流動流經流量計節流件后產生壓差,再到平穩流動,在這個過程中因節流件產生的壓力損失,本文的壓損為前后壓差值;相對壓損是指壓損與壓差信號之比,本文定義壓損比 σ 為內外管壓差流量計的相對壓損

從表 1 中可以看到,在相同雷諾數、相同等效直徑比、不同異徑比的情況下,內外管壓差流量計的壓損值變化很小,***多不超過 4%;而相同雷諾數、不同等效直徑比,該流量計的壓損值變化很大,隨著等效直徑比的減小而增大;從表 2 中可以看出相同雷諾數、相同異徑比下,壓損比隨著等效直徑比的減小而增大;從表 3 中可以得到在相同等效直徑比、相同異徑比下,壓損值和信號值都隨著雷諾數的增大而增大,且其增大的倍數約等于雷諾數增大倍數的二次方,但是壓損比并沒有隨雷諾數增大而有明顯變化。

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4.結語

本文定義了內外管壓差流量計的異徑比、等效直徑比,并通過 Fluent 對影響內外管壓差流量計的等效直徑比和雷諾數分別作了仿真,結論如下:在一定范圍內,相同雷諾數、相同等效直徑比下,異徑比對內外管壓差流量計的壓損影響很小;內外管壓差流量計的壓損不僅與等效直徑比有關,而且與雷諾數有關,當雷諾數相同時,壓損隨著等效直徑比的減小而增大,當等效直徑比相同時,隨著雷諾數增大而增大,壓損值增大倍數約為雷諾數增大倍數的二次方;內外管壓差流量計的壓損比與雷諾數無關,它隨等效直徑比的減小而增大。

 

 

 

 

 

 

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