新型插入式雙 V 型流量計優化設計及數值模擬

基于插入式流量計差壓原理與安裝方式，設計了一種新型插入式雙 V 型流量計。在不同的流速條件下，對400mm 口徑管道新型流量計進行數值模擬。引用 k-ε 湍流模型及 SIMPLIC 算法進行計算，得到了流量系數隨速度的變化規律。以威力巴流量計作為參照對象進行同等條件下的數值模擬，將二者特性進行對比分析。結果表明：新型插入式雙V 型流量計集合了威力巴流量計與文丘里管的優勢，大幅度提升了輸出壓差，壓損比較威力巴降低了 7.7%，擴大了低速穩定范圍，其性能更優。

1引言

隨著現代化進程的日益加快,大口徑流體管道在工業上應用已十分普遍。目前測量大口徑管道流量的儀表主要有電磁流量計、超聲流量計和插入式流量計[1]。插入式流量計通過測量管道中一點或幾點的流速來反映整個管道的流量。具有結構簡單、制造成本低、壓損小及維修方便等優點,尤其適合于大管道流量的測量。

威力巴是典型的徑流速計型插入式流量計,采用差壓式測量原理,檢測桿截面形狀為彈頭形,其取壓點的分布特點能形成穩定的差壓信號,且防堵性較好,它的主要缺點是輸出壓差值較低,當相對流量較小時,流量系數的分散性大,故測量精度低。

文丘里管是節流式差壓流量計,其特點是在相同的工況下,可較徑流速計獲得更大的差壓。

近年來,文丘里管在測量大管徑、中低壓,低流速的各類氣體流量中得到廣泛應用,收到了良好的效果,但用于大管道流量測量時體積龐大,安裝成本較高。將威力巴流量計與文丘里管的特點相結合,創新設計了插入式雙V型流量計,通過獨特的斷面結構設計,既保留插入式流量計的優點,又要集合文丘里管的“擴壓”效應,同時運用CFD數值模擬優化設計,使該流量計具有輸出壓差大,壓損低，量程范圍寬，測量精度高等特點。

2.流量計的結構原理

設計的新型插入式雙 V 型流量計主要由傳感器、差壓變送器及流體管道等組成，結構原理，如圖 1 所示。在檢測桿 5 上按契比雪夫法安裝數對文丘里管 6，文丘里管由收縮段、喉部和擴散段組成[4-6]。當流體流過傳感器 4 時，在其前部迎流方向形成高壓分布區，在其側后部則形成低壓分布區，這樣在傳感器前后便產生了壓差。由于文丘里管收縮段的作用，在其喉部能產生一個更低的穩定壓力，故能產生更大的輸出壓差。流體流速（流量）越大，產生的壓差越大，故可用壓差來測量流量。在每對文丘里管所在橫截面的檢測桿前端布有高壓取壓孔 p1，在喉部布有低壓取壓孔p2，分別測量流體的總壓 Pl 和靜壓 P2，將 P1、P2 分別引入差壓變送器，測量出壓差 P=P1-P2，由于多點截面式取壓， P 反映了流體平均速度的大小，因此可準確地推算出流體的流量。

根據連續性方程和伯努利方程推導出新型流量計的流量計算公式為：

式中：qV—體積流量，m3/s；qm—質量流量，kg/s；α—流量系數；ε—

可膨脹性系數； P—輸出差壓，Pa；ρ—流體密度，kg/m3。

流量系數 α 主要取決于傳感器截面形狀及尺寸，在一定安裝條件下給定的節流裝置，α 值僅與雷諾數有關，皆由實驗方法確定。從上式可以看出，α 值一定，可根據壓差求得流量。

3.數值模擬與分析

3.1 插入式雙 V 型流量計的數值模擬與分析

插入式雙 V 型流量計的截面形狀，如圖 1 所示。在 Gambit中建模時進行簡化，模擬的管道內徑 DN400；為保證充分發展管流，取流量計前 10D 至流量計后 6D 為計算域；計算域網格劃分采用分塊結構化與非結構化相結合的網格，并對流量計周圍網格進行加密以提高計算精度[7]，局部網格結構，如圖 2 所示。選擇適合本例計算的 RNG k-ε 兩方程湍流模型及 SIMPLEC 算法，入口邊界條件為 velocity-inlet、出口邊界條件為 outflow、其余邊界為壁面 wall，離散方法采用二階迎風格式，流速 v 分別取 0.5m/s、0.8m/s、3m/s、5m/s、7m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s；用空氣速度入口的初始值對整個流場進行初始化，以殘差小于 10-5 為收斂標準進行計算。

在數值模擬過程中選擇了三組不同截面尺寸的模型進行仿

真對比分析，選擇相對理想的模型后進一步優化其結構尺寸，***終確定了一種***優模型。通過模擬得到各速度點下流場內的基本物理量及其隨時間的變化特性。v=15m/s 的檢測桿附近的壓力和速度分布云圖，如圖 3、圖 4 所示。

從圖 4 中可以看出，流體流過檢測桿時，在檢測桿前端形成高壓區，速度***小（近似為 0）；經過文丘里管的收縮，至喉部時壓力降至較低，速度***大；經過擴散段時，壓力逐漸恢復，速度逐漸下降。在檢測桿高、低壓取壓孔取得總壓和靜壓后得到壓差 P，計算求得流量系數 α，繪制流量系數隨速度的變化曲線，如圖 5 所示。從圖 5 中

看出，在低速時流量系數隨著速度（即雷諾數）的增加而減小，當 v≥3m/s 時，流量系數相對穩定，變化很小，在 v=（3~30）m/s 的范圍內平均流量系數 α=0.5396，相對誤差在±1.0%以內。所以流量系數在較寬的雷諾數范圍（10：1）是穩定的，測量精度比較高。

3.2 威力巴流量計的數值模擬與分析

對威力巴流量計進行與插入式雙 V 型流量計同等條件下的數值模擬，取壓點的設置位置同 2.1。模擬計算后得到檢測桿附近的壓力和速度分布云圖，如圖 6、圖 7 所示。

從圖 7 中可以看出，流體流過檢測桿時，在其前端形成高壓區，速度較低，在側后部形成低壓區，速度較大。計算后得到流量系數隨速度的變化規律，如圖 8 所示。從圖 8 中看出，流量系數在低速時比較分散，隨著流速的增加而增大，當流速 v≥7m/s 時流量系數相對穩定，穩定的流量系數 α=0.6962。與此相比較，插入式雙 V 型流量計的低速穩定范圍擴大到 v=3m/s，經過計算其輸出壓差較威力巴平均增加了 71%，因此擴大了低速測量范圍，提高了測量的靈敏度和精度。

儀表的精度和能耗是儀表選型時的兩個重要指標，對于插入式流量計來說，在一定的流量下，輸出差壓信號越強，由節流件引起的壓力損失越小，其性能越優。壓力損失（簡稱壓損）和壓損比就是衡量流量計結構優化時的一個標準。分別取出檢測桿前 1D 和后 6D 處的平均壓力 P3 和 P4[12]，計算壓損  PS=P3-P4。兩種模型所引起的壓損，如圖 9 所示。壓損比，如圖 10所示。

從圖 9 中可以看出，隨著流速的增加，壓損逐漸增大，插入式雙 V 型流量計的壓損較威力巴流量計有所增加，但增幅不大。這點從壓損比的計算結果也可以看出，如圖 10 所示。壓損比隨著

速度的增大而減小，***終趨于一穩定值。雙 V 型流量計的壓損比較威力巴降低了 7.7%，而且在低速的范圍更平直一些，說明雙 V型流量計穩定性更好。

4  .結論

（1）新型插入式雙 V 型流量計集合了威力巴流量計與文丘里管二者的優勢，大幅度提升了輸出壓差，相較威力巴平均增加了 71%；（2）新型插入式流量計在流速 v=（3~30）m/s 時，其流量系數基本穩定在 α=0.5396 左右，相較威力巴擴大了流量（流速）的測量范圍，量程比為 10：1；（3）隨著流速的增加，由新型流量計引起的壓損較威力巴有所增加，但卻大幅度提升了輸出壓差。新型流量計的壓損比相較威力巴降低了 7.7%，并且擴大了低速穩定范圍，其性能更優，適合于大管道流量測量，具有很大的工程應用前景。