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            V錐流量計的壓差及壓損研究

            2019-01-23 14:46:46

            摘要:文中主要介紹了V型內錐式差壓流量計的優點及工作原理?;赗NGk—s湍流模型,在介質為水、溫度為常溫、管徑為50 mm,盧,為0.65的奈件下,通過流量計量公式計算流體的壓差及壓力損失。通過分析實驗數據得出V型內錐式流量計具有優勢的結論。

            0引言

            V型內錐式流量計在20世紀80年代由美國麥克羅米特(Mc Crometer)公司提出并研制,由于其內部的節流部件呈圓錐形,英文名稱為V-Cone Flowmeter,引入國內后被稱為內錐式流量計。國內將內錐式流量計用于氣固、氣液兩相流體流量的測量,同樣取得了較好的效果。

            內錐式流量計與孔板式流量計同屬于差壓式流量計。長期以來,標準孔板由于其具有發展技術成熟、標準化程度高、結構簡單等特點,在過熱蒸汽流量計量中得到非常廣泛的應用。因此,國內現有的流量計基本都是孔板式流量計。然而,孔板流量計存在著一些固有的缺陷,如流出系數不穩定、線性差、重復性不高、準確度受客觀因素制約而無法達到設計要求、量程比小、壓損大等。在電力、鋼鐵、石化、化工、有色、建材、輕工、紡織和石油、天然氣等高耗能行業中,孔板流量計仍被廣泛使用,約占所使用流量計總數的70%~80%。

            國內外大量的試驗已經充分證明V型內錐式流量計能較好地滿足以下流量計選型的基本要求:重復性好;系統準確度高;有相當強的流動調整能力,要求較短的直管段,無需流動調整器;永久壓力損失小,耗能費少;流量測量的量程比較寬;有自清掃能力,可測量臟污流體,無需過濾器;耐受流體腐蝕能力強,性能長期穩定,可靠耐用;無可動部件,檢定周期長,使用壽命長;故障率小,維護與修理費用低;流量計的購置費與校準費適中,安裝與運行花費少。

            1測量原理

            V型內錐式裝置包括一個在測量管中同軸安裝的尖圓錐體和一個相應的取壓口,當流體以較高流速流經錐體時,速度會增加,而相應壓強會隨之減小并產生壓差,通過壓力變送器測出流體流經錐體時產生的壓差。對于內錐流量計來說,其高壓取壓位置在錐體前上游管壁處,低壓取壓位置在錐體的尾部2。由于V型內錐式流量計仍屬于節流式差壓流量計,因此它們具有相同的工作原理,基于流動連續性原理和伯努利方程來計算流體工況流量,即介質通過節流件時流速增加產生壓差,也就是說在流量恒定的管段中,其流體的壓力與該管段中流體流速的平方成反比。其流量計算公式[3]如下:

            image.png

            式中q。為流體的體積流量,m3/s;c為流出系數;s為被測流體的可膨脹系數,對于液體,e=1,對于氣體或可壓縮流體,e<1;d為工況下錐體最大橫截面的圓直徑,m;Ap為節流件處的壓差,Pa;p為被測流體的密度,kg/m3;B。為等效直徑比。

            image.png

            式中D為工況下測量管的內徑,m.

            2RNGk-e仿真試驗

            計算得出雷諾數遠大于2320,因此流體為湍流,選擇湍流模型。

            2.1幾何結構與網格分析

            為了保持V型內錐式流量計性能研究的一致性與連貫性,選擇等效直徑比B。為0.65、前錐角y為45°、后錐角0為130°的錐體,在建立模型時可以采用二維或三維,由于介質為水,并且是對稱的,所以選擇二維模型4]。二維模型的特點:對模型進行軸對稱處理,可以省略L形立柱;采用結構化的四邊形網格,降低了網格的數目,加快求解速度;在靠近錐體核心部分網格最密,靠近管道兩端網格逐漸稀疏。

            2.2邊界條件

            由于仿真介質為水,實驗過程中常溫常壓恒定,因此可忽略密度變化的影響。將入口條件設為入口速度,出口條件設為出口速度,方向為軸向,湍動能k和湍動耗散率s與管徑、人口速度相關。

            湍動能求解公式為

            image.png

            式中:u為平均速度;1為湍流強度,即流速與平均流速的比值。

            湍動耗散率的求解公式為

            image.png

            式中:l為湍流長度尺寸;L為管道物理尺寸。

            通過CFD數值模擬實驗[],基于RNGk-e仿真試驗,能夠反映主流的時均變化率,更好地處理高應變率和流線彎曲度較大的流動,有較好的預測性,同時在近壁面區域采用標準壁面函數法進行處理。利用有限體積法實現控制方程的離散化,采用以壓力為基本求解變量的求解方法,即SIMPLE算法。為了更好地比較內錐流量計和孔板流量計的壓力損失,使二者

            有相同的等效流通面積。選擇水為介質,溫度為常溫,管道內徑為50mm,等效直徑比B。取0.65,通過控制水的流速,求出水流經兩種不同流量計時的壓差以及通過壓力損失系數K求出壓差[0],如表1所示。

            image.png

            3數據分析

            由表1中壓差數據可以清晰地看出,當流體B。相同時,相同的介質流經同一管道時,除個別數據外,孔板式流量計產生的壓力損失大于V型內錐式流量計產生的壓力損失,這樣壓力損失會使能量耗損增加,因此內錐式流量計會有長足的發展。

            4結束語

            從以上的數據分析以及計算可以看出,在有效流通面積相同的情況下,除個別數據外,內錐式流量計的壓力損失要比孔板式流量計小。V型內錐式流量計在節能及特殊環境條件下計量準確,值得大力推廣使用。盡管其在標準化程度上不如孔板式流量計,但其在流量測量領域里會得到廣泛的應用。



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