為提高對內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓力損失的認(rèn)識，為流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一個重要基礎(chǔ)，進(jìn)行了關(guān)鍵因素對內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓損影響的 Fluent 仿真試驗(yàn)研究。 定義了內(nèi)外管壓差流量計(jì)的等效直徑比。 在水為介質(zhì)的情況下，設(shè)計(jì)了不同參數(shù)（等效直徑比、異徑比、雷諾數(shù)）下共計(jì) 20 組模型，從壓損和壓損比 2 個角度進(jìn)行分析對比。

0.引言

內(nèi)外管差壓流量計(jì)是一種新型差壓式流量計(jì)。

該流量計(jì)設(shè)計(jì)的取壓位置為管的同一截面上，消除了節(jié)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(tǒng)的壓差流量計(jì)大，提高了信號的靈敏度， 其節(jié)流方式較傳統(tǒng)流量計(jì)對流體的擾動減小， 提高了壓差信號的穩(wěn)定性；在相同的壓差信號下，其壓力損失比內(nèi)錐式流量計(jì)要小很多，符合作為煤層氣測量的要求。 但是，目前對影響內(nèi)外管壓差流量計(jì)壓力損失的具體因素研究較少，而研究關(guān)鍵因素對該流量壓損的影響有助于該流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為其設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。

1.基本結(jié)構(gòu)及理論

（1）基本結(jié)構(gòu)

內(nèi)外管壓差流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，流量計(jì)以道軸線定位安裝， 主體結(jié)構(gòu)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(nèi)取壓口在支架中空取流道 1 的壓力，內(nèi)外取壓口為前直管段同一截面的中分水平面兩側(cè)； 前取壓口在距流量計(jì)前端面 2D（D為管道直徑）的管道壁面上，后取壓口距流量計(jì)后端面 1D。 前后取壓口壓差是本文要研究的壓力損失。

（2）理論基礎(chǔ)

與其他類型的壓差式流量計(jì)相同，內(nèi)外管壓差量計(jì)的工作原理同樣是基于流體連續(xù)方程和伯努利方程。

對于不可壓縮流體，體積流量為

式中 C—流出系數(shù)；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(guān)鍵因素根據(jù)內(nèi)外管壓差流量計(jì)的結(jié)構(gòu)分析，忽略沿程壓損，前后直管段長度適當(dāng)取值；流量計(jì)形狀參數(shù)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(shù)值對該流量計(jì)壓損的影響，本文選用異徑比 k 和等效直徑比 β 進(jìn)行試驗(yàn)研究。 定義異徑比為小徑與大徑之比，類比于孔板流量計(jì)和 V 錐流量計(jì)，定義內(nèi)外管壓差流量計(jì)的等效直徑比 β 為通流面積

雷諾數(shù)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(shù) 3 個方面研究對內(nèi)外管壓差流量計(jì)的影響。

2.流量計(jì)的流場仿真

為方便參數(shù)化建模，本文采用 UG 進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后導(dǎo)入 Fluent 進(jìn)行仿真。 建模中管道內(nèi)徑為 DN20 的標(biāo)準(zhǔn)直徑 準(zhǔn)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(guān)系， 在雷諾數(shù) 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(shù) Re 與壓損的關(guān)系，在相同等效直徑比下，建立 4 組不同雷諾數(shù)模型，進(jìn)行比較分析。

由于所建模型較多，采用 UG 參數(shù)化建模，縮短三維建模時間。 建立三維模型后，導(dǎo)入 Fluent 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文中模型采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，3 為 β=0.8，k=0.5 的網(wǎng)格劃分結(jié)果，有 9 521 個節(jié)，44 115 個單元。

（2）仿真設(shè)定與數(shù)據(jù)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(rèn)值，殘差收斂精度設(shè)為 1E-6。參數(shù)控制器設(shè)置中，壓力選擇 2 階，其他為默認(rèn)值。 以進(jìn)口速度進(jìn)行初始化，進(jìn)口速度設(shè)置中，選用湍流強(qiáng)度和水力直徑進(jìn)行設(shè)置，水力直徑為管道直徑，湍流強(qiáng)度數(shù)據(jù)提?。呵叭狐c(diǎn)為流量計(jì)前 2D 中心，后取壓點(diǎn)為流量計(jì)后 1D，內(nèi)外取壓點(diǎn)分別為流量計(jì)前直管段中段的內(nèi)外側(cè)。

3.仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

對于壓差式流量計(jì)，壓損一般分為壓損和相對壓損。 壓損是指流體由平穩(wěn)流動流經(jīng)流量計(jì)節(jié)流件后產(chǎn)生壓差，再到平穩(wěn)流動，在這個過程中因節(jié)流件產(chǎn)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(nèi)外管壓差流量計(jì)的相對壓損

從表 1 中可以看到，在相同雷諾數(shù)、相同等效直徑比、不同異徑比的情況下，內(nèi)外管壓差流量計(jì)的壓損值變化很小，***多不超過 4%；而相同雷諾數(shù)、不同等效直徑比，該流量計(jì)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(shù)、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(shù)的增大而增大，且其增大的倍數(shù)約等于雷諾數(shù)增大倍數(shù)的二次方，但是壓損比并沒有隨雷諾數(shù)增大而有明顯變化。

4.結(jié)語

本文定義了內(nèi)外管壓差流量計(jì)的異徑比、等效直徑比，并通過 Fluent 對影響內(nèi)外管壓差流量計(jì)的等效直徑比和雷諾數(shù)分別作了仿真，結(jié)論如下：在一定范圍內(nèi)，相同雷諾數(shù)、相同等效直徑比下，異徑比對內(nèi)外管壓差流量計(jì)的壓損影響很小；內(nèi)外管壓差流量計(jì)的壓損不僅與等效直徑比有關(guān)，而且與雷諾數(shù)有關(guān)，當(dāng)雷諾數(shù)相同時，壓損隨著等效直徑比的減小而增大，當(dāng)?shù)刃е睆奖认嗤瑫r，隨著雷諾數(shù)增大而增大，壓損值增大倍數(shù)約為雷諾數(shù)增大倍數(shù)的二次方；內(nèi)外管壓差流量計(jì)的壓損比與雷諾數(shù)無關(guān)，它隨等效直徑比的減小而增大。