新型插入式雙 V 型流量計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

基于插入式流量計(jì)差壓原理與安裝方式，設(shè)計(jì)了一種新型插入式雙 V 型流量計(jì)。在不同的流速條件下，對(duì)400mm 口徑管道新型流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬。引用 k-ε 湍流模型及 SIMPLIC 算法進(jìn)行計(jì)算，得到了流量系數(shù)隨速度的變化規(guī)律。以威力巴流量計(jì)作為參照對(duì)象進(jìn)行同等條件下的數(shù)值模擬，將二者特性進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：新型插入式雙V 型流量計(jì)集合了威力巴流量計(jì)與文丘里管的優(yōu)勢(shì)，大幅度提升了輸出壓差，壓損比較威力巴降低了 7.7%，擴(kuò)大了低速穩(wěn)定范圍，其性能更優(yōu)。

1引言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的日益加快,大口徑流體管道在工業(yè)上應(yīng)用已十分普遍。目前測(cè)量大口徑管道流量的儀表主要有電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)和插入式流量計(jì)[1]。插入式流量計(jì)通過測(cè)量管道中一點(diǎn)或幾點(diǎn)的流速來反映整個(gè)管道的流量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、壓損小及維修方便等優(yōu)點(diǎn),尤其適合于大管道流量的測(cè)量。

威力巴是典型的徑流速計(jì)型插入式流量計(jì),采用差壓式測(cè)量原理,檢測(cè)桿截面形狀為彈頭形,其取壓點(diǎn)的分布特點(diǎn)能形成穩(wěn)定的差壓信號(hào),且防堵性較好,它的主要缺點(diǎn)是輸出壓差值較低,當(dāng)相對(duì)流量較小時(shí),流量系數(shù)的分散性大,故測(cè)量精度低。

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

近年來,文丘里管在測(cè)量大管徑、中低壓,低流速的各類氣體流量中得到廣泛應(yīng)用,收到了良好的效果,但用于大管道流量測(cè)量時(shí)體積龐大,安裝成本較高。將威力巴流量計(jì)與文丘里管的特點(diǎn)相結(jié)合,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了插入式雙V型流量計(jì),通過獨(dú)特的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),既保留插入式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn),又要集合文丘里管的“擴(kuò)壓”效應(yīng),同時(shí)運(yùn)用CFD數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì),使該流量計(jì)具有輸出壓差大,壓損低，量程范圍寬，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。

2.流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理

設(shè)計(jì)的新型插入式雙 V 型流量計(jì)主要由傳感器、差壓變送器及流體管道等組成，結(jié)構(gòu)原理，如圖 1 所示。在檢測(cè)桿 5 上按契比雪夫法安裝數(shù)對(duì)文丘里管 6，文丘里管由收縮段、喉部和擴(kuò)散段組成[4-6]。當(dāng)流體流過傳感器 4 時(shí)，在其前部迎流方向形成高壓分布區(qū)，在其側(cè)后部則形成低壓分布區(qū)，這樣在傳感器前后便產(chǎn)生了壓差。由于文丘里管收縮段的作用，在其喉部能產(chǎn)生一個(gè)更低的穩(wěn)定壓力，故能產(chǎn)生更大的輸出壓差。流體流速（流量）越大，產(chǎn)生的壓差越大，故可用壓差來測(cè)量流量。在每對(duì)文丘里管所在橫截面的檢測(cè)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(cè)量流體的總壓 Pl 和靜壓 P2，將 P1、P2 分別引入差壓變送器，測(cè)量出壓差 P=P1-P2，由于多點(diǎn)截面式取壓， P 反映了流體平均速度的大小，因此可準(zhǔn)確地推算出流體的流量。

根據(jù)連續(xù)性方程和伯努利方程推導(dǎo)出新型流量計(jì)的流量計(jì)算公式為：

式中：qV—體積流量，m3/s；qm—質(zhì)量流量，kg/s；α—流量系數(shù)；ε—

可膨脹性系數(shù)； P—輸出差壓，Pa；ρ—流體密度，kg/m3。

流量系數(shù) 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(jié)流裝置，α 值僅與雷諾數(shù)有關(guān)，皆由實(shí)驗(yàn)方法確定。從上式可以看出，α 值一定，可根據(jù)壓差求得流量。

3.數(shù)值模擬與分析

3.1 插入式雙 V 型流量計(jì)的數(shù)值模擬與分析

插入式雙 V 型流量計(jì)的截面形狀，如圖 1 所示。在 Gambit中建模時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化，模擬的管道內(nèi)徑 DN400；為保證充分發(fā)展管流，取流量計(jì)前 10D 至流量計(jì)后 6D 為計(jì)算域；計(jì)算域網(wǎng)格劃分采用分塊結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的網(wǎng)格，并對(duì)流量計(jì)周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密以提高計(jì)算精度[7]，局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。選擇適合本例計(jì)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(fēng)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(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行初始化，以殘差小于 10-5 為收斂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

在數(shù)值模擬過程中選擇了三組不同截面尺寸的模型進(jìn)行仿

真對(duì)比分析，選擇相對(duì)理想的模型后進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸，***終確定了一種***優(yōu)模型。通過模擬得到各速度點(diǎn)下流場(chǎng)內(nèi)的基本物理量及其隨時(shí)間的變化特性。v=15m/s 的檢測(cè)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(cè)桿時(shí)，在檢測(cè)桿前端形成高壓區(qū)，速度***?。ń茷?/span> 0）；經(jīng)過文丘里管的收縮，至喉部時(shí)壓力降至較低，速度***大；經(jīng)過擴(kuò)散段時(shí)，壓力逐漸恢復(fù)，速度逐漸下降。在檢測(cè)桿高、低壓取壓孔取得總壓和靜壓后得到壓差 P，計(jì)算求得流量系數(shù) α，繪制流量系數(shù)隨速度的變化曲線，如圖 5 所示。從圖 5 中

看出，在低速時(shí)流量系數(shù)隨著速度（即雷諾數(shù)）的增加而減小，當(dāng) v≥3m/s 時(shí)，流量系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，變化很小，在 v=（3~30）m/s 的范圍內(nèi)平均流量系數(shù) α=0.5396，相對(duì)誤差在±1.0%以內(nèi)。所以流量系數(shù)在較寬的雷諾數(shù)范圍（10：1）是穩(wěn)定的，測(cè)量精度比較高。

3.2 威力巴流量計(jì)的數(shù)值模擬與分析

對(duì)威力巴流量計(jì)進(jìn)行與插入式雙 V 型流量計(jì)同等條件下的數(shù)值模擬，取壓點(diǎn)的設(shè)置位置同 2.1。模擬計(jì)算后得到檢測(cè)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(cè)桿時(shí)，在其前端形成高壓區(qū)，速度較低，在側(cè)后部形成低壓區(qū)，速度較大。計(jì)算后得到流量系數(shù)隨速度的變化規(guī)律，如圖 8 所示。從圖 8 中看出，流量系數(shù)在低速時(shí)比較分散，隨著流速的增加而增大，當(dāng)流速 v≥7m/s 時(shí)流量系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定的流量系數(shù) α=0.6962。與此相比較，插入式雙 V 型流量計(jì)的低速穩(wěn)定范圍擴(kuò)大到 v=3m/s，經(jīng)過計(jì)算其輸出壓差較威力巴平均增加了 71%，因此擴(kuò)大了低速測(cè)量范圍，提高了測(cè)量的靈敏度和精度。

儀表的精度和能耗是儀表選型時(shí)的兩個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于插入式流量計(jì)來說，在一定的流量下，輸出差壓信號(hào)越強(qiáng)，由節(jié)流件引起的壓力損失越小，其性能越優(yōu)。壓力損失（簡(jiǎn)稱壓損）和壓損比就是衡量流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。分別取出檢測(cè)桿前 1D 和后 6D 處的平均壓力 P3 和 P4[12]，計(jì)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(jì)的壓損較威力巴流量計(jì)有所增加，但增幅不大。這點(diǎn)從壓損比的計(jì)算結(jié)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(wěn)定值。雙 V 型流量計(jì)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(jì)穩(wěn)定性更好。

4  .結(jié)論

（1）新型插入式雙 V 型流量計(jì)集合了威力巴流量計(jì)與文丘里管二者的優(yōu)勢(shì)，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(jì)在流速 v=（3~30）m/s 時(shí)，其流量系數(shù)基本穩(wěn)定在 α=0.5396 左右，相較威力巴擴(kuò)大了流量（流速）的測(cè)量范圍，量程比為 10：1；（3）隨著流速的增加，由新型流量計(jì)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(jì)的壓損比相較威力巴降低了 7.7%，并且擴(kuò)大了低速穩(wěn)定范圍，其性能更優(yōu)，適合于大管道流量測(cè)量，具有很大的工程應(yīng)用前景。