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旋进漩涡流量计漩涡进动效应的数值研讨

名字的由来: 写作者: 否认年份:2019-05-29
 
 
供稿作者:刘春哲1,张涛2,田辉1,曼茂立1,3,赵海贤1,孙占刚1,杨博4,豆广东5
供稿单元:(1.承德煤油高档专迷信校机器工程系,河北承德067000;2.河北电机职业手艺学院,河北邢台054000;3.河北省仪器仪表财产手艺研讨院,河北承德067000;4.承德煤油高档专迷信校科技成长与校企协作处,河北承德067000;5.承德煤油高档专迷信校招生失业处,河北承德067000)
 
       择要:为了揭露漩涡进动效应所发生的涡旋高压流场演变纪律,从而为旋进漩涡流量计压力传感器选型及拆卸地位供给根据,对DN50某型号旋进漩涡流量计内全三维非定常流场停止数值阐发。颠末尝试考证,所接纳的定常-非定常两步走的数值求解战略能切确取得高压区压力脉动频次特色,所得仪表系数与尝试值合适杰出。数值摹拟功效完全显现了漩涡进动效应影响下沿轴向及周向压力脉动纪律。为了保障和扩展量程比,给出压力传感器高压区的活络度、传感器尺寸及地位的挑选根据。
 
关头词:漩涡进动;数值摹拟;压力脉动;非定常;压力传感器
 
媒介
       跟着20世纪七十年月DIJSTELBERGEN[1]对旋进漩涡流量计道理的首创性研讨和阐述,美国时期公司旋进漩涡流量计产物一经推出便因其无活动部件、靠得住性强、顺应测试工质规模广等上风遭到相干用户和学者的存眷[2-3]。但是,绝对其余流量计,至今旋进漩涡流量计测试道理尚不完美。HEINRICHS[4]就旋进漩涡流量计旌旗灯号处置、仪表机能及标校停止了阐述。21世纪初,傅新等人[5]在国际很是早对旋进漩涡流量计停止体系研讨,利用计较流体力学现实诠释了漩涡发生和成长的根基道理并对测试环境存在震撼搅扰的环境下若何完成旌旗灯号收罗和处置以保障丈量精度做了深切的研讨。但是,限于那时的研讨前提,旋进漩涡的进动效应数值研讨功效与尝试值存在较大的偏差,数值研讨功效对处置现实题目指点缺乏[6]。尔后,彭杰纲等[7]、崔宝玲等[8]、张涛等人[9]、吴蕾[10]的研讨均对漩涡进动频次与流量的相干现实作了一定的补充。在此根本上,本文作者对 DN50 某型号旋进漩涡流量计漩涡进动活动特色停止了具体的数值研讨,给出了差别流量下旋进漩涡的进动周期和频次特色,完全显现了漩涡进动效应影响下贱场的压力散布环境,出格是针对测试段特色点上的压力脉动环境为压力传感器活络度及地位挑选供给根据。 
 
1 旋进漩涡流量计丈量道理简介
       旋进漩涡流量计首要由漩涡发生体、渐缩管、渐扩管、压力传感器构成[11]。如图 1 所示,漩涡发生体凡是由多少个螺旋线形叶片构成,被测来流颠末叶片间构成的扭转流道后构成沿轴向的漩涡流; 漩涡流在漩涡发生体尾部发生分手,从而构成具备明显高压特色的 “涡核”; 涡核随支流流经渐缩管形的流道,轴向速率不时晋升; 尔后进入渐扩形的流道,陪同流道通流面积的增添引发流道中部地区发生回流景象,涡核在此回流的感化下被推离流道中间地位并与支流一路构成漩涡流。DIJSTELBERGEN[1] 发明在流道渐扩段,涡核沿周向的周期性进动活动与支流的体积流量成反比,以是可经由进程压力传感器测得涡核进动频次f 来推算体积流量 Q,进而完成对流量的丈量。 
       Q = f /K ( 1)
       式中: K 为仪表系数,表现流过单元体积的工质时涡核周向扭转活动所引发的压力脉动次数; Q 为被测气体流量,m3 /h; f 为压力脉动频次,Hz。
旋进漩涡流量计整体布局
       本文作者所研讨的旋进漩涡流量计全长 162 mm,喉部直径 16 mm; 漩涡发生体由 6 个螺旋线形叶片构成,牢固螺距为 60 mm,叶片沿轴向长 48 mm。为了进步模子计较收敛性,别离对旋进漩涡流量计物理模子前段及后端耽误 1D ( D 表现公称直径,文中所选流量计为 DN50 型) 。一切近壁面地区设置 5 层边境层网格,并接纳延续过渡体例与外部地区网格停止跟尾。狭缝地区网格不小于 5 个,漩涡发生段及进口延长段接纳四周体网格,其余局部接纳六面体网格。颠末网格有关性考证,很是终接纳网格约为 225 万,如图2 所示。
物理模子及网格散布
2 数值摹拟体例
       对旋进漩涡流量计内的全三维黏性非定常活动可用 Navier - Stokes 方程组[12]描写,其延续性方程及动量方程表现为
延续性方程及动量方程表现
       式中: ρ 为工质密度,kg /m3 ; ui 为速率矢量,m/s; p 为静压,Pa; fi 为品质力,文中仅指重力,N; 应力张量 τij可表现为
应 力张量 τij公式
       等效黏性系数 μeff可经由进程工质能源黏性系数 μ 与湍流黏性系数 μt 之和取得,湍流黏性系数可经由进程引入湍流模子取得。
 
       计较进程分两步停止: 起首给定进口品质流量,出口给定静压,一切壁面给定无滑移边境前提,流场特色参数稳定且残差均小于 10 - 3时,以为定常计较已收敛,接着停止非定常计较; 非定常计较阶段,以以后流场进口总压作为非定常计较的进口边境前提,时辰步长在非定常计较进程中不时调剂以使其在压力脉动周期的 1 /20 ~ 1 /30 规模内。Navier - Stokes 方程组接纳具备二阶精度的无限差分体例团圆,SIMPLE 算法解耦速率场及压力场,引入重整化群 κ - ε 湍流模子。 3 计较功效及阐发
 
3. 1 漩涡进动进程的捉拿
       如图 3 ( a) 所示,为某校与某公司配合开辟的音速喷管气体流量计标定尝试台,此拆卸可对包含DN50 在内 6 种口径、0. 5 ~ 256 m3 /h 流量规模的气体流量计停止标定,此中椭圆地区为流量计拆卸地位。
尝试拆卸
       基于此尝试体系,对图 3 ( b) 所示的旋进漩涡流量计停止测试,图中喉部丈量段显现了测压孔的地位并标记出了测压面的地位。图 4 给出了差别流量下旋进漩涡流量计仪表系数尝试值与数值摹拟功效的变更环境。能够看出: 数值摹拟功效与尝试值趋向合适杰出,两者的很是大偏差约为 3. 6% 。由此能够考证文中数值摹拟计划的切确性和有用性。
漩涡进动频次随流量的变更环境
       如图 5 所示,给出了流量为 60 m3 /h ( 满量程的40% ) 时,沿着旋进漩涡流量计支流标的目的,8 个特色截面静压散布环境。可见: 被测气体流过起旋器后( 图中左边局部为进口延长段及起旋器) ,在起旋器尾部中间发生了活动分手,发生漩涡,构成了圆形高压区,截面静压沿半径标的目的不时增添。被测气体沿渐缩管向下流活动进程,高压区焦点局部面积根基坚持稳定,并一直处于流道中间。当被测气体进入渐扩段时,发明高压区焦点地位偏离了流道中间地区,这是因为渐扩段流道中间存在回流,挤压迫使高压漩涡发生偏离构成的。尔后,漩涡偏离流道中间扭转,使得高压区焦点局部被拉伸,呈 “彗星” 状。靠近出口处,高压区有向流道中间挨近的趋向。
特色截面静压散布
 
3. 2 漩涡进动对压力散布的影响
       图 6 中给出了流量为 100 m3 /h ( 满量程的 67% )时 8 个时辰测压截面的静压散布数值摹拟值,暖色地区为高压区,暖色地区为高压区。可见: 漩涡焦点区所构成的蓝色高压区沿着逆时针标的目的做圆周活动,且高压焦点地位间隔流道中间的间隔坚持稳定。图 5 及 图 6 的数值计较功效完全展现了漩涡的进动活动,其活动纪律合适彭杰纲[7]的研讨功效。文中数值摹拟所得该工 况 旋 涡 进 动 频 率 约 为 699. 8 Hz,与 实 验 值718. 1 Hz 很是靠近,从而降服了文献 [7] 中脉动频次展望失真的题目。
测压截面静压散布数值摹拟值
       旋进漩涡流量计停止流量丈量的关头是经由进程传感器切确取得测压截面内压力脉动环境,进而对压力旌旗灯号停止处置取得脉动频次,计较出现实流量[1,5]。如 图 7 所示,给出了 4 个工况测压点处压力随时辰变更的数值摹拟功效。测压点为位于图 3 ( b) 所示的测压截面上,间隔轴心 8 mm 处。从图 7 可见: 差别工况下测压点处压力均显现出较强的周期性脉动特色,且跟着现实流量的增添脉动周期明显下降,脉动幅值明显增添。小流量 10 m3 /h 下,压力脉动周期约为15. 2 ms,压力脉动在 10 ~ 33 Pa 内; 大流量 150 m3 /h 下,压力脉动周期约为 0. 98 ms,压力脉动则增添至1 900 ~ 7 000 Pa 内。因而可知,为了完成全量程的高精度,流量计所接纳的压力传感器需具备探测小流量下微压差的才能。
差别工况测压点的压力随时辰变更的数值摹拟值
       另外,图 7 中压力脉动曲线显现,每一个脉动周期中高压区所占时辰随流量的增添不时下降,这申明每一个工况下高压区面积随流量的增添是逐步下降的。若将某一工况第 i 个周期的很是大压力及很是小压力记为: pimax、pimin,则压力脉动的中值可类似表现为 ( 文中求解不少于 5 个周期的脉动环境,即 n > 5) :
压力脉动的中值可类似公式
       若将某一工况第 i 个周期中测压点压力值小于压力脉动中值的时辰记为tlow,则 tlow 与压力脉动均匀周期 Tave的比能够定量反应旋进漩涡进动进程在测压面上构成的高压区面积。图 8 中可见: 跟着流量的增添,tlow /Tave不时下降,当流量跨越100 m3 /h的时辰,tlow /Tave已小于 0. 199。也便是说,当流量到达 100 m3 /h 时,一个直径为 5 mm 的压力传感器,在测压面上径向距轴心 8 mm 处,因为高压区面积较小( 达不到直径 5 mm 的圆形地区巨细) ,构成压力传感器时辰蒙受高压或高高压配合感化,进而没法切确地对高压停止探测,致使大流量时压力脉动旌旗灯号削弱的题目。因而可知,为了保障大流量下压力脉动的探测精度,压力传感器直径与其地点地位圆周长之比,应小于满量程时 tlow /Tave的值。以上论断可为旋进漩涡流量计压力传感器的拆卸地位及尺寸挑选供给根据。
高压延续时辰与脉动 周期比值随流量的 变更环境
 
4 论断
       ( 1) 基于在时辰/空间上均具备二阶精度的非定常湍流数值计较体例,对旋进漩涡流量计漩涡进动活动特色停止了具体的数值研讨。数值计较所得测压点压力脉动频次特色与尝试值合适杰出,考证了文中数值体例的有用性。
        ( 2) 数值功效完全显现了漩涡进动效应影响下,沿着轴向漩涡所引发的高压区散布纪律,和测压截面上跟着时辰的推移高压区的迁徙纪律。 
       ( 3) 跟着流量的增添,脉动幅值及压力值从小流量的几十帕斯卡增至满量程的数千帕斯卡,这就请求所接纳的压力传感器需具备较宽的丈量规模,且在小压力规模内具备较高的活络度; 跟着流量的增添,旋进漩涡所构成的高压区沿着周向所占有的面积不时下降,为了保障压力传感器能探测到高压区的存在,压力传感器直径与其地点地位圆周长之比应小于满量程时 tlow /Tave的值。
 
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