内锥流量计与孔板流量计压力损失与能耗的比较

在许多情况下,由压力损失所引起的额外的耗能费用是选用流量计时必须要考虑的一个重要因素。流量仪表的压力损失小已经是选择流量计的一项重要指标。由于内锥流量计和孔板流量计使用的条件相似,并且使用广泛,因此有必要对这两种流量计进行压力损失比较,以便选出更合适的测量仪表。虽然人们对内锥流量计和孔板流量计的压力损失进行过比较,但目前所作的比较存在两个问题。***,文献中多是通过比较两种流量计的压力损失计算公式来对两种仪表进行比较。对于孔板流量计,它的历史较长,有统一的国际标准,可以直接算出压力损失。对于内锥流量计,它的历史相对较短,没有统一的国际标准,给出的一些计算公式也不太成熟,通常计算值与真实值之间存在较大的误差。例如,内锥流量计的生产厂家即使是按照行业规范生产的同一型号的内锥流量计,其给出的计算内锥流量计的压力损失系数也是各不相同的,这就给用公式计算压力损失带来了误差。第二,对两种流量计压力损失比较时,并没有规定两种流量计的有效流通面积相同,所得到的结果缺乏说服力。基于以上两个原因,本文用CFD数值模拟的方法,计算出内锥流量计的压力损失,并在保证有效流通面积的条件下对两种流量计的压力损失进行了比较,并且对两种流量计进行了经济技术分析,对选用流量计及计算内锥流量计的能耗都有很好的参考价值。
1 模型建立
1. 1 几何模型和湍流模型的建立
建立长L=14 m,内径D=0. 2 m的管道模型,模拟了前锥角为45b,后锥角为120b的V锥体压力分布情况。由于内锥体为旋转体,具有轴对称特性,在进行数值模拟实验时,所建立的模型为二维结构,并进行了简化处理(计算域选取一半),如图1所示。

在网格的剖分方面,采用了结构化网格[3-4],如大比率四边形网格计算长管形状流场,网格数量明显减少,在靠近锥体部分的网格进行加密设置,越靠近管道两端,网格越稀疏。这样做的目的是为了保持网格的光滑度,从而加速迭代收敛速度,避免因临近单元体积或面积的快速变化而导致大的截断误差,节省计算时间。另外,在相同网格数量下,为更好保证计算精度,对流场影响***重要的部分进行了更精密的网格剖分。图1即是采用此方法进行的网格剖分。
利用RNGJ-E[5]模型进行计算,经物理实验验证显示出了较好的预测性。另外,在近壁面区域采用标准壁面函数法进行处理。利用有限体积法实现控制方程的离散化,在求解离散方程过程中,采用以压力为基本求解变量的求解方法,即SIMPLE算法进行求解。差分格式采用二阶迎风格式。
1. 2 边界条件和工作流体物性
边界条件包括壁面、对称轴、速度入口和压力出口。流体从速度入口进入,流经节流装置,***由压力出口流出。内锥流量计的数值模拟实验介质为柴油与汽油的混合物,其物理性质见表1所示

2 内锥流量计的压力损失模拟实验
传统测量孔板流量计压力损失的方法[6]如图2所示,分别测出、两点之间的静压力,所得差值即为孔板压力损失。为了使模拟的压力是不可恢复性压力,P1、P2两点之间的距离应尽量远,在本模拟实验中管道直径D=0. 2 m, P1、P2两点之间的距离取50D,即两个测压点相距10 m远,模拟结果如表2所示。