基于上游漸擴管安裝條件的內(nèi)錐流量計性能預(yù)測
圖2 內(nèi)錐流量計三維模型及網(wǎng)格剖分(局部)
2.2 湍流模型與邊界條件
對比目前常見的湍流模型,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在科學(xué)研究及工程領(lǐng)域獲得了最廣泛的檢驗與成功應(yīng)用,但當(dāng)應(yīng)用于強旋流、彎曲壁面流動或彎曲流線流動時,會產(chǎn)生一定的失真。楊勝等在對汽車外部流場仿真研究中,比較了spalart-Allmaras-方程模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和RsM模型的預(yù)測結(jié)果后,認(rèn)為RNG k-ε模型的預(yù)測性能要強于其余的4種模型。因此研究中采用RNG k-ε模型計算流場,利用有限體積法實現(xiàn)控制方程的離散化,采用sIMPLE算法進行求解。根據(jù)GAN等的研究,在仿真時,除壓力項采用二階迎風(fēng)格式外,其余都利用了QuiCk格式進行離散。亞松弛因子采用FLUENT軟件的默認(rèn)值,實踐證明其收斂效果比較好,殘差收斂精度設(shè)為10-5。計算時選取5個流速點,方向取入口面的法線方向。其中100MM口徑內(nèi)錐流量計仿真湍流參數(shù)如表2所示。
表2 100MM口徑內(nèi)錐流量計仿真湍流參數(shù)
(1)湍動能k求解 式中,uavg為平均速度;I為湍流強度。
湍流強度依據(jù)經(jīng)驗公式進行計算 式中,uavg為脈動速度的均方根;ReDH為以管徑為特征尺度計算的雷諾數(shù)。
(2)湍流耗散率ε的求解 式中,Cμ為湍流模型中指定的經(jīng)驗常數(shù),一般取0.09;而L為湍流長度尺度,與管道內(nèi)徑L的關(guān)系為l=0.07L。
2.3 計算結(jié)果
流出系數(shù)C是內(nèi)錐流量計的關(guān)鍵參數(shù)之一,對于不可壓縮流體,流出系數(shù)C定義為內(nèi)錐流量計中實際流量與理論流量的比值。根據(jù)能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律,可以推導(dǎo)出C的計算公式為 式中υ是流動穩(wěn)定的情況下內(nèi)錐流量計上游管段(即100MM口徑管道)中流體的流速(M/s);Δp為上下游取壓點測得的壓差值(Pa)。該公式使用伯努利方程進行推導(dǎo),由于流動中會有能量損失,壓力的測量結(jié)果也并非為一個平面上的平均壓力,并且在實際內(nèi)錐流量計中,存在低壓取壓L形立柱的影響,因此,流出系統(tǒng)C往往小于1。
通過點表面積分法,對數(shù)值仿真計算結(jié)果進行后處理,計算錐體上下游的壓力差,并根據(jù)公式(4)計算出流出系數(shù)。圖3即為3種β值在上游漸擴管安裝條件下流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線。
圖3 C-Re曲線
2.4 壓力場分析
以β=0.45,入口流速υ=0.2M/s為例,提取錐體上游和下游局部壓力場云圖,分析上游不同直管段長度對上、下游壓差的影響。壓力場云圖如圖4~6所示。
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