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          基于上游漸擴管安裝條件的內(nèi)錐流量計性能預(yù)測

          作者: 時間:2013-11-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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          圖2 三維模型及網(wǎng)格剖分(局部)

          將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT6.3.26軟件后,為優(yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu),減少網(wǎng)格數(shù)量,提高計算效率,首先將網(wǎng)格類型轉(zhuǎn)換成六面體,然后利用分離式求解器進行求解,仿真介質(zhì)為常溫水。入口條件為速度入口和流出出口;流速為0.5~5M/s;并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對近壁區(qū)進行處理,壁面為無滑移條件。

          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口徑仿真湍流參數(shù)如表2所示。

          表2 100MM口徑仿真湍流參數(shù)
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          湍流參數(shù)計算如下:

          (1)湍動能k求解

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          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

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          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

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          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

          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,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

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          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。圖3即為3種β值在上游安裝條件下流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線。

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          圖3 C-Re曲線

          從圖3可見:(1)流出系數(shù)與β值有關(guān),且β值越大,流出系數(shù)越?。唬?)在安裝條件下,對于相同的流速,隨著前直管段長度的增加,其C-Re曲線越接近基線數(shù)據(jù);(3)對流出系數(shù)的影響程度與β值有關(guān),其中β值為0.85時影響最強,而β值為0.65時,流出系數(shù)變化最小,說明β=0.65的流出系數(shù)較穩(wěn)定,受擴管影響程度較弱。

          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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