M型流量计的数值模拟与数字化标定

2015-01-13崔配配贾清泉李宝宽

化工自动化及仪表 2015年9期

崔配配贾清泉刘博李宝宽

(1.东北大学材料与冶金学院,沈阳 110819；2.辽宁聚焦科技有限公司,沈阳 110041)

目前，流量测量技术在工业领域中得到了广泛应用。但在非标准流量计的研究中，由于管道或工况复杂，急需一种测量精度高、仪表系数线性度稳定的流量计，因此M型差压式流量计作为一种在稳定性及测量精度等方面表现良好的流量计，成为了应用极为广泛的流量计之一。在此，笔者建立了M型流量计的数学模型，仿真计算了不同管径管道下M型流量计的各压力参数，研究其在复杂管道中的应用情况和稳定性，以提高M型流量计在实际管道应用中的防堵塞性能。

M型流量计属于差压式流量计的一种。对于差压式流量计，节流件的选取直接影响流量计的性能[1]。M型流量计主要由迎流面和背流面两组取压管道组成(图1)。在装置的上游产生高压区，下游产生负压区，从而产生稳定的压差。

图1 M型流量计的几何结构

2 数值模拟计算

计算介质采用可压缩空气，应用Gambit软件对几何模型进行网格划分，使用基于有限体积方法的Fluent软件进行计算。利用 Fluent数值仿真指导流量计的设计与优化已经成为研究流量仪表的一种很好的方法[2]。计算所采取的湍流模型为标准k-ε模型，采用Simple算法对压力和速度进行耦合[3]。同时，为了更加贴近实际工况，考虑了粘度及密度等物性的变化。

2.1 数学模型

2.1.1主要控制方程

连续性方程为：

动量方程为：

能量方程为：

2.1.2湍流模型

标准k-ε湍流模型的鲁棒性非常好，适用于一般情况下的流场模拟，是应用最广泛的湍流模型之一，其包括了涡粘度系数、湍动能及其耗散率等因素，对湍流的长度、尺度和湍流速度进行计算求解，是涡粘性发展起来的最简单和完备的二方程模型[4]。

湍动能k和耗散率ε的输运方程为：

Gk+Gb+ρε-YM+Sk

湍流粘度求解方程为：

模型常数C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.2 网格划分与计算分组

使用Gambit软件对流体域进行网格划分，网格为结构化网格和非结构化网格的组合，网格量约150万。网格划分情况如图2所示。

图2 网格划分情况

分别计算直径为500、600、700、800mm的管道，并且每组分别计算速度v=3i+3，Δv=3m/s(i=0,1,2，…,9)的工况。

2.3 结果分析

M型流量计为非标准流量计，其测量装置系数K是流量计性能的重要参数[5]，标定测量装置系数K非常重要，其计算式为：

式中K——测量装置系数；

Δp——压差，Pa；

ρ——流体的密度。

通过数值模拟计算，分别读出各组正压p1、负压p2和压差值Δp，进而计算出4组不同管径管道在不同速度下的测量装置系数K及其相对误差δ(表1～4)。观察其线性度，4组管道的装置系数K的相对误差最大值分别为3.20%、1.17%、2.12%和1.38%，这表明装置系数K在4组管道内均有良好的线性度，完全达到工程应用的要求。

表1 D=500mm管道在不同速度下的性能参数

表2 D=600mm管道在不同速度下的性能参数

表3 D=700mm管道在不同速度下的性能参数

表4 D=800mm管道在不同速度下的性能参数

不同管径管道的流量计压力参数曲线如图3所示，正负测压点的曲线开度随速度的增加而增加，即压差随速度的增加而逐渐变大。并且，随着管径的增加，压差的增大也更加明显，也就是说，此类M型流量计在大管径管道中的应用性能更加突出。

a. D=500mm b. D=600mm

c. D=700mm d. D=800mm

不同管径管道的测量装置系数随速度的变化曲线如图4所示，图中的直线表示各组的平均装置系数，能够更加直观地反映各工况下装置系数偏离平均装置系数的程度。可以看出，管径为500mm时装置系数K的稳定性大不如其他管径管道的装置系数，但其稳定性足够满足工程应用，稳定性总体上较好，管径为600mm时管道的测量装置系数最稳定。