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仿真研究不同介質(zhì)對(duì)蒸汽流量計(jì)特性的影響規(guī)律
因?yàn)?strong>蒸汽流量計(jì)一般絕大多數(shù)都是用渦街流量計(jì),所以下文把渦街流量計(jì)成為蒸汽 流量計(jì)了。蒸汽作為一種重要的二次清潔能源,在電廠、石油化工、食品、機(jī)械加工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人民的日常生活中占據(jù)了越來越重要的地位。為了提高蒸汽的計(jì)量水平,研究者開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴以及蒸汽流量計(jì)等多種類型的蒸汽儀表,而在眾多類型蒸汽儀表中,蒸汽流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、壓損小、測(cè)量時(shí)無可動(dòng)件等優(yōu)點(diǎn)在蒸汽計(jì)量中得到快速的推廣和使用。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,采用數(shù)值仿真的方法研究流體流場(chǎng)能夠?qū)崟r(shí)、直觀地觀察到流場(chǎng)的變化,對(duì)研究流場(chǎng)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。近幾年來,不少學(xué)者利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)蒸汽流量計(jì)特性進(jìn)行了大量研究,然而受蒸汽高溫高壓特性和蒸汽實(shí)流標(biāo)定裝置的限制,目前還缺乏對(duì)蒸汽流量計(jì)在蒸汽介質(zhì)下的特性研究,本文研究的重點(diǎn)就是利用Fluent軟件對(duì)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的仿真研究,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,找到不同介質(zhì)對(duì)蒸汽流量計(jì)特性的影響規(guī)律。
1、蒸汽流量計(jì)
蒸汽流量計(jì)(又稱旋渦流量計(jì))是根據(jù)“卡門渦街”原理研制成的流體振蕩式流量測(cè)量?jī)x表。所謂“卡門渦街”現(xiàn)象就是在測(cè)量管道流動(dòng)的流體中插入一根(或多根)迎流面為非流線型的旋渦發(fā)生體,當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí),從旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦,這種旋渦稱為卡門渦街。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),旋渦的分離頻率與旋渦發(fā)生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關(guān),旋渦的頻率正比于管道流體流量,并可由各種型式的傳感器檢出,蒸汽流量計(jì)工作原理如圖1所示。
U---被測(cè)介質(zhì)來流的平均流速;U1---發(fā)生體兩側(cè)的平均流速;
d---發(fā)生體迎流面的寬度;D---管道直徑。
不同介質(zhì)對(duì)蒸汽流量計(jì)性能的影響*終體現(xiàn)在儀表系數(shù)的差異上,所以本文使用Fluent軟件建立蒸汽流量計(jì)的幾何模型,然后對(duì)不同介質(zhì)下的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,并仿真得到不同介質(zhì)下的儀表系數(shù),*終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到空氣和水作為替代介質(zhì)導(dǎo)致的與蒸汽實(shí)流標(biāo)定得到的儀表系數(shù)的差異。
2、仿真模型與條件的設(shè)定
2.1 仿真模型
選擇DN100口徑的蒸汽流量計(jì)進(jìn)行研究,利用Gambit軟件建立蒸汽流量計(jì)幾何模型并劃分網(wǎng)格,蒸汽流量計(jì)發(fā)生體橫截面網(wǎng)格如圖2所示。
Gx-軸向坐標(biāo);Gy-縱坐標(biāo);Gz-橫坐標(biāo)。
圖2蒸汽流量計(jì)發(fā)生體橫截面網(wǎng)格圖
為了提高計(jì)算效率,渦街發(fā)生體處重點(diǎn)加密,其他區(qū)域適當(dāng)?shù)南∈?。從圖2可以看出,渦街發(fā)生體所處流場(chǎng)網(wǎng)格均勻加密。通過加密畫法,靠近渦街發(fā)生體的橫截面網(wǎng)格較密,遠(yuǎn)離渦街發(fā)生體而靠近管壁的網(wǎng)格較稀疏。
2.2 仿真條件設(shè)定
仿真選擇三種流體材質(zhì),分別為空氣和蒸汽兩種可壓縮流體以及不可壓縮的水,在Fluent中空氣和蒸汽材質(zhì)通過設(shè)定氣體的密度選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不可壓縮流體選擇的密度為常數(shù);空氣介質(zhì)選擇默認(rèn)密度1.225kg/m3,其密度設(shè)定為理想氣體,在迭代計(jì)算的過程中,根據(jù)氣體狀態(tài)方程壓強(qiáng)的變化修正流體的密度;蒸汽介質(zhì)的密度根據(jù)IF-97公式,利用UDF編程設(shè)置。
仿真模型選擇RNGk-ε雙方程湍流模型,該模型可以很好地處理高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流體流動(dòng),非常適合具有旋渦脫落現(xiàn)象的渦街流場(chǎng)仿真。
3 流場(chǎng)仿真分析
根據(jù)公式(1)可知,影響蒸汽流量計(jì)旋渦頻率的是發(fā)生體兩側(cè)的流速U1和發(fā)生體的結(jié)構(gòu),由于發(fā)生體結(jié)構(gòu)尺寸是固定的,因此頻率只與U1相關(guān),需要觀測(cè)在相同入口流速U的條件下U1變化來得到頻率的變化,而速度的變化必然會(huì)導(dǎo)致流體密度的變化,因此可觀測(cè)發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖,來判斷可壓縮性對(duì)蒸汽流量計(jì)流速U1的影響,通過仿真得到如圖3(a)所示的不可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖和如圖3(b)所示的可壓縮流體發(fā)生體兩側(cè)的密度云圖。
由圖3可以看出,不可壓縮流體的密度在仿真過程中沒有發(fā)生變化,可壓縮流體的密度發(fā)生了變化,必然會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)速度U1的變化??蓧嚎s流體經(jīng)過發(fā)生體后密度變小會(huì)導(dǎo)致U1變大。
根據(jù)圖3得到的結(jié)論,對(duì)蒸汽流量計(jì)進(jìn)行蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的軟件仿真,設(shè)置三種介質(zhì)的入口流速均為50m/s,取渦街發(fā)生體迎流面?zhèn)壤庵悬c(diǎn)與管壁連線,如圖2中線段ab所示。取該線上的速度值,將蒸汽、空氣和水三種介質(zhì)下的速度曲線進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示。
從圖4中可以看出,在靠近渦街發(fā)生體的位置,可壓縮流體流速明顯大于不可壓縮流體流速,且空氣的流速要大于蒸汽介質(zhì)的流速。因此空氣介質(zhì)受氣體可壓縮性的影響較大。
蒸汽流量計(jì)的計(jì)量性能*終反映到儀表系數(shù)上,蒸汽流量計(jì)兩側(cè)的旋渦頻率決定了儀表系數(shù)的大小,圖5為仿真得到的蒸汽流量計(jì)渦流流場(chǎng)靜壓云圖。從圖中可以看出兩個(gè)明顯的脫落旋渦。圖中A區(qū)域靜壓大,B區(qū)域靜壓小。靜壓*小的位置是C處,也就是脫落旋渦的渦心位置。檢測(cè)渦街發(fā)生體下游1D處的靜壓變化得到如圖6所示的靜壓變化圖。
對(duì)圖6中靜壓數(shù)值進(jìn)行快速傅立葉變換,得到如圖7所示的三種介質(zhì)下的旋渦脫落頻率圖。
通過讀取圖7三種介質(zhì)旋渦脫落頻率圖*高點(diǎn)的頻率,可以得到空氣介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1595Hz,蒸汽介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1579Hz,水介質(zhì)的旋渦脫落頻率為1559Hz。代入公式(1)可以發(fā)現(xiàn),蒸汽流量計(jì)在相同管道直徑相同入口速度的情況下在水介質(zhì)中得到的儀表系數(shù)*小、蒸汽次之、空氣*大。說明空氣受氣體介質(zhì)的可壓縮性影響大,在發(fā)生體兩側(cè)的密度變化率較蒸汽要大。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證仿真分析得到的結(jié)論,利用負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置、蒸汽實(shí)流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和水流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)該結(jié)構(gòu)類型的蒸汽流量計(jì)進(jìn)行三種介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究,各測(cè)試條件參數(shù)如表1所示。
由圖8可看出,在實(shí)驗(yàn)過程中,空氣與水的儀表系數(shù)與仿真分析基本相符,但蒸汽介質(zhì)的儀表系數(shù)要小,這主要是因?yàn)檎羝橘|(zhì)的高溫使發(fā)生體的幾何尺寸發(fā)生變化導(dǎo)致的儀表系數(shù)的改變。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(4):
式中:Kt為溫度為t時(shí)的儀表系數(shù);K20為20℃時(shí)的儀表系數(shù);ζ為線膨脹系數(shù)。
由公式(4)可以知道隨著溫度的升高,儀表系數(shù)會(huì)減小,因此就出現(xiàn)了圖8所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖7仿真頻率計(jì)算出的儀表系數(shù)的微小差異。
利用Fluent軟件實(shí)現(xiàn)了蒸汽流量計(jì)在不同介質(zhì)下的流場(chǎng)仿真,根據(jù)卡門渦街的產(chǎn)生機(jī)理,對(duì)比分析了空氣、蒸汽和水三種不同介質(zhì)條件下的流場(chǎng),仿真結(jié)果表明隨著可壓縮性的增強(qiáng),蒸汽流量計(jì)的儀表系數(shù)隨之變大,因此在蒸汽流量計(jì)的*次或者后續(xù)檢定中盡量采用與工況相同的介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。
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