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摘要通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法對(duì)50mm口徑的氣體流量計(jì)進(jìn)行了數(shù)值仿真.分析了氣體進(jìn)動(dòng)效應(yīng)下流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的演變情況,找出傳感器Z佳安裝位置以減小外界振動(dòng)與流體脈動(dòng)噪聲對(duì)氣體流量計(jì)造成的影響,并且在此基礎(chǔ)上對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)）））在氣體流量計(jì)前面加導(dǎo)流片.改進(jìn)后的氣體流量計(jì)壓力損失有了較大幅度的減少.
氣體流量計(jì)是近幾十年來(lái)開發(fā)并投入市場(chǎng)的一種流體振蕩式流量計(jì),可適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質(zhì)的流量測(cè)量.它具有內(nèi)部無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件,耐腐蝕性好,量程比寬等優(yōu)點(diǎn).但是氣體流量計(jì)也存在一些不足之處,比如氣體流量計(jì)的工作原理沒有其它氣體型流量計(jì)的完善,振蕩頻率信號(hào)容易被外界振動(dòng)源所干擾,并且壓力損失較大.關(guān)于氣體流量計(jì)性能的研究由來(lái)已久,早于1970年,Dijsber-gen[1]就對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.1999年,Furio和Gianfranco[2]對(duì)氣體流量計(jì)做了實(shí)際工況下的儀表特征試驗(yàn)研究.2000年,Fu和Yang[3]用流體力學(xué)仿真對(duì)氣體流量計(jì)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究,并提出用信號(hào)差分處理提高氣體流量計(jì)抗干擾能力的設(shè)計(jì).彭杰綱等人[4-7]不僅對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了氣體進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況,通過(guò)脈動(dòng)流場(chǎng)物理模擬研究了流場(chǎng)干擾對(duì)氣體流量計(jì)流場(chǎng)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的影響,還采用實(shí)驗(yàn)方法研究了流體脈動(dòng)和傳感器的安裝對(duì)氣體流量計(jì)氣體效應(yīng)特性的影響.張濤等人[8]對(duì)氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使得流量計(jì)的壓力損失有了較大幅度的減小.筆者利用FLUENT軟件對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,分析了氣體進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)的演變情況.在氣體流量計(jì)的流通管道中取不同的檢測(cè)點(diǎn),觀察各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)弱,以便找到Z合適的傳感器的安裝點(diǎn).同時(shí)在氣體流量計(jì)前面加導(dǎo)流片,并將改進(jìn)后的氣體流量計(jì)的壓損與傳統(tǒng)氣體流量計(jì)壓損進(jìn)行了比較.
1氣體流量計(jì)的工作原理[9]
氣體流量計(jì)主要由以下幾部分組成:起旋器、文丘里管、消旋器和檢測(cè)元件.其結(jié)構(gòu)原理如圖1.氣體流量計(jì)是根據(jù)氣體進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象為機(jī)理的流量計(jì).流體流入氣體流量計(jì)后,首先通過(guò)一組由固定螺旋形葉片組成的起旋器后被強(qiáng)制旋轉(zhuǎn),使流體形成氣體流.氣體中心為/渦核0是速度很高的區(qū)域,其外圍是環(huán)流.流體流經(jīng)收縮段時(shí)氣體加速,沿流動(dòng)方向渦核直徑逐漸縮小,而強(qiáng)度逐漸加強(qiáng).此時(shí)渦核與流量計(jì)的軸線相一致.當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)大段后,氣體急劇減速,壓力上升,于是就產(chǎn)生了回流.在回流作用下,渦核就圍繞著流量計(jì)的軸線做螺旋進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)頻率與流體的流速成正比.因此,測(cè)得氣體的頻率即能反映流速和體積流量的大小.氣體的頻率范圍一般在10~1500Hz,與流體流量Q有如下比例關(guān)系:Q=f/K
式（1）中:K）儀表系數(shù),它表示流過(guò)單位體積的流體所產(chǎn)生的脈沖數(shù),K值在儀表出廠前由生產(chǎn)者給出.

2.1流體力學(xué)控制方程和湍流模型氣體流量計(jì)的流體動(dòng)力特性可以用流體力學(xué)基本方程描述如下:
連續(xù)性方程與動(dòng)量方程:

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的k-E湍流模型用于強(qiáng)旋流或帶有彎曲壁面的流動(dòng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)一定失真,所以筆者選用的湍流模型是RNGk-E湍流模型.在RNGk-E湍流模型中,通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響,而使得這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制程中去除.
2.2物理模型、初始條件及邊界條件
計(jì)算用物理模型是如圖2的直徑為50mm的氣體流量計(jì).網(wǎng)格劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)大約為42萬(wàn).計(jì)算的流體介質(zhì)是空氣,邊界條件為:入口采用速度入口邊界條件,速度值固定為圓管中充分發(fā)展湍流的速度剖面,流量范圍為40~240m3/h.出口邊界條件設(shè)定為壓力出口,壓力值固定為一個(gè)大氣壓.管壁及起旋器表面設(shè)為無(wú)滑移邊界條件.

3計(jì)算結(jié)果分析
3.1氣體進(jìn)動(dòng)效應(yīng)流場(chǎng)演變情況
圖3為氣體進(jìn)動(dòng)效應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)的壓力演變過(guò)程,其中右側(cè)為通過(guò)軸線的縱剖面、左側(cè)為圖2的垂直剖面1.從圖3中可以看出,在氣體流量計(jì)的加速區(qū)內(nèi),壓力分布幾乎不隨時(shí)間變化,起旋器尾部靠近管壁的壓力較大,靠中心軸線附近壓力較小.這是因?yàn)榱黧w被起旋器強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)后形成氣體流,越靠近氣體中心流速越高,壓力越小.當(dāng)流體進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域時(shí),流場(chǎng)壓力隨時(shí)間作周期性的變化.從圖3右邊的垂直剖面可以看出高速流束在該截面做接近于逆時(shí)針圓周的運(yùn)動(dòng)。

3.2檢測(cè)點(diǎn)的位置對(duì)測(cè)量的影響
當(dāng)流量為160m3/h時(shí),取7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)來(lái)觀察它的壓力變化情況.7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別是:點(diǎn)1位于垂直剖面1（即擴(kuò)張段的中部）上離壁面6mm處,點(diǎn)2位于垂直剖面2（擴(kuò)張段上游5mm）上離壁面6mm處,點(diǎn)3位于垂直剖面5（擴(kuò)張段下游5mm）上離壁面6mm處,點(diǎn)4位于垂直剖面3（擴(kuò)張段上游10mm）上離壁面6mm處,點(diǎn)5位于垂直剖面4（擴(kuò)張段上游15mm）上離壁面6mm處,點(diǎn)6位于垂直剖面2上離壁面10mm處,點(diǎn)7位于垂直剖面2上與點(diǎn)1有180b相差的軸對(duì)稱點(diǎn).
圖4中的三點(diǎn)分別位于擴(kuò)張段中部和擴(kuò)張段上游5mm及下游5mm處.從圖4中可以看出三點(diǎn)的振蕩頻率一樣,在擴(kuò)張段中部和上游5mm的壓力振蕩幅度明顯比下游5mm的壓力變化大.而且在上游處檢測(cè)點(diǎn)壓力波形的相位要比下游處的要小.擴(kuò)張段中部和上游5mm處的檢測(cè)點(diǎn)壓力變化幅度相差不大,但擴(kuò)張段中部壓力的平均值要稍大一些.

圖5中的三點(diǎn)分別是位于擴(kuò)張段上游5mm、10mm和15mm處.從圖5中可以看出三點(diǎn)的振蕩頻率一樣,越靠近擴(kuò)張段的點(diǎn)壓力振蕩幅度越大,而且在這上游的三個(gè)點(diǎn)無(wú)相位差.

圖6中的兩點(diǎn)是同一垂直剖面2上距離管壁不同距離的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn),觀察圖6可以得出兩點(diǎn)的振蕩頻率一樣,壓力變化幅度相差不大,但距離管壁遠(yuǎn)處壓力的平均值要稍大一些.

圖7中的兩點(diǎn)是同一垂直剖面1上180°相差的軸對(duì)稱的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn),觀察圖7可以得出兩點(diǎn)的振蕩頻率一樣,壓力變化幅度一樣,但兩點(diǎn)壓力振蕩波形的相位差正好也為180b.如果對(duì)這兩點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)處理可以得到脈動(dòng)周期不變但強(qiáng)度增加1倍的脈動(dòng)信號(hào)[7].
 

綜上所述,在氣體流量計(jì)的流通管道中,擴(kuò)張段及其上游5mm處的氣體脈動(dòng)信號(hào)Z強(qiáng).如果采用相位差為180b的兩個(gè)軸對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行差動(dòng)處理可以使脈動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)一倍.3.3改進(jìn)模型與傳統(tǒng)模型的流量與進(jìn)動(dòng)頻率和壓損的關(guān)系氣體流量計(jì)的缺點(diǎn)之一就是它在使用過(guò)程中的壓力損失過(guò)大,為了達(dá)到降低壓損的目的,筆者將傳統(tǒng)的氣體發(fā)生前面加上導(dǎo)流片,如圖8.為了研究傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的氣體脈動(dòng)頻率與流量之間的關(guān)系及壓力損失與流量之間的關(guān)系,入口流量范圍取40~240m3/h,流量每間隔40m3/h取一次（40m3/h、80m3/h、120m3/h、160m3/h、200m3/h和240m3/h）,觀察氣體脈動(dòng)頻率的周期和進(jìn)出口壓力的情況.然后,統(tǒng)計(jì)出傳統(tǒng)模型和改進(jìn)模型的氣體脈動(dòng)頻率與流量之間的關(guān)系及壓力損失與流量之間的關(guān)系,如表1.值得注意的是,為了準(zhǔn)確捕捉脈動(dòng)周期,在計(jì)算過(guò)程中非定常迭代時(shí)間步大小要合理選擇（一定要比脈動(dòng)周期要小得多,通常小于1/10脈動(dòng)周期）.
圖9為傳統(tǒng)模型氣體脈動(dòng)頻率和壓力損失與流量的關(guān)系圖,從圖9可以看出氣體脈動(dòng)頻率與流量之間成線性關(guān)系.壓力損失$P與流量的平方成正比.通過(guò)Z小二乘法對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以得到以下關(guān)系:

圖10為改進(jìn)模型氣體脈動(dòng)頻率和壓力損失與流量的關(guān)系圖,從圖10可以看出氣體脈動(dòng)頻率與流量之間關(guān)系基本不變,但在相同的流量下,改進(jìn)模型的壓力損失明顯減少;通過(guò)Z小二乘法對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以得到以下關(guān)系:

4結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)采用RNGk-E湍流模型對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并進(jìn)行結(jié)果分析與處理,得到如下結(jié)論:
1）通過(guò)觀察不同檢測(cè)面上各檢測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況,可以分析出較佳的檢測(cè)面上適宜的檢測(cè)點(diǎn).就當(dāng)前情況而言,在擴(kuò)張段的中部以及擴(kuò)張段上游5mm處的信號(hào)Z強(qiáng).但是,在測(cè)量?jī)x器的安裝方面,擴(kuò)張段上游的安裝更加方便.如果采用相位差為180°的兩個(gè)軸對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行差動(dòng)處理則可以使脈動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)一倍.
2）在氣體流量計(jì)前加入導(dǎo)流片可以降低流量的壓力損失,克服其壓損大的缺點(diǎn).