设计参数对V锥流量计性能影响的数值研究

　　0　引言

　　流量计作为能源计量的重要组成部分,广泛应用于石油、天然气、冶金、电力等领域。随着节能降耗新技术的开发和利用,如何有效的实现节约能源已成为各大企业非常关注的问题。伴随着成品油管道与天然气管道的不断发展,流量计的节能技术已成为目前国内外学者研究的一个热点问题[1]。与孔板流量计相比,V锥流量计具有精度高、压损小、能耗低、重复性好、量程比宽、稳定性强等优点成为今后极具发展的流体计量仪器[2-5]。V锥流量计的流场分布是基于钝体绕流这一复杂流动现象形成的,受结构参数影响较大,因此研究V锥流量计内部流场特性对改善计量性能具有重要意义[6]。目前研究的手段主要有经典流体力学、实验流体力学和计算流体力学三种,而这三种手段各有长处和缺点。随着计算机的不断发展,计算流体动力学已经成为研究复杂流动换热问题不可缺少的重要工具。本文借助大型流体动力学软件FLUENT软件,对V锥流量计的三维流场进行仿真计算。得到了不同雷诺数与流出系数的关系,并对设计参数进行数值分析,可为工程实际应用提供理论基础。

　　1　模型的建立

　　1. 1　物理模型

　　建立了长0.5 m,内径D=0.05 m的管道模型,设计了等效直径比为0.45、0.65、0.85,前锥角分别为45°、50°,后锥角分别为120°、130°、140°,共18种计算模型。采用四面体网格对计算模型进行单元划分。图1为等效直径比0.85,前锥角45°,后锥角120°时的V锥流量计三维计算网格局部放大图。

　　1.2　数学模型

　　这里选用的流体介质为柴油,可看做不可压缩流体。入口为速度边界,出口为自由出流。通过计算流体雷诺数,保持流态处于湍流区域。任何流体的流动均满足质量守恒定律和动量守恒定律,湍流模型采用RNGk-ε方程,RNGk-ε与标准的k-ε方程相比,主要区别在于通过修正湍动粘度[7],考虑了平均

流动中的旋转及旋流流动,并在ε方程中添加了主流时均应变率Eij,从而可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。V锥流量计三维流动数学模型如下。

　　质量守恒方程

　　2　数值模拟及结果分析

　　图2给出了等效直径比0.85前锥角45°后锥角120°的V锥流量计流场分布图。分析可知:随着流体不断靠近锥体,边壁逐渐收缩,通流面积减小,流体节流收缩于管内壁面,在锥体背侧形成一个较大的低压涡流分离区。且在锥体背侧一定距离处,随着流通面积的增大,流速和压力开始逐渐恢复到截

流前的数值。

　　图3给出了V锥体前后锥角固定,不同等效直径比时雷诺数与流出系数的变化关系。分析可知:相同条件下,等效直径比相对越大,流出系数越小。且等效直径比一定时,流出系数随雷诺数的增大而增大,但增值幅度减小并开始逐渐趋于某一常数。