V锥流量计水力空化气液两相流场数值研究

　　0　引言

　　流量计作为能源计量的重要组成部分,被广泛应用于石油、天然气、化工、冶金等领域。与孔板流量计相比,V锥流量计具有精度高、压损小、能耗低、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[1-4]。目前,国内外学者对V锥流量计的性能进行了大量的研究[5-11],并取得了一些有意义的成果,而对其稳定性的研究还很少。当流体流经泵、阀门、锥体等节流元件时,节流压降易导致空化的形成和发展[12-13],形成具有大量空泡的气液两相流动。流体挟带空泡流经下游高压区,空泡瞬间溃灭,并引发强烈的冲击波和高压微射流[14],不仅造成管线振动、阻塞、空蚀等不利影响,还会导致设备运行效率降低、仪表测量数据不精确等问题,工程中一般极力避免出现空化现象。本文针对V锥流量计空化过程进行数值计算,分析了不同入口压力、等效直径比、前后椎角对流场空化率的影响,计算结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。

　　1　模型的建立

　　1. 1　物理模型

　　建立长0. 5 m,内径0. 05 m的管道模型,V锥流量计等效直径比为0. 5前锥角45°后锥角120°采用混合网格对计算模型进行单元划分,计算模型见图1。

　　1. 2　数学模型

　　基于流体中含有非均匀分布不可冷凝的小气核,本文采用多相流混合模型进行数值计算,不考虑相间速度滑移,在低压区引入空化模型,采用k-ε湍流模型求解N-S方程,控制方程如下。

　　1. 3　边界条件

　　2　数值模拟及结果分析

　　20℃水的饱和蒸汽压为0. 0024MPa,单位体积非溶解气核数为1. 5×10-5个,水气表面张力0·0717 N/m,入口压力0. 8MPa,出口压力0. 1MPa。

　　图2给出了前后锥角为45°和120°等效直径比为0. 5的V锥流量计内各物理场云图。分析可知:当流体流过锥体时,由于锥体的节流作用使流场中低压区出现在锥后,下游距锥体一定位置压力开始迅速回升,距锥体0. 175 m处压力恢复为一定值。由速度场云图可以看出,最大速度出现在节流面积最小及偏后区域,速度可达40. 29 m/s,且锥后一定位置出现了涡流,从计算的数据可知:下游管路中轴线速度与同一截面相比最低,越靠近管壁速度相对越大。而湍动能最大值则出现在锥体下游涡流上部靠近管壁处,此处由于速度梯度差异较大,流体脉动强烈,故湍动能最大。由含气率云图可知:体积分数最大的区域与压力最低的区域相一致,可见压力是引起空化的主要原因。随着下游压力的迅速恢复,空泡溃灭,气相消失。

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