上游双弯头对内锥流量计性能的影响

　　1 引 言

　　内锥流量计是一种新型的差压流量计。自 1993 年起，国外一些学者采用实验方法研究了上游弯头和阀门等对内锥流量计流出系数的影响[1-4]，在一定程度上获得了其抗流场扰动性能方面的认识。10 年后，国内掀起了制造与推广应用该流量计的热潮[5-7]，然而国内关于内锥流量计安装使用条件科学严谨的研究尚未见报道。本文针对 100 毫米口径、β 值分别为 0.45/0.65/0.85 的内锥流量计，开展了基线及上游同一平面连续两个 90°弯头和互成垂直平面连续两个 90°弯头的仿真和实验研究，通过流场分析，数值计算和实验结果的比对，并根据相对误差、附加不确定度等指标进行分析评价，给出了上游双弯头安装条件下的直管段长度，为内锥流量计的安装使用提供参考依据。

　　2 研究方案设计

　　设计了三大类实验，即：基线和上游同一平面连续两个 90°成 S 型结构的双弯头(简称同平面 S 型双弯头)以及互成垂直平面上连续两个 90°双弯头(简称垂直面双弯头)研究。样机测量管内径 100 mm，定义为 1D。基线实验样机上游直管段长度为 100D。双弯头实验中两个弯头之间无直管段，即 0D。本研究中弯头符合GB/T12459-2005 标准, DN100 长半径 90°弯头，曲率半径为 152 mm。内锥体的仿真几何模型与实验样机完全一致。仿真样机上游设计了 10D 直管段，保证管内流体流动为充分发展的湍流状态。

　　3 数值仿真

　　3.1 数值仿真几何模型与湍流模型

　　利用 Gambit2.2.30 软件建立三维仿真模型，为使计算模型具有较好的收敛性，采用了非结构化网格，网格类型为四面体;网格单元数量为 60 万左右;对流场影响最重要部分进行更精密的网格划分，使得靠近锥体部分的网格最密，远离锥体的网格逐渐变稀疏，保证了网格的光滑过度，使其在迭代过程中加快收敛;在模型近壁区域，采用标准壁面函数进行近壁处理，节省计算时间。入口条件设置为速度入口、流出出口，表面粗糙度为 0.5。采用 RNG k–ε[8]湍流模型，利用有限体积法[9]实现控制方程的离散化，以压力为基本求解变量;并根据 GAN等对差分格式的研究[10]，因此在仿真时，压力项采用了二阶迎风格式，其余都利用了 Quick 格式进行离散。亚松弛因子采用 FLUENT 软件的默认值，实践证明其收敛　　的效果比较好，残差收敛精度设为 10–5。

　　3.2 边界条件

　　计算时选取 5 个流速点，方向取入口端面的法线方向，湍流参数如表 1 所示。

　　3.3 仿真研究结果与分析

　　以 β=0.45，入口流速 V=2.0 m/s 为例，分析同平面 S型双弯头安装条件对内锥流量计速度场和压力场的影响。研制的内锥流量计采用的是上游管壁取压方式，为显示上下游取压点的压力信息，提取了靠近管壁的壁面线的速度场 XY 散点图和静压曲线及上下游取压点的压力信息。如图 1、2。其中锥体在水平方向的区间为(–131，22)，而锥体最小环隙在水平方向的坐标为(0，0).