上游弯头对内锥流量计性能影响的仿真与实验研究

　　0　引　言

　　内锥流量计现已广泛应用于天然气、石油等流量测量领域,安装条件对内锥流量计性能影响成了国内外讨论与关心的热点。国外一些学者[1-4]利用实验方法研究了上游弯头和阀门安装条件对内锥流量计流出系数的影响及内锥流量计的抗流场扰动性能,采用的介质多为液体或气体单相流体。近年来,国内也掀起了推广应用内锥流量计的热潮[5-7]。作者针对100mm口径、β值分别为0.45、0.65、0.85的内锥流量计,开展了基线及上游不同直管段长度的单个90°弯头、同一平面S型双弯头和互成垂直平面双弯头的仿真和实验研究,根据相对误差、附加不确定度等指标进行分析评价,给出了上游三种类型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。

　　1　样机、研究方案设计

　　1.1　样机设计

　　内锥流量计样机结构设计如图1所示。样机装配是通过中央法兰对锥体进行灵活更换,锥体与测量管安装的同轴度通过特制精密工装保证。

　　1.2　研究方案设计

　　仿真和实验类型分为基线和上游安装条件为:单90°弯头、同一平面S型双弯头和互成垂直平面双弯头四类,其中双弯头之间无直管段,旨在研究对流场影响最为恶劣的双弯头工况条件。弯头符合GB/T12459-2005标准,DN100长半径90°弯头,曲率半径为152mm,法兰焊接形式为平焊。仿真的锥体几何模型与实验样机完全一致。管内径100mm,定义为1D。为保证管内流体流动为充分发展的湍流状态,实流实验样机上游直管段100D,仿真实验样机上游直管段10D,研究方案设计如表1。

　　研究方案设计中“√/√”表示已开展的“仿真/实流实验”。符号“D”表示管道内径(D=100mm),表中2D表示样机上游法兰端面与弯头法兰端面之间连接的直管段长度为2D(即:2×D=200mm)。

　　2　数值仿真

　　2.1　数值仿真几何模型

　　利用Gambit软件建立三维仿真模型,采用使用性强的非结构化网格,网格类型为四面体;网格单元数量为60万左右;并对流场影响最重要部分进行精密的网格划分,靠近锥体部分的网格最密,远离锥体时网格逐渐变稀疏,保证了网格的平滑过渡,使其在迭代过程中加快收敛;在模型近壁区域,采用标准壁面函数法进行近壁处理,并在仿真计算软件FLUENT中,对网格类型进行了优化和转换,将四面体网格转换为多面体网格,节省了计算时间,如图2所示。入口条件设置为速度入口、流出出口,表面粗糙度为0.5。

2.2　RNGk-ε湍流模型

　　湍流模型采用RNGk-ε[8],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。根据GAN等的研究[10],对于不可压缩流体的差分格式最精确的是采用Quick格式。但Quick格式主要用于四边形网格和六面体网格。而该研究所划分的网格都是四面体网格,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,残差收敛精度设为10-5。