不同压力下内锥流量传感器压力损失系数的数值模拟研究

　　1　引　言

　　内锥流量传感器是近年发展势头良好、优点突出的一类新型流量测量装置。由于其自身的一些特点,使它在工业中的应用越来越广泛。

　　因传感器涉及锥体绕流这样一个复杂的流体力学问题,因此吸引了许多研究者对其进行研究。当流体流过锥体时,会受到锥体的阻力作用而导致压力损失,研究者给出了一个压力损失系数Cd,用来计算内锥流量传感器的压力损失。Cd受多种因素的影响,如锥体形状和粗糙度以及流体的内部状况等[1,2]。 2003年Turki S等[3]研究了锥体迎流面宽度与管道直径比值对Cd的影响。压力损失系数Cd的变化规律是比较复杂的。这里通过在内径为0.1m的管道内进行模拟实验, 改变管道内气体的压力,对压力损失系数Cd的变化进行了分析,发现Cd值会受到管道内气体压力变化的影响。*

　　2　内锥流量传感器的工作原理

　　内锥流量传感器包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的,在尖圆锥体的两端产生差压[4]。此差压的高压(正压)是在上游流体收缩前的管壁取压口处测得的静压力P1,如图1所示,而低压力(负压)则是在圆锥体朝向下游端面锥中心轴处所开取压孔处的压力 P2。该圆锥体的顶尖朝向来流,该圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区。由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近,并且也不再是一个阻挡物(节流件)令流体突然改变流动方向,而是利用这种结构新颖的内锥节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩(节流),使内锥流量传感器具有了一系列独特的优点:①具有自整流作用,基本不需要直管段;②良好的抗脏污能力;③由于边界层效应,保护内锥最大外径处dv的尺寸面能很长时间不被磨损。

　　3　模型建立

　　3.1　几何模型和湍流模型的建立

　　建立长L =10mm,内径D =0.1mm的管道模型,模拟了前锥角为45°,后锥角为120°的内锥体压力损失情况。

　　由于锥体为旋转体,具有轴对称特性,在进行数值模拟实验时,所建立的模型为二维结构,并进行了简化处理(计算域选取一半),如图2所示。

　　在网格的剖分方面,采用了四边形和三角形相结合的结构化网格[5],在靠近锥体部分的网格进行加密设置,越靠近管道两端,网格越稀疏。这样做的目的是为了保持网格的光滑度,避免因临近单元体积或面积的快速变化而导致大的截断误差,节省计算时间。图2即是采用此方法进行的网格剖分,在图2中,网格数目为15万个,模型结构经过数值模拟测试,得到压力损失的数值变化范围小于5%,满足精度要求。