V锥流量计的CFD数值模拟与分析

　　1　引　言

　　近年来,计算流体力学(CFD)方法越来越多地用于流量仪表的优化设计和性能预测。实践证明,这是一种有效的辅助设计手段[1,2]。V锥流量计利用内装V形锥体节流装置实现对流体的逐渐向管内壁面的收缩,使V锥流量计比传统节流式流量计具有压力损失小、量程大、小雷诺数下测量线性度高等优点。本文运用CFD技术,对小口径V锥流量计进行了数值模拟,得到了压力和流速分布等数值模拟结果。

　　2　流量计的结构

　　V锥流量计的主要部件是在壳体中同轴安装的V锥体和用来固定V锥的支架,如图1所示。当流体流经锥形体时,在锥形体的前后产生一定的压力差。测压位置分别安置在靠V锥上游侧的高压区和V锥下游侧的低压区,以此得到压力差。此压力差与流量成正比关系。

　　3　计算方法

　　3·1　数学模型

　　当介质为水时,由雷诺数可知,在量程范围内,流量计内部的流动为湍流流动。采用标准k-ε湍流模型,结合三维不可压缩粘性流体的N-S方程,建立封闭方程组。近壁面区域采用强化壁面函数进行处理。其中湍动能k的输运方程和湍流耗散率ε的输运方程分别为:

　　本文采用SIMPLE算法进行压力-速度耦合,用有限体积法对算例进行离散处理。压力采用彻体力加权(BodyForceWeighted)离散格式,动量、湍动能与湍动能耗散率均采用二阶迎风离散格式。

　　3·2　网格划分、初始条件以及边界模型简化条件

　　由于流量计的对称性,可取1/4的流道为工作区域对其进行数值模拟。由于对低雷诺数下的近壁面模型对网格质量要求较高,近壁面第一层网格高度须满足尺度因子y+=1~5,因此必须在壁面附近细分网格。近壁面第一层网格高度ywall可以由下式计算[3]:

　　式中,Vref、Lref分别是参照速度和参照长度。为了减少计算时间,将计算区域划分为进口延伸段、中间段和出口延伸段三个区域。近壁面网格为六面体网格,进口和出口延伸段的为五面体网格,中间段为四面体网格。本文运用FLUENT中的GAMBIT生成网格,如图2所示。计算工况为:流体介质为常温下的水;入口边界条件设为入口速度,即已知流量;出口边界条件为给定压力。

　　4　计算结果与分析

　　现以流量为0·25 m3/min工况为例,对V锥流量计内部流动特性进行计算和分析。

　　图3给出了锥形体上静压力沿轴线方向的分布曲线。可以看出,在流体流经锥形体时,随着流体的通流面积逐渐减小,流速逐渐增加,压力也逐渐下降。在锥体下游某一位置达到最低值。然后压力又随着流道的扩张而逐渐恢复。