不同雷诺数下均速管流量计流量系数的确定

　　目前,均速管流量计在大口径、大流量气体介质管道的测量中应用非常广泛.在中国西气东输世纪工程内径为一米的干线管道上,选用了50台美国Emerson公司的均速管流量计,占总量96台的52%.此外,均速管流量计在电力、冶金、石化等行业中,也得到广泛应用.大口径、大流量气体介质管道的测量除了可以采用均速管流量计外,还可以采用许多其它方法,诸如插入式涡街流量计、热式质量流量计[1]、超声波流量计和孔板流量计.人们之所以采用均速管流量计是因为它结构简单,价格低廉,尤其是其不可恢复的阻力损失小(仅为孔板的百分之几),这在能源短缺的今天具有重大意义.毛新业[224]、方原柏[5]等人已对圆形管道内流速分布、均速管流量计检测杆形状、检测孔位置分布等进行了研究,这些方面是影响均速管流量计测量误差的主要因素,现已比较成熟.均速管流量计的内部流动非常复杂,在较高精度的均速管流量计中,由于其检测杆形状等因素均已被限定,内部流动的复杂性就是带来测量误差的主要源头.波兰人Dobrowolski[6]对均速管内部流动进行了数值模拟,他选择的检测杆长度D=20~200 mm,雷诺数范围6.2×104≤Re≤3.1×105.数值仿真得到的数据与实验结果基本吻合,证明对均速管流量计内部流动进行数值模拟是可行的.

　　由于均速管流量计结构的特殊性,其流量系数在不同雷诺数下变化很小.目前在实际应用中,均速管流量计的流量系数取值不随雷诺数的变化而变化,是某一固定值,为获得更精确的测量结果,本文给出了不同雷诺数下均速管流量计流量系数的计算公式.选用检测杆有效长度为300 mm的子弹头型Verabar均速管流量计作为模型.该流量计的流量系数K取决于探头的尺寸,取压孔的位置,以及探头截面与管道截面的面积比,与雷诺数关系不大.为便于比较,本文采用Gambit建立模型;选择模拟的雷诺数范围为1.21×105≤Re≤6.05×105,由雷诺数公式Re=UD/ν,在常温下对应的速度范围为6~30 m/s,其中U是流动的特征速度、D是管道直径、ν是流体运动粘性系数;在不同雷诺数下对管道内气体流动进行数值模拟,得到流量计内部流动的速度和压力分布,取出压差值,根据公式算出流量系数K;总结不同雷诺数下K的变化规律.

　　1　控制方程

　　采用k-ε湍流模型来仿真均速管流量计内部流场,基本控制方程为[7]

　　式(1)和(2)中,Ui是流体平均速度分量;P是流体压力;ρ是流体密度;ν0是流体的运动粘性系数.

　　式(3)中,δij是克罗内克数,νt是流体的湍流运动粘性系数

　　2　数值方法

　　计算区域不可选用风洞,因为气体在风洞内各点流动速度基本相等[8].如图1所示,本文选择模拟的大口径管道直径D =300 mm,使均速管检测杆充满管道;三对取压孔是按照切比雪夫分布[9],此法已为ISO TC30所确认;阻塞比为8.5%,可忽略检测杆对管道内流速的影响;流量计前后直管段长度分别为L1=40D,L2=5D,使均速管处的流动是充分发展湍流.