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涡街流量计在城市燃气计量中的应用

涡街流量计在城市燃气计量中的应用

2013/8/1 9:37:25

1 引言 目前,在城市燃气计量中应用着基于各种测量原理的多种仪表。但是,经过分析和比较后发现:这些燃气流量测量仪表均存在着流量下限瓶颈问题,即在仪表流量下限以下流量不能实现准确计量或根本不能计量问题,城市燃气小流量漏计问题突出。为了解决该问题,我们提出并设计研制了一种新型的城市燃气流量计,能够实现对城市燃气的宽量程计量。该流量计在燃气大流量段时应用流体振荡测量原理进行测量,即采用涡街流量计的测量原理完成大流量测量[1]。 由于漩涡发生体的阻流作用,燃气管道中的流场变得异常复杂,难以解析地求得流场分布情况,所以至今人们对漩涡发生体后漩涡的形成和脱落的认识大多依赖于经验和实验。这对于优化设计新型宽量程燃气流量计都十分不利[2][3]。 本文从描述漩涡运动的经典流体力学基本方程出发,以计算流体力学软件FLUENT为平台对宽量程燃气流量计的方柱绕流流场进行数值模拟,并将模拟结果与实测数据比较,结果表明数值模拟结果与管道燃气实际流动状况具有很好的一致性。 2 数值模拟模型 2.1流体漩涡脱落现象的数值模拟方法 单钝体绕流的漩涡脱落特性和受力情况,除采用实验方法进行测定外,还可用数值模拟方法进行计算分析。 数值模拟方法主要有两类,即经验的模型法和直接流场模拟法[4][5]。 经验的模型法,这类方法不考虑具体流体结构,将流体及其中的振荡物体视作一个整体系统。然后用一组适合的模型方程对其进行描述,其中包括采用一些已知结果的或用经验确定的系数,以便求解后可以较好地再现系统的运动特性,并从总体上可对现象本身的物理本质上有一个较直观的了解。目前得到广泛使用的主要是尾流振荡器模型和相关模型,可用于求解各种具体问题。但这类方法主要依赖于实验结果,因而有一定局限性。 直接流场模拟法有直接求解Navier-Stokes方程式的各种差分方法,有限分析解方法,有限元方法,有限体积法、谱方法和基于边界层方程的各种正、反解法以及粘性/无粘性干扰方法,离散涡方法或直接求解Navier-stokes方程等。其计算过程包括流动模型选择(列出控制方程式),方程式的离散、离散方程式的求解等。这些方法可以给出整个流场情况的详细描述,但计算相当复杂,特别是流动Re数较高时,更为困难。在流场计算中应用较多的为涡方法和有限差分和有限体积法。 鉴于本文的流体力学数值模拟使用的是FLUENT商业软件,故将着重介绍非定常流体力学问题的有限体积法。 有限体积法(finite volume method),简称FVM,就是在物理空间中选定的控制体积上把积分型守恒律直接离散的一类数值方法。离散一方面是指把计算区域分成网络(或单元),另一方面是指把积分守恒律离散成线性或非线性代数方程组。 有限体积法(FVM)将计算域划分成若干规则或不规则形状的单元或控制体。有限体积法是计算出通过每个控制体边界沿法向输入(出)的流量和动量通量后,对每个控制体分别进行流量和动量平衡计算,便得到计算时段末各控制体平均压力和流速。 由此,FVM正是对于推导原始微分方程所用控制体途径的回归,其物理意义更直接明晰。如跨边界通量的计算只使用时段初值,为显式FVM;反之,当涉及时段始末的值时,则为隐式FVM。因为跨控制体间界面输运的通量,对相邻控制体来说大小相等,方向相反,故对整个计算域而言,沿所有内部边界的通量相互抵消。对由一个或多个控制体组成的任意区域,以至整个计算域,都严格满足物理守恒律,不存在守恒误差,并且能正确计算间断。 2.2流体力学基本控制方程组 流体在宽量程流量计燃气管道中的流动为时变涡流。由于在数值模拟的流量范围内流体都是在湍流状态下,故需要对湍流进行处理。 现在工程计算中的湍流模型很多,选取不同的湍流模型会直接影响计算的结果。经过多次试算,本文数值模拟中选择FLUENT中湍流运动的RNG k- 方法对湍流进行处理。 RNG的基本思想是通过在任意空间尺度上的一系列连续的变换,对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率的描述。采用RNG k- 湍流模型来模拟方柱绕流二维流场,将RNG方法用于雷诺平均N-S方程并引入湍能k及其耗散率 便可得到如下控制方程[6][7]: 连续方程:

方柱等钝体绕流的数学模型都是建立在质量守恒定律上的连续性方程、动量守恒定律上的运动方程和热力学第一定律上的本构方程基础上的,决定方程解的因素是边界条件的变化[8]。 2.3物理模型、初始条件及边界条件 本文中将对管道燃气计量中所用的方柱单钝体燃气绕流进行数值模拟研究,其物理模型如图2-1所示,求解区域放大如图2-2所示。 本例中为对比应用DN200宽量程燃气流量计,在模拟中设定方柱体迎风面的宽度为0.05m,求解区域的宽度为0.20m,长度为0.50m。将漩涡发生体放置在离右侧入口0.10m处的正中央。

为了对离散后的流体力学方程组进行数值计算,需要给出定解条件,包括边界条件和初始条件。 ①入口边界 入口边界设定速度入口,给定流体流速,为与实测值对比,速度分别取为:5.3 m/s,10.5 m/s, 20.2 m/s, 29.8 m/s,39.1 m/s, 50.6 m/s ,65.7m/s等7个流速情况。 ②出口边界 出口边界条件设定为压力出口,压力出口的压力为一个大气压,即表压为零。 ③壁面条件 包括流体流动管壁和方柱体壁面的条件,对这两种壁面采用相同的处理方法。 ④网格划分 由于该问题的几何边界比较简单,使用GAMBIT把求解区域按结构化矩形网格进行划分。 3 数值模拟结果 数值模拟中采用方柱钝体形式,网格划分如图2-1和图2-2所示,网格采用结构化网格,入口边界设定速度入口,给定流体平均流速。

图3入口平均流速39.1 m/s时方柱体典型的一个漩涡脱落周期的速度等值线图(天然气) 图3表示了基于RNG方法的湍流模型能够捕获方柱体燃气绕流流场的不稳定和剧烈分离的特征,描述了天然气介质中一个完整的漩涡脱落过程。 限于文章篇幅,这里只给出入口平均流速39.1 m/s时管道方柱天然气绕流典型的一个漩涡脱落周期的速度场等值线图。而动压等值线图、流线图及其他流速和燃气介质的相关图与此类似。 4 数值模拟与实测结果比较 为与实测结果进行对比,数值模拟时流体介质同样分别采用天然气、人工煤气等不同燃气介质的物性参数。温度设定为实测温度(294.6K),压力为一个标准大气压(101325Pa)。 实测装置采用由哈尔滨工业大学投资建立的燃气流量宽量程计量标准装置。该装置于2004年8月获得黑龙江省质量技术监督局授权,经过2年多的检定运行,并与国家原油大流量站(大庆)检定装置对比表明,该装置具有良好的稳定性、重复性,装置精度0.5级。 数值模拟与实测结果比较见图4所示。

为与实测值对比,流体平均流速分别取为: 5.3 m/s,10.5 m/s, 20.2 m/s, 29.8 m/s,39.1 m/s, 50.6 m/s ,65.7m/s等7个流速情况。 5、结论 本文从描述漩涡运动的经典流体力学基本方程出发,以计算流体力学软件FLUENT为平台对管道单钝体燃气绕流计量流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实测数据进行了比较。结果表明数值模拟结果与管道燃气实际流动状况具有很好的一致性,计量流场中漩涡的脱离频率不依赖于介质的物性,在漩涡发生体尺寸一定的情况下,数值模拟和实测频率均正比于被测介质的流速。在新型燃气流量计的研制中可以应用数值模拟方法来指导和优化流量计的结构设计。 参考文献: [1] Li Chaohui,Dai Jingmin. A gas mass flowmeter with two measurement limits [J]. Measurement Techniques,2005,48(5): 487-491 [2] 夏泰淳.工程流体力学[M].上海:上海交通大学出版社,2006. [3] 童秉刚,张炳暄,崔尔杰主编.非定常流与涡运动.北京:国防工业出版社,1993 [4] 孙志强,张宏建,黄咏梅. 涡街流量计流场特性的数值仿真研究[J].自动化仪表.2004,(25),5:10-13 [5] 王远成,吴文权.基于RNG k- 湍流模型钝体绕流的数值模拟[J].上海理工大学学报.2004,(26),6:519-523 [6]YasutakaNagano,Yoshihiro Itazu.Renormalization group theory for turbulence:Assessment of the Yakhot Oiszag Smith theory [J]. Fluid Dynamics Research.1997,20(6):157-172 [7] Speziale G,Thangam S .Analysis of an RNG fased turbulence model for separated flows [J]. Int J Engrfg Sci.1992,30(2):1379-1384. [8] 彭杰纲,傅新,陈鹰.双钝体涡街流量计流体振动特性实验研究[J].机械工程学报. 2002,(26),8:519-523

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