上游单弯头对内锥流量计性能影响的仿真与实验研究

　　1　引　　言

　　内锥流量计是一种新型的差压流量计,现已成功应用于天然气、石油等流量测量领域。随着内锥流量计的推广应用,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。StephenA. Ifft[1]等人研究了上游单个90°弯头与不在同一平面的、前后紧节的双90°弯头对内锥流量计的影响。StephenA. Ifft[2]研究了全开和半开阀门对内锥流量计流出系数的影响。此后, S. N.　Singh[3]、Darin George[3]、R. .j w. Peters[3-4]先后对内锥流量计的抗流场扰动性能开展了实验研究。在国内,天津大学的流量实验室先后进行了关于内锥流量计流出系　　数、可膨胀系数及湿气测量等方面的研究工作,取得了一些宝贵的经验成果[5-7]。

　　近年来,国内也掀起了推广应用内锥流量计的热潮,而对内锥流计使用安装条件的科学严谨的实验研究报道尚未见到。本论文针对100 mm口径、节流比分别为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°弯头影响的仿真和实验研究,根据相对误差、附加不确定度等指标进行分析评价,给出了上游单个90°弯头安装条件下的直管段长度。

　　2　样机、研究方案设计

　　2.1　样机设计

　　内锥流量计样机结构设计如图1所示。

　　样机装配方式如图2所示,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。

　　2.2　研究方案设计

　　仿真和实验各分为两大类,即基线测试和上游弯头连接不同直管段的测试,其中以基线测试作为参考基准。本实验中弯头符合GB/T12459-2005标准,同样为DN100长半径90°弯头,曲率半径为152 mm,法兰焊接形式为平焊。仿真实验时内锥体几何模型尺寸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表1给出了研究方案设计,“√/√”表示已开展的“数值仿真/实流实验”。符号“D”表示管道内径,表中2D表示样机上游法兰端面距离弯头法兰端面的长度为2D。

　　3　数值仿真

　　3.1　数值仿真几何模型

　　利用Gambit2.2.30软件建立三维仿真模型,网格类型为四面体;网格单元数量为58万左右,具体划分网格时,以靠近锥体部分的网格最密,远离锥体时网格逐渐变稀疏,目的是对流场影响最重要部分进行更精密的网格划分,从而保持网格的光滑过度,使其在迭代过程中加快收敛,节省计算时间;入口条件设置为速度入口、流出出口,表面粗糙度为0.5。几何模型与网格剖分如图3~5所示。