燃气方柱绕流流量计量流场特性的数值模拟

　　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]。

　　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。①

　　2　数值模拟模型

　　2.1　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在湍流状态,故需对湍流进行处理。现在工程计算中的湍流模型很多,选取不同湍流模型会直接影响计算结果。经过多次试算,本文数值模拟选择FLUENT中湍流运动的RNGk-ε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RNGk-ε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ε,便可得到如下控制方程[2~4]:

　　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。

　　2.2　物理模型、初始条件及边界条件

　　本文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,其物理模型及求解区域放大如图1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, 10. 5, 20. 2, 29. 8,39.1,50.6,65.7m/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。