双锥流量计实验研究与计算模拟

　　传统的节流式流量计存在测量精确度偏低,流出系数不够稳定,测量范围度小(一般仅有3∶1至4∶1),现场安装条件要求高,需较长的表前直管段(如孔板),压损大、易被磨损等缺点[1,2].近年来人们对于节流装置的优化改进工作一直没有停止.V型内锥流量计就是一种新出现的差压流量计,它具有压力损失小,要求前后直管段短、抗脏污等优点[3,4].近几年来国内外研究人员对内锥流量计的结构设计与安装使用条件等方面进行了研究[5,6];以流线型纺锤体作为节流件的槽道流量计,从理论上来讲,这样的结构不仅能够很好地调整流动和保持流动稳定,而且完全避免了流动分离,可以从根本上提高测量重复性和精确度,同时显著减少压力损失[7].但V型内锥流量计在结构上还存在着不足,它的尾部形成钝体,流动分离,产生大量漩涡,耗散很大能量,同时在此处得不到稳定取压信号;它的悬臂式结构也不够稳定,可能产生振动,影响测量结果[8,9].槽道流量计虽然能避免V锥流量计的缺点,但是纺锤体外形加工工艺较复杂,成本也较高[8].

　　本文研究的双锥流量计是一种新型的差压式流量计,其节流件结构如图1.该节流件由前后锥角相等的两个锥体组成,加工简单,结构坚固,安装在管道中十分稳定.过去,有人利用FLUENT仿真软件在二维仿真计算模型上对双锥流量计进行数值模拟研究,但与实流实验结果的吻合效果并不理想.本文在此基础上对模拟部分进行了改进,采用了三维仿真计算模型,然后将模拟结果与实流物理实验结果相比较,探索双锥流量计的测量性能.

　　1　双锥流量计的理论基础

　　1.1　双锥流量计的基本结构

　　双锥流量计的简化结构示意图如图2,即在封闭的管路中同轴安装了一个双锥节流件,该节流件由前后两个完全相同的锥体和中间宽度20mm用于固定的喉部组成.P1,P2,P3分别为三个取压口,其中P1口位于上游流体收缩前某处,P2口位于节流件喉部正中间最小流通面积处,P3口位于下游流体恢复时的某处.此差压流量计的差压信号可以由P1,P2间的喉部差压产生,也可以由P1,P3间的两端差压产生.d/D即为直径比β，保持锥角角度和喉部长度不变,只改变直径比β,对三个β为0.4,0.5,0.6的双锥进行模拟研究与实验测试分析.

　　1.2　双锥流量计的工作原理

　　基于伯努利方程和流体连续性方程,节流式差压流量计的流量与差压间的关系满足下列公式:

　　式(1)中:Qν—流体体积流量(m3/s);C—流出系数,无量纲;ε—被测介质的可膨胀系数,研究中采用的介质为不可压缩液体,其膨胀系数为1;β—直径比,无量纲;Δp—差压(Pa);ρ—流体密度(kg/m3).