C型弯管流量计的数值模拟及分析

　　计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。弯管流量计作为一种差压式流量计在实际工程中具有重要用途，它被广泛应用于水利工程、热能与动力工程、石油化学工程、给排水工程、钢铁冶金工程、天然气输送工程和核电站冷却水循环系统等领域，用于测量液体、气体和蒸汽的流量[1]。

　　在使用过程中，弯管流量计对前后直管段的安装要求并不严格，只需保证前 5D、后 2D 即可[2]。但是随着工业生产测量需要的精度越来越高，这就需要对连接弯管流量计前后直管段具体长度对流量系数影响进行进一步的研究。

　　本文就是以弯管流量计为研究对象，针对后直管段长度的变化对压力系数的影响进行数值模拟，这对 C型弯管流量计的生产应用和实现标准化起到指导作用。

　　1 弯管流量计的理论公式

　　当流体流经弯管时，由于弯管的约束作用，迫使流体在弯管内作近似于圆周的运动。流体在管道内做圆周运动必然会产生惯性离心力，该离心力的大小与流体的流速、流体的质量 ( 密度) 以及作圆周运动的曲率半径等因素有关。离心力的大小可以通过对弯管内、外侧压力差 ( Δp = p1- p2) 的测量来确定。因此，只要测出弯管内、外的压差值，就可以方便地计算出管道内流体的流速，进而算出管道内流体的流量值，这就是弯管流量计的基本测量原理，见图 1。

　　按照强制旋流理论，流体流经 90°弯管的弯管流量计的流量方程为:

　　式中: v 为平均流速; α 为流量系数; R 为弯管半径;D 为圆管直径; Δp 为内外侧压力差; ρ 为流体密度;qm为流过单位截面的流量; S 为圆管截面积[3]。

　　2 数值模拟结果及分析

　　2. 1 几何模型的建立

　　针对工业管道的不同安装情况，设置如图 2 ～ 图5 几何模型做 CFD 分析计算，通过改变两个弯管之间管段的长度，分析后直管段长度的变化对流量系数的影响。

　　2. 2 边界条件的设定

　　本文选择计算流体力学软件 FLUENT 对上述四种不同管道进行数值模拟计算，设定流体介质为常温下的水，管道半径为 100mm，入口速度为 3m/s。紊流模型的选择 Realizable k - ε 模型，为了提高计算精度，对于压力项采用的是 STANDARD，对于动量、湍流强度和湍流耗散率都选用的 QUICK 格式[4]。

　　2. 3 数据结果分析

　　经过数值计算，四个管道对于中间管道不同变化基本相似，选取图2 模型进行对入口处弯管分析，研究后直管段变化对流量系数的影响。利用弯管流量计理论公式，对入口处弯管45°处取压点进行分析，数据如表1。