摘要:通過CFD流體軟件對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)壓力損失進(jìn)行了數(shù)值模擬,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為汽油與柴油的混合物。內(nèi)錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)經(jīng)常使用于流體計(jì)量,在保證兩種流量計(jì)流通面積相等的條件下,對(duì)它們的壓力損失進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失僅為孔板流量計(jì)壓力損失的30%左右,將內(nèi)錐流量計(jì)應(yīng)用于流體計(jì)量,可以起到節(jié)能降耗的作用。
0引言
在許多情況下,由壓力損失所引起的額外的耗能費(fèi)用是選用流量計(jì)時(shí)必須要考慮的一個(gè)重要因素。流量?jī)x表的壓力損失小已經(jīng)是選擇流量計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于內(nèi)錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)使用的條件相似,并且使用廣泛,因此有必要對(duì)這兩種流量計(jì)進(jìn)行壓力損失比較,以便選出更合適的測(cè)量?jī)x表。雖然人們對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行過比較,但目前文獻(xiàn)[1-2]中所作的比較存在兩個(gè)問題。第一,文獻(xiàn)中多是通過比較兩種流量計(jì)的壓力損失計(jì)算公式來對(duì)兩種儀表進(jìn)行比較。
對(duì)于孔板流量計(jì),它的歷史較長(zhǎng),有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),可以直接算出壓力損失。對(duì)于內(nèi)錐流量計(jì),它的歷史相對(duì)較短,沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),給出的一些計(jì)算公式也不太成熟,通常計(jì)算值與真實(shí)值之間存在較大的誤差。例如,內(nèi)錐流量計(jì)的生產(chǎn)廠家即使是按照行業(yè)規(guī)范生產(chǎn)的同一型號(hào)的內(nèi)錐流量計(jì),其給出的計(jì)算內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失系數(shù)也是各不相同的,這就給用公式計(jì)算壓力損失帶來了誤差。第二,對(duì)兩種流量計(jì)壓力損失比較時(shí),并沒有規(guī)定兩種流量計(jì)的有效流通面積相同,所得到的結(jié)果缺乏說服力。基于以上兩個(gè)原因,本文用CFD數(shù)值模擬的方法,計(jì)算出內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失,并在保證有效流通面積的條件下對(duì)兩種流量計(jì)的壓力損失進(jìn)行了比較,并且對(duì)兩種流量計(jì)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析,對(duì)選用流量計(jì)及計(jì)算內(nèi)錐流量計(jì)的能耗都有很好的參考價(jià)值。
1模型建立
1.1幾何模型和湍流模型的建立
建立長(zhǎng)L=14m,內(nèi)徑D=0.2m的管道模型,模擬了前錐角為45°,后錐角為120°的V錐體壓力分布情況。
由于內(nèi)錐體為旋轉(zhuǎn)體,具有軸對(duì)稱特性,在進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),所建立的模型為二維結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理(計(jì)算域選取一半),如圖1所示。
在網(wǎng)格的剖分方面,采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[3-4],如大比率四邊形網(wǎng)格計(jì)算長(zhǎng)管形狀流場(chǎng),網(wǎng)格數(shù)量明顯減少,在靠近錐體部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密設(shè)置,越靠近管道兩端,網(wǎng)格越稀疏。這樣做的目的是為了保持網(wǎng)格的光滑度,從而加速迭代收斂速度,避免因臨近單元體積或面積的快速變化而導(dǎo)致大的截?cái)嗾`差,節(jié)省計(jì)算時(shí)間。另外,在相同網(wǎng)格數(shù)量下,為更好保證計(jì)算精度,對(duì)流場(chǎng)影響最重要的部分進(jìn)行了更精密的網(wǎng)格剖分。圖1即是采用此方法進(jìn)行的網(wǎng)格剖分。
利用RNGκ-ε[5]模型進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示出了較好的預(yù)測(cè)性。另外,在近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。利用有限體積法實(shí)現(xiàn)控制方程的離散化,在求解離散方程過程中,采用以壓力為基本求解變量的求解方法,即SIMPLE算法進(jìn)行求解。差分格式采用二階迎風(fēng)格式。
1.2邊界條件和工作流體物性
邊界條件包括壁面、對(duì)稱軸、速度入口和壓力出口。流體從速度入口進(jìn)入,流經(jīng)節(jié)流裝置,最后由壓力出口流出。
內(nèi)錐流量計(jì)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為柴油與汽油的混合物,其物理性質(zhì)見表1所示。
2內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失模擬實(shí)驗(yàn)
傳統(tǒng)測(cè)量孔板流量計(jì)壓力損失的方法[6]如圖2所示,分別測(cè)出、兩點(diǎn)之間的靜壓力,所得差值即為孔板壓力損失。為了使模擬的壓力是不可恢復(fù)性壓力,P1、P2兩點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡量遠(yuǎn),在本模擬實(shí)驗(yàn)中管道直徑D=0.2m,P1、P2兩點(diǎn)之間的距離取50D,即兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)相距10m遠(yuǎn),模擬結(jié)果如表2所示。
3內(nèi)錐流量計(jì)與孔板流量計(jì)壓力損失比較
對(duì)于孔板流量計(jì)的壓力損失,用(ISO5167-2:2003)給出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與內(nèi)錐流量計(jì)壓力損失的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。為了更好地對(duì)內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失與孔板的壓力損失進(jìn)行比較,選擇了有效流通面積相同的內(nèi)錐流量計(jì)和孔板流量計(jì)進(jìn)行比較,這樣的比較才有意義[7]。
內(nèi)錐流量計(jì)錐體最大截面圓的直徑是dv=0.152m,流量計(jì)的直徑D=0.2m,管道截面面積Sc=0.031m2,有效流通面積為Sv=0.013m2。將內(nèi)錐流量計(jì)的有效流通面積轉(zhuǎn)換為孔的面積,則對(duì)應(yīng)的有效孔徑βv比為
取孔板流量計(jì)與內(nèi)錐流量計(jì)有效孔徑比最接近的值βo=0.65。根據(jù)Reader-Harris[8]給出的流出系數(shù)的計(jì)算公式,求得平均流出系數(shù)C=0.61。在2003年實(shí)施的孔板流量計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO5167-2:2003)中,壓力損失系數(shù)的計(jì)算公式為
將βo=0.65,C=0.61代人式(2),可以得到K=13.37
計(jì)算壓力損失Δpo的公式為
將流體密度ρ=836.4kg/m3與K=13.37代人式(3)可以得到
圖3反映了由式(4)計(jì)算出的在不同流速下孔板流量計(jì)的壓力損失曲線和內(nèi)錐流量計(jì)壓力損失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從圖3可以看出,在流通面積一定的情況下,孔板的壓力損失要大于內(nèi)錐流量計(jì),并且隨著流速的增加而增加。表3列出了在不同流速下,孔板流量計(jì)與內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失,其中n為孔板流量計(jì)與內(nèi)錐流量計(jì)壓力損失的比值。
4內(nèi)錐流量計(jì)與孔板流量計(jì)能耗的比較
4.1計(jì)算動(dòng)力與能量消耗和年耗能費(fèi)
對(duì)于液體,可采用以下的計(jì)算公式[9]
P′=Δp·v·S/η
式中P′———所需要的功率,kW;
Δp———壓損損失,kPa;
v———工況下的流體的速度,m/s;
S———管道的橫截面積,m2。
計(jì)算年耗能費(fèi)
Co=P′。t·X
式中Co———年耗能費(fèi),元;
t———運(yùn)行時(shí)間,h;
X———電價(jià),元/kW。h。
由于孔板前后都有大旋渦,在大幅值脈動(dòng)壓力的背景噪聲條件下,只能通過縮小孔徑,提高差壓上限值來實(shí)現(xiàn)有效的流量測(cè)量。因此孔板的壓力損失必然增大。
由于內(nèi)錐流量計(jì)測(cè)量壓差的背景噪聲小,可以檢測(cè)出較小的壓差,因此內(nèi)錐流量計(jì)的壓損必然比孔板的壓損小,年耗能費(fèi)也小。
4.2舉例分析
提到的內(nèi)錐流量計(jì)與孔板流量計(jì)為例，工業(yè)電價(jià)為1元/kW·h,做出它們的年耗能費(fèi)比較圖,如圖4所示。
從圖中可以得到,隨著流速的增加內(nèi)錐與孔板流量計(jì)年耗能費(fèi)也逐漸增大,而孔板流量計(jì)的年耗能費(fèi)要大于內(nèi)錐流量計(jì)的年耗能費(fèi)。這是因?yàn)閮?nèi)錐流量計(jì)的壓力損失比孔板的壓力損失小得多,年耗能費(fèi)用可大大減少。流量計(jì)口徑越大,流速越大,則內(nèi)錐流量計(jì)節(jié)能效果越顯著,投資回收期也就越短。
圖5表示的是內(nèi)錐流量計(jì)相對(duì)比孔板流量計(jì)可以節(jié)約的年耗能費(fèi)用,隨著流速的增大,節(jié)約的費(fèi)用也就越多。
以流速v=5m/s為例,內(nèi)錐流量計(jì)的年節(jié)約耗能為17411.9元,節(jié)能效果是非常可觀的。
5結(jié)論
通過CFD數(shù)值模擬的方法,模擬了成品油管道中內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失,同時(shí)與孔板流量計(jì)比較,得到了如下結(jié)論:
(1)內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失比孔板流量計(jì)小,如果保證兩種流量計(jì)的有效流通面積相同,那么內(nèi)錐流量計(jì)的壓力損失是孔板流量計(jì)的三分之一還要小一些。
(2)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可以明顯地看出:內(nèi)錐流量計(jì)相比與孔板流量計(jì),可以節(jié)約很多的能耗,符合國(guó)家的節(jié)能減排長(zhǎng)期發(fā)展方針政策。
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