摘(zhai)要:通(tong)過CFD流(liu)體軟(ruan)件對(dui)内錐(zhui)流量(liang)計 壓(ya)力損(sun)失進(jin)行了(le)數值(zhi)模拟(ni),實驗(yan)介質(zhi)爲汽(qi)油與(yu)柴油(you)的混(hun)合物(wu)。内錐(zhui)流量(liang)計和(he) 孔闆(pan)流量(liang)計 經(jing)常使(shi)用于(yu)流體(ti)計量(liang),在保(bao)證兩(liang)種流(liu)量計(ji)流通(tong)面積(ji)相💰等(deng)✌️的條(tiao)件下(xia),對它(ta)們的(de)壓力(li)損失(shi)進行(hang)了比(bi)較。結(jie)果🚶‍♀️表(biao)明,内(nei)錐⛷️流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失僅(jin)爲孔(kong)闆流(liu)量計(ji)壓力(li)損失(shi)的30%左(zuo)右,将(jiang)♌内錐(zhui)流☎️量(liang)計應(ying)用于(yu)流體(ti)計⭐量(liang),可以(yi)起到(dao)節能(neng)降耗(hao)的作(zuo)用。
0引(yin)言
　　在(zai)許多(duo)情況(kuang)下,由(you)壓力(li)損失(shi)所引(yin)起的(de)額外(wai)的耗(hao)能費(fei)🏃🏻用是(shi)選用(yong)💰流量(liang)計時(shi)必須(xu)要考(kao)慮的(de)一個(ge)重要(yao)因素(su)。流量(liang)儀表(biao)的🏃🏻壓(ya)力損(sun)失⚽小(xiao)已經(jing)是選(xuan)擇流(liu)量計(ji)的一(yi)項重(zhong)要指(zhi)标。由(you)于内(nei)錐流(liu)量👉計(ji)和孔(kong)闆流(liu)量計(ji)使用(yong)的條(tiao)件相(xiang)似,并(bing)且使(shi)用廣(guang)泛,因(yin)此有(you)必要(yao)對這(zhe)兩📐種(zhong)流量(liang)計進(jin)㊙️行壓(ya)力損(sun)失比(bi)較,以(yi)便選(xuan)出更(geng)合适(shi)的測(ce)量儀(yi)表。雖(sui)☀️然人(ren)們對(dui)内錐(zhui)流量(liang)計和(he)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)壓力(li)損🎯失(shi)進行(hang)過比(bi)較,但(dan)目前(qian)文獻(xian)[1-2]中所(suo)作的(de)比較(jiao)👣存在(zai)兩個(ge)問題(ti)。第一(yi),文獻(xian)中多(duo)是通(tong)過比(bi)較兩(liang)種流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失計(ji)算公(gong)式來(lai)對兩(liang)種儀(yi)表進(jin)行🔞比(bi)較。
　　對(dui)于孔(kong)闆流(liu)量計(ji),它的(de)曆史(shi)較長(zhang),有統(tong)一的(de)國際(ji)标準(zhun),可以(yi)直接(jie)⁉️算出(chu)壓力(li)損失(shi)。對于(yu)内錐(zhui)流量(liang)計,它(ta)的曆(li)史相(xiang)對🌈較(jiao)短,沒(mei)有🤞統(tong)一的(de)國際(ji)标準(zhun),給出(chu)的一(yi)些計(ji)算公(gong)✌️式也(ye)不太(tai)成熟(shu),通常(chang)計算(suan)值與(yu)真實(shi)值之(zhi)間存(cun)在較(jiao)大的(de)誤差(cha)。例如(ru),内錐(zhui)流量(liang)計的(de)生産(chan)廠家(jia)即使(shi)是按(an)照行(hang)業規(gui)範生(sheng)産的(de)同一(yi)型号(hao)的内(nei)錐流(liu)量計(ji),其給(gei)出的(de)計算(suan)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)系🐅數(shu)也是(shi)各不(bu)相同(tong)的,這(zhe)就給(gei)用公(gong)式計(ji)算壓(ya)力損(sun)失帶(dai)來了(le)誤差(cha)。第二(er),對兩(liang)種💛流(liu)量計(ji)壓力(li)損失(shi)比較(jiao)時,并(bing)沒有(you)規定(ding)兩種(zhong)流量(liang)計的(de)有效(xiao)流通(tong)面積(ji)相同(tong),所得(de)到的(de)結果(guo)缺乏(fa)說服(fu)力。基(ji)于🧑🏾‍🤝‍🧑🏼以(yi)上兩(liang)個原(yuan)因,本(ben)文用(yong)CFD數值(zhi)模拟(ni)的方(fang)法,計(ji)算出(chu)内錐(zhui)🔞流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi),并在(zai)保證(zheng)有效(xiao)流通(tong)面積(ji)的條(tiao)件下(xia)對兩(liang)種流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失進(jin)行了(le)比較(jiao),并且(qie)對兩(liang)種流(liu)量計(ji)進行(hang)了經(jing)濟技(ji)術分(fen)析,對(dui)選用(yong)流量(liang)計及(ji)計算(suan)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)能耗(hao)都有(you)很好(hao)的參(can)考價(jia)值。
1模(mo)型建(jian)立
1.1幾(ji)何模(mo)型和(he)湍流(liu)模型(xing)的建(jian)立
　　建(jian)立長(zhang)L=14m,内徑(jing)D=0.2m的管(guan)道模(mo)型,模(mo)拟了(le)前錐(zhui)角爲(wei)45°,後錐(zhui)角爲(wei)120°的V錐(zhui)體壓(ya)力分(fen)布情(qing)況。
　　由(you)于内(nei)錐體(ti)爲旋(xuan)轉體(ti),具有(you)軸對(dui)稱特(te)性,在(zai)進行(hang)數值(zhi)模拟(ni)實🔞驗(yan)✂️時,所(suo)建立(li)的模(mo)型爲(wei)二維(wei)結構(gou),并進(jin)行了(le)簡化(hua)處理(li)(計算(suan)域選(xuan)取一(yi)半),如(ru)圖1所(suo)示。

　　在(zai)網格(ge)的剖(pou)分方(fang)面,采(cai)用了(le)結構(gou)化網(wang)格[3-4],如(ru)大比(bi)率四(si)邊🔞形(xing)網格(ge)計算(suan)長管(guan)形狀(zhuang)流場(chang),網格(ge)數量(liang)明顯(xian)減少(shao),在🔞靠(kao)近錐(zhui)體部(bu)分的(de)網格(ge)進行(hang)加密(mi)設置(zhi),越靠(kao)近🧡管(guan)道兩(liang)🈲端,網(wang)格越(yue)稀疏(shu)。這樣(yang)做的(de)目的(de)是爲(wei)了保(bao)持🔴網(wang)格的(de)光滑(hua)度,從(cong)而加(jia)速叠(die)代收(shou)斂速(su)度,避(bi)免因(yin)臨🔞近(jin)單元(yuan)體積(ji)或面(mian)積的(de)快速(su)變化(hua)而導(dao)緻大(da)的截(jie)斷誤(wu)差,節(jie)省計(ji)🔞算時(shi)間。另(ling)外,在(zai)相同(tong)網格(ge)數量(liang)下,爲(wei)更✉️好(hao)保證(zheng)計算(suan)精度(du)💁,對流(liu)場影(ying)響最(zui)重要(yao)的部(bu)分進(jin)行了(le)更精(jing)密的(de)網格(ge)剖分(fen)。圖1即(ji)是采(cai)用此(ci)❄️方✔️法(fa)進行(hang)的網(wang)格剖(pou)分。
　　利(li)用RNGκ-ε[5]模(mo)型進(jin)行計(ji)算,經(jing)物理(li)實驗(yan)驗證(zheng)顯示(shi)出了(le)較㊙️好(hao)的🔅預(yu)測性(xing)🚶。另外(wai),在近(jin)壁面(mian)區域(yu)采用(yong)标準(zhun)壁面(mian)函🈲數(shu)法進(jin)行處(chu)理。利(li)用有(you)限體(ti)積法(fa)實現(xian)控制(zhi)方程(cheng)的離(li)散化(hua),在求(qiu)解離(li)散方(fang)程過(guo)程中(zhong),采用(yong)🔴以壓(ya)力爲(wei)基本(ben)求解(jie)變量(liang)的求(qiu)解方(fang)法,即(ji)SIMPLE算🛀🏻法(fa)進行(hang)求解(jie)。差分(fen)格式(shi)采用(yong)二階(jie)迎風(feng)格式(shi)。
1.2邊界(jie)條件(jian)和工(gong)作流(liu)體物(wu)性
　　邊(bian)界條(tiao)件包(bao)括壁(bi)面、對(dui)稱軸(zhou)、速度(du)入口(kou)和壓(ya)力出(chu)口。流(liu)體🌈從(cong)速度(du)♉入口(kou)進入(ru),流經(jing)節流(liu)裝置(zhi),最後(hou)由壓(ya)力出(chu)口流(liu)出。
　　内(nei)錐流(liu)量計(ji)的數(shu)值模(mo)拟實(shi)驗介(jie)質爲(wei)柴油(you)與汽(qi)油的(de)🏃🏻‍♂️混合(he)物,其(qi)🌈物理(li)性質(zhi)見表(biao)1所示(shi)。

2内錐(zhui)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)模拟(ni)實驗(yan)
　　傳統(tong)測量(liang)孔闆(pan)流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失的(de)方法(fa)[6]如圖(tu)2所示(shi),分别(bie)測出(chu)、兩點(dian)之間(jian)的靜(jing)壓力(li),所得(de)差值(zhi)即爲(wei)孔闆(pan)😍壓力(li)損失(shi)。爲了(le)使模(mo)拟的(de)壓力(li)是不(bu)可恢(hui)複性(xing)壓力(li),P1、P2兩點(dian)之間(jian)的距(ju)離應(ying)盡🌏量(liang)遠,在(zai)本模(mo)拟🔅實(shi)驗中(zhong)管道(dao)直徑(jing)D=0.2m,P1、P2兩點(dian)之間(jian)的距(ju)離取(qu)50D,即兩(liang)個測(ce)壓點(dian)相距(ju)10m遠,模(mo)拟結(jie)果如(ru)表2所(suo)示。


3内(nei)錐流(liu)量計(ji)與孔(kong)闆流(liu)量計(ji)壓力(li)損失(shi)比較(jiao)
　　對于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi),用(ISO5167-2:2003)給(gei)出的(de)計算(suan)公式(shi)進行(hang)🌈計算(suan),計算(suan)結果(guo)與内(nei)錐流(liu)量計(ji)壓力(li)損失(shi)的模(mo)🐆拟實(shi)驗結(jie)果進(jin)行比(bi)較。爲(wei)了更(geng)好地(di)對内(nei)錐流(liu)量計(ji)的壓(ya)力💋損(sun)失與(yu)孔闆(pan)的壓(ya)力損(sun)失進(jin)行比(bi)較,選(xuan)擇了(le)有效(xiao)流通(tong)面積(ji)相同(tong)🈲的内(nei)錐流(liu)量計(ji)和孔(kong)闆流(liu)量計(ji)進行(hang)比較(jiao),這樣(yang)的比(bi)較才(cai)有意(yi)義[7]。
　　内(nei)錐流(liu)量計(ji)錐體(ti)最大(da)截面(mian)圓的(de)直徑(jing)是dv=0.152m,流(liu)量計(ji)的直(zhi)徑D=0.2m,管(guan)道截(jie)面面(mian)積Sc=0.031m2,有(you)效流(liu)通面(mian)積爲(wei)Sv=0.013m2。将内(nei)錐流(liu)量計(ji)的有(you)效流(liu)通面(mian)積轉(zhuan)換🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲(wei)孔的(de)面積(ji),則對(dui)應的(de)有效(xiao)孔徑(jing)βv比爲(wei)

　　取孔(kong)闆流(liu)量計(ji)與内(nei)錐流(liu)量計(ji)有效(xiao)孔徑(jing)比最(zui)接近(jin)㊙️的💰值(zhi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼βo=0.65。根據(ju)Reader-Harris[8]給出(chu)的流(liu)出系(xi)數的(de)計算(suan)公式(shi),求得(de)平均(jun)流出(chu)系數(shu)C=0.61。在2003年(nian)♊實施(shi)的孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的國(guo)際标(biao)準(ISO5167-2:2003)中(zhong),壓力(li)損失(shi)系數(shu)的計(ji)算公(gong)式爲(wei)

将βo=0.65,C=0.61代(dai)人式(shi)(2),可以(yi)得到(dao)K=13.37
計算(suan)壓力(li)損失(shi)Δpo的公(gong)式爲(wei)

将流(liu)體密(mi)度ρ=836.4kg/m3與(yu)K=13.37代人(ren)式(3)可(ke)以得(de)到

圖(tu)3反映(ying)了由(you)式(4)計(ji)算出(chu)的在(zai)不同(tong)流速(su)下孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的壓(ya)❗力☔損(sun)失曲(qu)線和(he)内錐(zhui)流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失的(de)實驗(yan)結果(guo)。

　　從(cong)圖3可(ke)以看(kan)出,在(zai)流通(tong)面積(ji)一定(ding)的情(qing)況下(xia),孔闆(pan)的壓(ya)力損(sun)☎️失要(yao)大于(yu)内錐(zhui)流量(liang)計,并(bing)且随(sui)着流(liu)速的(de)增🔱加(jia)而增(zeng)加。表(biao)3列出(chu)了在(zai)不同(tong)流速(su)下,孔(kong)闆流(liu)量計(ji)與内(nei)錐流(liu)㊙️量計(ji)的⛷️壓(ya)力損(sun)失,其(qi)中n爲(wei)孔闆(pan)流量(liang)計與(yu)内錐(zhui)流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失🍉的(de)比值(zhi)。

4内錐(zhui)流量(liang)計與(yu)孔闆(pan)流量(liang)計能(neng)耗的(de)比較(jiao)
4.1計算(suan)動力(li)與能(neng)量消(xiao)耗和(he)年耗(hao)能費(fei)
對于(yu)液體(ti),可采(cai)用以(yi)下的(de)計算(suan)公式(shi)[9]
P′=Δp·v·S/η
式中(zhong)P′———所需(xu)要的(de)功率(lü),kW;
Δp———壓損(sun)損失(shi),kPa;
v———工況(kuang)下的(de)流體(ti)的速(su)度,m/s;
S———管(guan)道的(de)橫截(jie)面積(ji),m2。
計算(suan)年耗(hao)能費(fei)
Co=P′。t·X
式中(zhong)Co———年耗(hao)能費(fei),元;
t———運(yun)行時(shi)間,h;
X———電(dian)價,元(yuan)/kW。h。
　　由于(yu)孔闆(pan)前後(hou)都有(you)大旋(xuan)渦,在(zai)大幅(fu)值脈(mo)動壓(ya)力的(de)背景(jing)噪聲(sheng)🏒條件(jian)下,隻(zhi)能通(tong)過縮(suo)小孔(kong)徑,提(ti)高差(cha)壓上(shang)限值(zhi)🐕來實(shi)現有(you)效的(de)流量(liang)測量(liang)。因此(ci)孔闆(pan)的壓(ya)力損(sun)失必(bi)然增(zeng)大。
　　由(you)于内(nei)錐流(liu)量計(ji)測量(liang)壓差(cha)的背(bei)景噪(zao)聲小(xiao),可以(yi)檢測(ce)出較(jiao)小的(de)壓差(cha),因此(ci)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)壓損(sun)必然(ran)比孔(kong)闆的(de)壓損(sun)小🥰,年(nian)耗能(neng)費♈也(ye)小。
4.2舉(ju)例分(fen)析
　　提(ti)到的(de)内錐(zhui)流量(liang)計與(yu)孔闆(pan)流量(liang)計爲(wei)例，工(gong)業電(dian)價爲(wei)1元/kW·h,做(zuo)出它(ta)們的(de)年耗(hao)能費(fei)比較(jiao)圖,如(ru)圖4所(suo)示。

　　從(cong)圖中(zhong)可以(yi)得到(dao),随着(zhe)流速(su)的增(zeng)加内(nei)錐與(yu)孔闆(pan)流量(liang)計年(nian)耗能(neng)♈費也(ye)逐漸(jian)增大(da),而孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的年(nian)耗能(neng)費要(yao)大于(yu)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)年耗(hao)能費(fei)。這是(shi)因爲(wei)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)比孔(kong)闆的(de)壓力(li)🏃🏻‍♂️損失(shi)小得(de)多,年(nian)耗能(neng)費用(yong)可大(da)大減(jian)少。流(liu)量計(ji)口徑(jing)越大(da),流速(su)越大(da),則内(nei)錐流(liu)量計(ji)節能(neng)效果(guo)越顯(xian)著,投(tou)資回(hui)收期(qi)也就(jiu)越短(duan)。
　　圖5表(biao)示的(de)是内(nei)錐流(liu)量計(ji)相對(dui)比孔(kong)闆流(liu)量計(ji)可以(yi)節約(yue)🧡的年(nian)耗能(neng)費用(yong),随着(zhe)流速(su)的增(zeng)大,節(jie)約的(de)費用(yong)也就(jiu)越多(duo)🈲。
以流(liu)速v=5m/s爲(wei)例,内(nei)錐流(liu)量計(ji)的年(nian)節約(yue)耗能(neng)爲17411.9元(yuan),節能(neng)效果(guo)是非(fei)常可(ke)觀的(de)。

5結論(lun)
　　通過(guo)CFD數值(zhi)模拟(ni)的方(fang)法,模(mo)拟了(le)成品(pin)油管(guan)道中(zhong)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi),同時(shi)與孔(kong)闆流(liu)量計(ji)比較(jiao),得到(dao)了如(ru)📞下結(jie)🌈論:
(1)内(nei)錐流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失比(bi)孔闆(pan)流量(liang)計小(xiao),如果(guo)保證(zheng)兩種(zhong)流❌量(liang)計的(de)有效(xiao)流通(tong)面積(ji)相同(tong),那麽(me)内錐(zhui)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)是孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的三(san)分之(zhi)一還(hai)要📧小(xiao)一些(xie)。
(2)通過(guo)技術(shu)經濟(ji)分析(xi)可以(yi)明顯(xian)地看(kan)出:内(nei)錐流(liu)量計(ji)相比(bi)與孔(kong)闆流(liu)量計(ji),可以(yi)節約(yue)很多(duo)的能(neng)耗,符(fu)合國(guo)家的(de)節能(neng)減排(pai)長期(qi)發展(zhan)方針(zhen)政策(ce)。

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