淺議內外管壓差流量計壓損的影響因素

陳 瑛 程煥煥

紹興市能源檢測院

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淺議內外管壓差流量計壓損的影響因素

陳 瑛 程煥煥

紹興市能源檢測院

內外管差壓流量計是目前極為重要的一種流量計，而其在具體的操作中也會造成壓損，本文主要對內外管壓差流量計壓損的影響關鍵因素進行了全面科學探討，以此可以給相關的從業人員一點建議。

內外管；流量計；影響因素

前言

內外管差壓流量計是一種新型差壓式流量計。該流量計設計的取壓位置為管的同一截面上，消除了節流件前后摩阻壓降對壓差信號的影響，相同的流量下，獲得的壓差信號較傳統的壓差流量計大，提高了信號的靈敏度，其節流方式較傳統流量計對流體的擾動減小，提高了壓差信號的穩定性；在相同的壓差信號下，其壓力損失比內錐式流量計要小很多，符合作為相關能源測量的要求。但是，目前對影響內外管壓差流量計壓力損失的具體因素研究較少，而研究關鍵因素對該流量壓損的影響有助于該流量計優化設計，為其設計提供一定的指導意義。

1 基本結構及理論

（1）基本結構

內外管壓差流量計結構如圖1所示，流量計以管道軸線定位安裝，主體結構由前直管段（大徑d1）、梯形段、后直管段（小徑d2）組成，外取壓口在管道壁上取流道2的壓力，內取壓口在支架中空取流道1的壓力，內外取壓口為前直管段同一截面的中分水平面兩側；前取壓口在距流量計前端面2D（D為管道直徑）的管道壁面上，后取壓口距流量計后端面1D。前后取壓口壓差是本文要研究的壓力損失。

圖1 內外管壓差流量計結構示意圖

（2）理論基礎

與其他類型的壓差式流量計相同，內外管壓差流量計的工作原理同樣是基于流體連續方程和伯努利方程。對于不可壓縮流體，體積流量為

式中C——流出系數；

K1、K2——流道1和流道2的壓縮比；

A——管道的截面積。

（3）影響壓損的關鍵因素

根據內外管壓差流量計的結構分析，忽略沿程壓損，前后直管段長度適當取值；流量計形狀參數中，梯形段傾角θ取流體與壁面即將分離的角度時壓損最小，取θ=7°。為了消除大徑、小徑的具體數值對該流量計壓損的影響，本文選用異徑比k和等效直徑比β進行試驗研究。定義異徑比為小徑與大徑之比，類比于孔板流量計和V錐流量計，定義內外管壓差流量計的等效直徑比β為通流面積與管道截面積的等效直徑比。

式中R——管道半徑；

r1——前直管段外圈半徑；

r2——后直管段內圈半徑（考慮流量計壁厚）。

通流面積是指在側視圖上看，不受節流件直接影響的流道面積，如圖2所示，有剖面線部分為通流面積。

圖2 管道側視示意圖

雷諾數是影響液壓元件壓損的一個重要因素，本文從異徑比、等效直徑比和雷諾數3個方面研究對內外管壓差流量計的影響。

2 流量計的流場仿真

為方便參數化建模，本文采用UG進行三維實體建模，然后導入Fluent進行仿真。建模中管道內徑為DN20的標準直徑準27.2mm，流體采用常溫水。

（1）建立模型

為了得出異徑比和等效直徑比β與壓損之間的關系，在雷諾數Re相同的情況下，分別取β=0.9，0.85，0.8，0.7四組；在4組等效直徑比下分別取k=0.3，0.4，0.5，0.6建立模型，共16組。為了解雷諾數Re與壓損的關系，在相同等效直徑比下，建立4組不同雷諾數模型，進行比較分析。由于所建模型較多，采用UG參數化建模，縮短三維建模時間。建立三維模型后，導入Fluent進行網格劃分，本文中模型采用非結構四面體網格劃分，圖3為β=0.8，k=0.5的網格劃分結果，有9521個節點，44115個單元。

圖3 β=0.8，k=0.5模型網格劃分結果圖

（2）仿真設定與數據提取

本文所涉及的流動均為湍流流動，選擇RNGk-ε湍流模型，亞松弛因子采用默認值，殘差收斂精度設為1E-6。參數控制器設置中，壓力選擇2階，其他為默認值。以進口速度進行初始化，進口速度設置中，選用湍流強度和水力直徑進行設置，水力直徑為管道直徑，湍流強度

算法選用SIMPLE算法，迭代次數為2000次，進行計算。圖4 為β=0.8，k=0.5模型、流速為1m/s下的壓力云圖。

圖4 β=0.8，k=0.5模型壓力云圖

數據提取：前取壓點為流量計前2D中心，后取壓點為流量計后1D，內外取壓點分別為流量計前直管段中段的內外側。

3 仿真結果及數據分析

對于壓差式流量計，壓損一般分為永久壓損和相對壓損。永久壓損是指流體由平穩流動流經流量計節流件后產生壓差，再到平穩流動，在這個過程中因節流件產生的永久壓力損失，本文的絕對壓損為前后壓差值；相對壓損是指絕對壓損與壓差信號之比，本文定義壓損比σ為內外管壓差流量計的相對壓損

仿真結果與數據如表1、表2、表3所示。

表1 相同Re、不同等效直徑比β、不同異徑比k時的絕對壓損值/P

表2 相同Re、不同等效直徑比β、異徑比k=0.5時的相對壓損

表3 不同Re、等效直徑比β=0.8、異徑比k=0.5時的相對壓損

從表1中可以看到，在相同雷諾數、相同等效直徑比、不同異徑比的情況下，內外管壓差流量計的永久壓損值變化很小，最多不超過4%；而相同雷諾數、不同等效直徑比，該流量計的永久壓損值變化很大，隨著等效直徑比的減小而增大；從表2中可以看出相同雷諾數、相同異徑比下，壓損比隨著等效直徑比的減小而增大；從表3中可以得到在相同等效直徑比、相同異徑比下，永久壓損值和信號值都隨著雷諾數的增大而增大，且其增大的倍數約等于雷諾數增大倍數的二次方，但是壓損比并沒有隨雷諾數增大而有明顯變化。

4 流量計的流場模擬及結構優化

本文對流量計的結構優化主要是通過Gambit建模和Fluent仿真的，其中管徑為50mm，仿真的流體介質為水。

4.1 模型的構建

由公式（3）知，當流量Q一定時，影響ΔP的參數主要有擴散角θ、異徑管小徑r和大徑r＇。但當擴散角θ過小時，流體與壁面的接觸面積會加大，導致壓損增大；而當擴散角θ過大時，異徑管內易出現流體與壁面分離的情況，形成漩渦區，增大壓損。因此當擴散角θ為流體與壁面即將分離的角度時，壓損最小。考慮到這一情況，本文選擴散角θ為7°，并選取r=10mm，r'=20mm；r=10mm，r'=30mm；r=10mm，r’=40mm；r=20mm，r’=30mm； r=20mm，r’=40mm；r=30mm，r’=40mm6種異徑模型進行研究。為了方便，本文做如下定義：r=10mm，r’=20mm定義為管徑r/r’=10/20，其他異徑管大小管徑也如此定義。本文中模型采用非結構四面體網格劃分，圖2是管徑r/r＇=10/30的網格劃分模型圖，網格數量1.5萬左右。

圖5 管徑比10/30的網格劃分模型圖

采用壓力耦合方程組的半隱式算法（Semi-ImplicitMethodforP ressureLinkedEquations，簡稱SIMPLE算法），亞松弛因子采用默認值，殘差收斂精度設為10-5。在選取湍流參數時，水力直徑DH=50mm，湍流強度可由經驗公式計算得到：

其中，ReDH為在流速1.0m/s時按水力直徑計算得到的雷諾數。

4.3 Fluent仿真

對于一個差壓傳感裝置而言，在干擾信號一定的情況下，傳感器所接受的信號越大，所測得的結果越準確，因此異徑管的內外差壓越大越好。但是從節能角度來看，流體流經流量計所造成的壓力損失應越小越好，因此流量計中軸線的前后兩點的壓差應越小越好。也就是說，異徑管的內外差壓越大，軸線的前后壓差越小時，設計的內外管差壓流量計的性能越優。結合這兩情況，本文將異徑管的內外壓差

Δp內外和前后壓差Δp前后的比值作為衡量該流量計的結構優劣的一個標準，該比值記為相對壓損σ，即

當比值σ越大時，表示流量計的結構設計越優，反之σ越小，設計的流量計的綜合性能越差。筆者在此做了管徑r/r＇=10/20、10/30、10/40、20/30、20/40、30/40六個流量計模型，并在流速為1.0m/s的情況下進行仿真。

5 結語

綜上所述，內外管壓差流量計壓損會很大程度上影響到流量計的工作，相關的工作人員對其進行科學的研究和分析有益于流量計的優化和設計工作達到較大的提升，因此必須引起重視。

［1］龍新平，王豐景，俞志君.噴射泵內部流動模擬與其擴散角優化［J］.核動力工程，2011，32（1）：53-57，69.

［2］呂玲，潘振.內錐流量計與孔板流量計的壓力損失及能耗研究［J］.節能技術，2011，29（1）：45～48.