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涡街流量计在蒸汽、空气及水三种介质下的仿真
发布日期:2017-11-6 8:42:59
涡街流量计在蒸汽、空气及水三种介质下的仿真试验,蒸汽作为一种首要的二次清洗能源,在电厂、石油化工、食物、机械加工等工业生产领域和人民的平时日子中占有了越来越首要的方位。为了进步蒸汽的计量水平,研讨者开发了规范孔板、喷嘴以及涡街流量计等多种类型的蒸汽外表,而在很多类型蒸汽外表中,涡街流量计以其构造简略、丈量规模宽、压损小、丈量时无可动件等优点在蒸汽计量中得到迅速的推行和运用。
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跟着核算机技术的飞速发展,选用数值仿真的方法研讨流体流场能够实时、直观地观察到流场的改动,对研讨流场具有很强的指导意义。近几年来,不少专家使用核算机仿真对涡街流量计特性进行了大量研讨,但是受蒸汽高温高压特性和蒸汽实流标定设备的约束,现在还缺乏对涡街流量计在蒸汽介质下的特性研讨,这篇文章研讨的要点即是使用Fluent软件对涡街流量计进行蒸汽、空气和水三种介质下的仿真研讨,并与试验数据进行比照剖析,找到不一样介质对涡街流量计特性的影响规则。
1 涡街流量计
涡街流量计(又称旋涡流量计)是依据“卡门涡街”原理研制成的流体振荡式流量丈量外表。所谓“卡门涡街”景象即是在丈量管道活动的流体中刺进一根(或多根)迎流面为非流线型的旋涡发作体,当雷诺数到达必定值时,从旋涡发作体下流两边替换地别离释放出两串规则的交织摆放的旋涡,这种旋涡称为卡门涡街。在必定雷诺数规模内,旋涡的别离频率与旋涡发作体的几许尺度、管道的几许尺度有关,旋涡的频率正比于管道流体流量,并可由各种型式的传感器检出,涡街流量计作业原理如图1所示。
U—被测介质来流的均匀流速;U1—发作体两边的均匀流速;
d—发作体迎流面的宽度;D—管道直径。
图1 涡街流量计作业原理图
卡门涡街频率核算公式为:
式中:f为旋涡频率;Sr为斯特劳哈尔数;m为旋涡发作体两边弓形面积与管道横截面面积之比,不行紧缩流体中,因为流体密度ρ不变,由连续性方程可得到m=U/U1。
由此可得体积流量qv为:
所以涡街流量计的外表系数K可表示为:
不一样介质对涡街流量计功能的影响终究体现在外表系数的区别上,所以这篇文章运用Fluent软件树立涡街流量计的几许模型,然后对不一样介质下的流场进行仿真剖析,并仿真得到不一样介质下的外表系数,终究经过试验验证得到空气和水作为替代介质致使的与蒸汽实流标定得到的外表系数的区别。
2 仿真模型与条件的设定
2.1 仿真模型
挑选DN100口径的涡街流量计进行研讨,使用Gambit软件树立涡街流量计几许模型并区分网格,涡街流量计发作体横截面网格如图2所示。
Gx—轴向坐标;Gy—纵坐标;Gz—横坐标。
图2 涡街流量计发作体横截面网格图
为了进步核算功率,涡街发作体处要点加密,其他区域恰当的稀少。从图2能够看出,涡街发作体所在流场网格均匀加密。经过加密画法,接近涡街发作体的横截面网格较密,远离涡街发作体而接近管壁的网格较稀少。
2.2 仿真条件设定
仿真挑选三种流体原料,分别为空气和蒸汽两种可紧缩流体以及不行紧缩的水,在Fluent中空气和蒸汽原料经过设定气体的密度选项来完成。对于不行紧缩流体挑选的密度为常数;空气介质挑选默许密度1.225kg/m3,其密度设定为理想气体,在迭代核算的过程中,依据气体状态方程压强的改动批改流体的密度;蒸汽介质的密度依据IF-97公式,使用UDF编程设置。
仿真模型挑选RNGk-ε双方程湍流模型,该模型能够极好地处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流体活动,非常合适具有旋涡掉落景象的涡街流场仿真。
3 流场仿真剖析
依据公式(1)可知,影响涡街流量计旋涡频率的是发作体两边的流速U1和发作体的构造,因为发作体构造尺度是固定的,因而频率只与U1相关,需要观测在一样进口流速U的条件下U1改动来得到频率的改动,而速度的改动必然会致使流体密度的改动,因而可观测发作体两边的密度云图,来判别可紧缩性对涡街流量计流速U1的影响,经过仿真得到如图3(a)所示的不行紧缩流体发作体两边的密度云图和如图3(b)所示的可紧缩流体发作体两边的密度云图。
由图3能够看出,不行紧缩流体的密度在仿真过程中没有发作改动,可紧缩流体的密度发作了改动,必然会致使两边速度U1的改动。可紧缩流体经过发作体后密度变小会致使U1变大。
依据图3得到的定论,对涡街流量计进行蒸汽、空气和水三种介质下的软件仿真,设置三种介质的进口流速均为50m/s,取涡街发作体迎流面侧棱中点与管壁连线,如图2中线段ab所示。取该线上的速度值,将蒸汽、空气和水三种介质下的速度曲线进行对比,成果如图4所示。
从图4中能够看出,在接近涡街发作体的方位,可紧缩流体流速显着大于不行紧缩流体流速,且空气的流速要大于蒸汽介质的流速。因而空气介质受气体可紧缩性的影响较大。
涡街流量计的计量功能终究反映到外表系数上,涡街流量计两边的旋涡频率决议了外表系数的大小,图5为仿真得到的涡街流量计涡流流场静压云图。从图中能够看出两个显着的掉落旋涡。图中A区域静压大,B区域静压小。静压最小的方位是C处,也即是掉落旋涡的涡心方位。检查涡街发作体下流1D处的静压改动得到如图6所示的静压改动图。
对图6中静压数值进行迅速傅立叶改换,得到如图7所示的三种介质下的旋涡掉落频率图。
经过读取图7三种介质旋涡掉落频率图最高点的频率,能够得到空气介质的旋涡掉落频率为1595Hz,蒸汽介质的旋涡掉落频率为1579Hz,水介质的旋涡掉落频率为1559Hz。代入公式(1)能够发现,涡街流量计在一样管道直径一样进口速度的状况下在水介质中得到的外表系数最小、蒸汽次之、空气最大。说明空气受气体介质的可紧缩性影响大,在发作体两边的密度改动率较蒸汽要大。
4 试验验证
为验证仿真剖析得到的定论,使用负压法音速喷嘴气体流量计量规范设备、蒸汽实流计量规范设备和水流量计量规范设备对该构造类型的涡街流量计进行三种介质的试验研讨,各测验条件参数如表1所示。
由图8可看出,在试验过程中,空气与水的外表系数与仿真剖析根本相符,但蒸汽介质的外表系数要小,这首要是因为蒸汽介质的高温使发作体的几许尺度发作改动致使的外表系数的改动。
依据经历公式(4):
式中:Kt为温度为t时的外表系数;K20为20℃时的外表系数;α为线膨胀系数。
由公式(4)能够知道跟着温度的增加,外表系数会减小,因而就呈现了图8所示试验数据与图7仿真频率核算出的外表系数的微小区别。
使用Fluent软件完成了涡街流量计在不一样介质下的流场仿真,依据卡门涡街的发生机理,比照剖析了空气、蒸汽和水三种不一样介质条件下的流场,仿真成果表明跟着可紧缩性的增强,涡街流量计的外表系数随之变大,因而在涡街流量计的初次或许后续检定中尽量选用与工况一样的介质进行标定。
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