氣體流量計的數值模擬研究

摘要通過計算流體力學（CFD）的方法對50mm口徑的氣體流量計進行了數值仿真.分析了氣體進動效應下流量計內部流場的演變情況,找出傳感器Z佳安裝位置以減小外界振動與流體脈動噪聲對氣體流量計造成的影響,并且在此基礎上對氣體流量計進行改進）））在氣體流量計前面加導流片.改進后的氣體流量計壓力損失有了較大幅度的減少.
氣體流量計是近幾十年來開發并投入市場的一種流體振蕩式流量計,可適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質的流量測量.它具有內部無機械可動部件,耐腐蝕性好,量程比寬等優點.但是氣體流量計也存在一些不足之處,比如氣體流量計的工作原理沒有其它氣體型流量計的完善,振蕩頻率信號容易被外界振動源所干擾,并且壓力損失較大.關于氣體流量計性能的研究由來已久,早于1970年,Dijsber-gen[1]就對其進行了實驗研究.1999年,Furio和Gianfranco[2]對氣體流量計做了實際工況下的儀表特征試驗研究.2000年,Fu和Yang[3]用流體力學仿真對氣體流量計的流場特性進行了研究,并提出用信號差分處理提高氣體流量計抗干擾能力的設計.彭杰綱等人[4-7]不僅對氣體流量計進行了數值模擬分析,研究了氣體進動效應流場的演變情況,通過脈動流場物理模擬研究了流場干擾對氣體流量計流場進動效應的影響,還采用實驗方法研究了流體脈動和傳感器的安裝對氣體流量計氣體效應特性的影響.張濤等人[8]對氣體流量計的結構進行了優化,使得流量計的壓力損失有了較大幅度的減小.筆者利用FLUENT軟件對氣體流量計進行數值模擬仿真,分析了氣體進動效應流場的演變情況.在氣體流量計的流通管道中取不同的檢測點,觀察各個檢測點信號的強弱,以便找到Z合適的傳感器的安裝點.同時在氣體流量計前面加導流片,并將改進后的氣體流量計的壓損與傳統氣體流量計壓損進行了比較.
1氣體流量計的工作原理[9]
氣體流量計主要由以下幾部分組成:起旋器、文丘里管、消旋器和檢測元件.其結構原理如圖1.氣體流量計是根據氣體進動現象為機理的流量計.流體流入氣體流量計后,首先通過一組由固定螺旋形葉片組成的起旋器后被強制旋轉,使流體形成氣體流.氣體中心為/渦核0是速度很高的區域,其外圍是環流.流體流經收縮段時氣體加速,沿流動方向渦核直徑逐漸縮小,而強度逐漸加強.此時渦核與流量計的軸線相一致.當進入擴大段后,氣體急劇減速,壓力上升,于是就產生了回流.在回流作用下,渦核就圍繞著流量計的軸線做螺旋進動,進動頻率與流體的流速成正比.因此,測得氣體的頻率即能反映流速和體積流量的大小.氣體的頻率范圍一般在10~1500Hz,與流體流量Q有如下比例關系:Q=f/K
式（1）中:K）儀表系數,它表示流過單位體積的流體所產生的脈沖數,K值在儀表出廠前由生產者給出.

2.1流體力學控制方程和湍流模型氣體流量計的流體動力特性可以用流體力學基本方程描述如下:
連續性方程與動量方程:

因為標準的k-E湍流模型用于強旋流或帶有彎曲壁面的流動時,會出現一定失真,所以筆者選用的湍流模型是RNGk-E湍流模型.在RNGk-E湍流模型中,通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現小尺度的影響,而使得這些小尺度運動有系統地從控制程中去除.
2.2物理模型、初始條件及邊界條件
計算用物理模型是如圖2的直徑為50mm的氣體流量計.網格劃分采用的是非結構化混合網格,網格數大約為42萬.計算的流體介質是空氣,邊界條件為:入口采用速度入口邊界條件,速度值固定為圓管中充分發展湍流的速度剖面,流量范圍為40~240m3/h.出口邊界條件設定為壓力出口,壓力值固定為一個大氣壓.管壁及起旋器表面設為無滑移邊界條件.

3計算結果分析
3.1氣體進動效應流場演變情況
圖3為氣體進動效應一個周期內的壓力演變過程,其中右側為通過軸線的縱剖面、左側為圖2的垂直剖面1.從圖3中可以看出,在氣體流量計的加速區內,壓力分布幾乎不隨時間變化,起旋器尾部靠近管壁的壓力較大,靠中心軸線附近壓力較小.這是因為流體被起旋器強制旋轉后形成氣體流,越靠近氣體中心流速越高,壓力越小.當流體進入不穩定區域時,流場壓力隨時間作周期性的變化.從圖3右邊的垂直剖面可以看出高速流束在該截面做接近于逆時針圓周的運動。

3.2檢測點的位置對測量的影響
當流量為160m3/h時,取7個檢測點來觀察它的壓力變化情況.7個檢測點分別是:點1位于垂直剖面1（即擴張段的中部）上離壁面6mm處,點2位于垂直剖面2（擴張段上游5mm）上離壁面6mm處,點3位于垂直剖面5（擴張段下游5mm）上離壁面6mm處,點4位于垂直剖面3（擴張段上游10mm）上離壁面6mm處,點5位于垂直剖面4（擴張段上游15mm）上離壁面6mm處,點6位于垂直剖面2上離壁面10mm處,點7位于垂直剖面2上與點1有180b相差的軸對稱點.
圖4中的三點分別位于擴張段中部和擴張段上游5mm及下游5mm處.從圖4中可以看出三點的振蕩頻率一樣,在擴張段中部和上游5mm的壓力振蕩幅度明顯比下游5mm的壓力變化大.而且在上游處檢測點壓力波形的相位要比下游處的要小.擴張段中部和上游5mm處的檢測點壓力變化幅度相差不大,但擴張段中部壓力的平均值要稍大一些.

圖5中的三點分別是位于擴張段上游5mm、10mm和15mm處.從圖5中可以看出三點的振蕩頻率一樣,越靠近擴張段的點壓力振蕩幅度越大,而且在這上游的三個點無相位差.

圖6中的兩點是同一垂直剖面2上距離管壁不同距離的兩個檢測點,觀察圖6可以得出兩點的振蕩頻率一樣,壓力變化幅度相差不大,但距離管壁遠處壓力的平均值要稍大一些.

圖7中的兩點是同一垂直剖面1上180°相差的軸對稱的兩個檢測點,觀察圖7可以得出兩點的振蕩頻率一樣,壓力變化幅度一樣,但兩點壓力振蕩波形的相位差正好也為180b.如果對這兩點的信號進行差動處理可以得到脈動周期不變但強度增加1倍的脈動信號[7].
 

綜上所述,在氣體流量計的流通管道中,擴張段及其上游5mm處的氣體脈動信號Z強.如果采用相位差為180b的兩個軸對稱點進行差動處理可以使脈動信號增強一倍.3.3改進模型與傳統模型的流量與進動頻率和壓損的關系氣體流量計的缺點之一就是它在使用過程中的壓力損失過大,為了達到降低壓損的目的,筆者將傳統的氣體發生前面加上導流片,如圖8.為了研究傳統模型和改進模型的氣體脈動頻率與流量之間的關系及壓力損失與流量之間的關系,入口流量范圍取40~240m3/h,流量每間隔40m3/h取一次（40m3/h、80m3/h、120m3/h、160m3/h、200m3/h和240m3/h）,觀察氣體脈動頻率的周期和進出口壓力的情況.然后,統計出傳統模型和改進模型的氣體脈動頻率與流量之間的關系及壓力損失與流量之間的關系,如表1.值得注意的是,為了準確捕捉脈動周期,在計算過程中非定常迭代時間步大小要合理選擇（一定要比脈動周期要小得多,通常小于1/10脈動周期）.
圖9為傳統模型氣體脈動頻率和壓力損失與流量的關系圖,從圖9可以看出氣體脈動頻率與流量之間成線性關系.壓力損失$P與流量的平方成正比.通過Z小二乘法對表1的數據進行線性擬合,可以得到以下關系:

圖10為改進模型氣體脈動頻率和壓力損失與流量的關系圖,從圖10可以看出氣體脈動頻率與流量之間關系基本不變,但在相同的流量下,改進模型的壓力損失明顯減少;通過Z小二乘法對表1的數據進行線性擬合,可以得到以下關系:

4結語
經過采用RNGk-E湍流模型對氣體流量計進行數值模擬計算,并進行結果分析與處理,得到如下結論:
1）通過觀察不同檢測面上各檢測點的壓力變化情況,可以分析出較佳的檢測面上適宜的檢測點.就當前情況而言,在擴張段的中部以及擴張段上游5mm處的信號Z強.但是,在測量儀器的安裝方面,擴張段上游的安裝更加方便.如果采用相位差為180°的兩個軸對稱點進行差動處理則可以使脈動信號增強一倍.
2）在氣體流量計前加入導流片可以降低流量的壓力損失,克服其壓損大的缺點.