均速管取压孔形状对输出静压的影响

谭　强，尹震飚，郭振新

(中煤科工集团重庆研究院，重庆　400037)

0　引言

均速管流量计是根据流体总压与静压的差计算出流体的速度从而计算出流量的，由于其具有永久压损小、结构简单、测量精度高、能够适用于大管道的测量等优点，现已被广泛应用于各种工业现场[1-2]。

但是伴随着均速管压损小的优点，带来的缺点则是输出的静压小[3]。尤其当管道内流体的流速较低时，若不选用精度很高的微差压变送器，流量测量的精度将得不到保证。这在一定程度上限制了均速管流量计的使用。

实践表明：均速管取压孔形状对输出静压的大小有一定的影响，通过优化取压孔形状可以获得更大的静压输出。但目前这方面还少有研究。为此，重点针对取压孔倒角的角度和深度，运用数值模拟方法来研究其对输出静压的影响，并通过试验进行验证，从而获得更优的取压孔形状。

1　控制方程

流体视为不可压缩流体。求解流体的需满足如下方程[4-5]。

连续性方程

▽v=0

动量守恒方程

式中：vi为流体的速度矢量，vi为流体平均速度分量；p为流体压力；ρ为流体密度；υ0为流体运动粘性系数。

式中：σij为克罗内克符号；vt为流体的湍流运动粘性系数。

能量方程

以上方程右边的前3项分别描述了热传导、组会扩散和粘性耗散带来的能量输运。

因工业上流体的流速较快，一般为湍流流动。为了准确模拟湍流需应用湍流模型。在多种湍流模型中由B．E．Launder，D．B．Spalding等提出标准k-ε模式能很好地模拟工程中的湍流形式并降低成本和节约时间[6]。湍流的k-ε模型应满足的湍动能k和耗散率ε方程：

2　数值几何模型

为了重点研究取压孔形状对均速管输出静压的影响，建立了仅有一个取压孔的简化模型。如图1所示，该取压管壁厚3 mm，内径12 mm，外径18 mm，总长度为60 mm．其中H为壁厚，d2为孔径，h1为倒角深度，α为倒角角度。计算完成后，将取压管内部距离边缘5 mm位置的2个点(图1中A、B点)的静压平均值做为取压管的输出静压值。

图1　取压管结构图

根据文献[7]可知，孔径的合理取值为4～6 mm[7]，因此主要研究孔径d2取5 mm，壁厚H取3 mm时，倒角深度h1及倒角角度α的不同取值时对均速管输出静压的影响。

利用Fluent流体力学软件进行数值模拟，选用3d双精度求解器求解，求解模型选用非耦合隐式算法。流体采用不可压缩理想气体，启用能量方程，计算方法选用密度中心算法。

3　数值仿真数据分析

3．1倒角深度对输出静压值的影响

保持取压孔倒角角度不变，通过改变锥形取压孔的开口深度，建立计算模型并划分网格。网格为四面体结构化网格并在边界上细化，以保证计算的准确性及考虑管壁的作用，如倒角深度为3 mm时的网格横截面图如图2所示。

图2　倒角深度为3 mm时取压孔横截面网格图

保持倒角角度在30°和60°时不变，分别改变倒角的深度，在Fluent中将入口速度设置为20 m/s，对以上网格进行数值模拟并求解。在位置A、位置B及其平均值如表1及表2所示。

表1　不同深度的均速管内部静压值(30°倒角)

表2　不同深度的均速管内部静压值(60°倒角)

由以上可知，在取压孔的角度不变的情况下，倒角深度增加后，均速管的内产生静压值增大。这是因为，随着倒角深度的增加，孔周围更多流体的动压会转化为均速管内的静压，从而能提高均速管的输出静压。

3．2倒角角度对输出静压值的影响

根据以上研究结论可知，要得到最大的输出静压值，倒角深度h1应取最大值。但是h1应小于等于壁厚H，因此取h1等于壁厚的基础上研究取压孔的倒角角度对输出静压值的影响。

通过选取不同的倒角角度的取压孔在不同的风速条件下进行数值模拟，得到静压平均值与角度的关系如表3所示。

表3　不同倒角角度在不同风速下的输出静压

由表3可知，在不同的风速条件下，规律是一致的。即角度为30°时，其输出的静压值最大。因此在实际设计时应在倒角深度等于壁厚的情况下，倒角角度为30°。

4　试验验证

4．1试验方法

为了验证以上数值模拟的正确性，设计了实验对数值模拟得到的结论进行验证。实验设计了几个不同角度的取压孔，其参数(包含壁厚，内外径，角度等)与数值模拟中综合考虑时的参数一致。

将均速管放置于直径为600 mm的圆形风筒中。风筒总长13 m，其中测试段前直管段长度为5 m，后直管段长度为8 m．动力源为变频器40～50 Hz控制的负压风机，布置于测试段后方。风筒入口为锥形进口，管道的流量参照GB/T 1236-2000的要求，在进口处利用锥形进口测定[8]。实验中环境气压和温度由空盒气压计测量。均速管内静压由软管引出后使用补偿式微压计测量。

4．2试验结果及分析

调整变频器频率分别在40 Hz、45 Hz、50 Hz时，根据测量的流量及管道直径可以计算出3个不同风速，在此3个不同风速条件下的实验结果如表4所示。

表4　实验验证数据表

注：由于取压管位于抽风机前端，所以表4中所测静压值为负值。

将计算所使用的数值模型的入口风速设定为13．45 m/s，此时管道外部的压强为106．5 Pa，数值模拟结论如表5所示。

表5　风速为13．45 m/s时，数值模拟数据

从数值模型的计算结果与与实验数据对比知，当数值模型的风速设置为13．45 m/s时，计算的差压值与实验风速为13．45 m/s所测到的差压值接近，说明文中所使用的数值模型与实际能较好的相符。

将实验结果做成曲线，如图3所示。

图3　不同风速时角度与静压曲线图

从以上实验数据及曲线可以清楚的看出，无论在何种风速下，当开口角度为30°时，其输出静压值最大。这与数值模型得到的结论是一致的。因此，实验及数值模拟都说明当均速管的锥进口的角度为30°时，能得到最大的输出静压值。

5　结论

通过实验验证及Fluent数值模拟可以得到以下几个结论：

(1)在取压孔的倒角角度不变的情况下，增加倒角深度能增大均速管的输出静压值。

(2)倒角深度一定的条件下，随着倒角角度的增大，取压孔输出的静压值先增大，后减小，30°时最大。

(3)为了得到均速管最大的输出静压值，可在倒角深度等于取压管壁厚的情况下，将倒角角度加工为30°。

通过以上研究可知：通过改变取压孔的结构可以增大均速管的输出静压，这能在一起程度上拓宽均速管流量计的适用范围。若能结合孔的分布、孔的大小等多方面改变均速管的结构，则能更大的提高均速管的输出静压，从而拓宽均速管流量计的使用范围。

参考文献：

[1]张涛，赵兵，徐英．新型均速管流量计的设计与研究．化工自动化及仪表，2004(4)：52-54．

[2]周俊．流量仪表及其选型．仪表技术与传感器，2001(10)：42-43．

[3]张迎春，苏中地，熊玉亭．均速管流量计流量系数的修正方法研究．中国计量学院学报，2010(1)：20-25．

[4]齐利晓，孙立军，张涛．均速管流量传感器二维仿真方法．天津大学学报，2011(9)：774-779．

[5]熊玉亭，张迎春，苏中地．风洞校验均速管的速度分布修正系数研究．中国计量学院学报，2010(1)：26-31．

[6]彭珍瑞，卢海林．电容式靶式流量计的研究与仿真．仪表技术与传感器，2013(3)：40-43．

[7]刘天敦．均速管流量计标准化问题的探讨．化肥设计，1985(5)：49-56．

[8]GB/T 1236—2000工业通风机 用标准化风道进行性能试验．