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电磁流量计测量直管内速度及管长的CFD研究

来源:中国水利水电科学研究院 北京中水科水电科技开发有限公司作者:廖翠林,陆 力,王万鹏,马素萍发表时间:2018-10-08 09:24:39

 本文采用CFD数值手段围绕影响电磁流量计计量精度的关键因素之一 — —电磁流量计上、下游直管长度及测量管内流速轴对称特性展开研究,为电磁流量计的检定、安装和应用提供科学理论依据,为依托项目建立高精度流量计量标准装置奠定基础。

 
电磁流量计测量直管上、下游扰流件分别为90°弯管,数值研究几何模型见图3,进口方向为+Z轴方向,出口方向为+X轴方向。管路进口和出口如图所示,进口侧和出口侧的两个压力罐用来稳定水流,两个压力罐之间的管路为测量直管。在本文中,测量直管内径D分别取500mm和800mm,流量工况分别为1.0、1.5和2.0m3 /s。
 
3 数值计算模型
直角坐标系下,牛顿流体定常流动控制方程如下[2] 。连续性方程:
20181008092512.jpg
动量方程:
20181008092842.jpg
式中:ρ为流体密度;u为速度;p为压力; τ ij 为雷诺应力;x为空间坐标;μ为动力黏度;S为源项,指标i、j表示坐标轴方向分量,遵从张量中的求和约定。选用RNG k-ε双方程湍流模型封闭系统方程组,具体方程见文献[2]。
 
对连续性方程和动量方程在贴体坐标下采用有限体积法在空间上进行离散。控制方程离散时,压力项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风差分格式,压力速度耦合采用SIMPLEC算法。计算域形状规则,采用六面体结构化网格进行离散。为了划分结构化网格,将计算域分成3个子域,分别创建块、划分网格,具体网格见图3。进口设定速度进口,给进口平均速度;出口设定压力出口,给静压;壁面为无滑移边界条件,壁面粗糙度为0.1mm。
 
4 数值计算结果
4.1 800mm内径电磁流量计测量管路计算结果分析
4.1.1 测量直管长度L取12m(15D)
 
(1)速度分布对称情况(以Q=2m3 /s工况为例)。在直管上选取若干横截面(见图4(a)),分析横截面上的流速分布。图4(a)中L表示测量直管长度,l表示横截面到上游弯管的距离。横截面如图4(b)。
20181008092932.jpg
图7以曲线的形式给出了不同横截面速度分布总对称偏差度的变化趋势。从图7可以看出,沿着直管流动方向,总对称偏差度先减小后增大,最小值在l=10D(Q=1.0m3 /s)和11D(Q=1.5m 3 /s和2.0m 3 /s)位置处。这是由于在靠近上游弯管和下游弯管的直管,流动受弯管的影响,且上游弯管对直管内速度分布影响较大。l=10D位置的速度总对称偏差度比l=5D位置的降低了很多,流量Q=1.0、1.5和2.0m3 /s3个工况下,速度总对称偏差度分别减小了0.3065、0.1642和0.1907。由此可见,由于速度分布对称度大幅度的提高,电磁量计安装在l=10D位置时流量计量的准确度将大大高于电磁流量计安装在l=5D位置。
 
4.1.2 测量直管长度L取14.4m(18D) 为了能够满足电磁流量计计量对速度分布的要求,保证电磁流量计的计量精度,这里对更长测量直管的速度分布情况进行了研究。取直管长度L=18D。
横截面上速度分布总对称偏差度变化趋势
图8给出了测量直管长度取14.4m(18D)时不同横截面速度分布总对称偏差度的变化趋势。从图8可以看出,沿着直管流动方向,sym先减小后增大,sym变化趋势与直管长度为15D时的变化趋势一致。在l=10~14D位置,管内速度分布总对称偏差度较小。
 
4.1.3 800mm内径电磁流量计测量管路设计分析 根据上述计算结果统计出不同过流量、不同直管长度,速度分布总对称偏差度的最小值及对应的位置,见表2。从表2可以看出,当直管长度L取12m和14.4m时,均有部分位置的速度分布总对称偏差度较小,且两种直管长度下总对称偏差度最小值相差很小。以Q=2.0m3 /s为例,L取12m和14.4m时,总对称偏差度最小值分别为0.3212和0.3198,差值为0.0014。由此可见,当测量直管长度达到一定值时,继续延长测量直管长度并不能显著改善管内速度的轴对称分布情况。
 
根据计算结果分析,尽管直管上并没有速度完全中心轴对称(速度总对称偏差度为0)的用于安装电磁流量计的理想位置,但是由于sym最小值较小,且延长直管长度后sym最小值变化很小,因此可以认为,在设计800mm内径电磁流量计测量管路时,直管长度取12m可满足电磁流量计的安装和测量要求,但考虑到电磁流量计本身的长度,直管长度应在12m的基础上适当加长。
 
4.2 500mm内径电磁流量计测量管路计算结果分析 由于依托项目拟建立的高精度流量计量标准装置同时用于500mm和800mm内径电磁流量计,如果根据800mm内径电磁流量计的测量管路要求,测量直管长度大于12m,这个长度对于500mm内径电磁流量计,为24D,这远远大于一般情况下电磁流量计测量直管的设计要求。这里取10m(20D)直管长度,对500mm内径电磁流量计测量管路内的速度分布对称特性进行分析。
截面上速度分布总对称偏差度变化趋势(D=50
图9给出了速度分布总对称偏差度沿流动方向的变化曲线。其中横截面到上游弯管的长度l=3D、5D、8D、9D、、18D、19D。从图中可以看出,沿着流动方向,总对称偏差度的变化趋势与800mm内径管路内总对称偏差度的变化趋势一致。在l<8D时,sym沿着流动方向大幅度降低;在l=8~16D的管路位置,sym变化趋缓。表3对速度分布总对称偏差度进行了分析。从表中数据可以看出,l=10D位置的速度总对称偏差度比l=5D位置小很多,即l=10D位置的速度分布轴对称情况远远优于l=5D处的速度分布,两个位置速度总对称偏差度相对差值最大为0.2083;不同流量工况下,在很大的位置范围内管内速度分布对称情况良好。由此可见,测量直管长度大于10m,满足500mm内径电磁流量计对直管长度的要求。
 
5 结论
本文采用CFD数值方法对电磁流量计直管长度及管内流速中心轴对称分布特性展开研究。为了更加准确地研究电磁流量计测量直管内流速分布的中心轴对称特性,基于电磁流量计工作原理,根据不同位置流体质点对电极产生大小不同的感应电动势,提出了定量衡量流速分布中心轴对称程度的速度总对称偏差度sym,并分析了直管内流速分布中心轴对称特性和电磁流量计对测量直管长度的
要求,主要结论如下:
 
(1)对800mm内径管路而言,直管长度L(直管两端接90°弯管)为12m和14.4m时,均有部分管路位置的速度分布总对称偏差度较小;两种直管长度下,速度总对称偏差度最小值相差很小,相对差值为0.0014。由此可见,直管长度大于12m(15D)可满足800mm内径电磁流量计对测量直管长度的要求,当测量直管长度达到一定值时,继续延长直管长度并不能显著改善管内速度的轴对称分布情况;
(2)不同过流量条件下,管径分别为500mm和800mm时,速度总对称偏差度均沿着流动方向先减小后增大,这是由于在靠近上游弯管和下游弯管的直管段,流动受弯管影响所致,且上游弯管对直管内速度分布的影响较大;
(3)对500mm和800mm内径管路而言,l=10D位置速度总对称偏差度sym比l=5D位置小很多,即l=10D位置的速度分布中心轴对称情况远远优于l=5D处的速度分布,电磁流量计安装在l=10D位置时流量计量的准确度将大大高于电磁流量计安装在l=5D位置。由此可见,上游扰流件为弯管时,电磁流量计距离上游弯管的直管长度(即电磁流量计上游直管长度)大于10D才能满足电磁流量计的高精度计量要求。
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