侧装磁性水位计差压式孔板水位计缩径管段流场

差压式孔板液位计缩径管段流场数值处理孔板流 摘 要: 基于 ANSYS － CFX 商业模仿软件，对差压式孔板液位计的外部流场停止数值模仿研讨。计算了关于孔板液位计流出系数的 4 个次要影响要素: 液位、粘度、缩径孔厚度及截面比，失掉了不同模仿工况下的外部流场变化规律，同时借助数值模仿讨论了孔板液位计的冲蚀成绩。将数值模仿流出系数计算值与根本经历公式编程计算值停止比照验证，后果显示两者吻合度高，误差根本控制在 5% 以内。研讨标明，数值模仿可作为种孔板液位计设计及标定的辅佐办法。 差压式液位计( Differential Pressure Flowme-ter，简称 DPF) 是依据装置于管道中液位检测件发生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量液位的仪表。DPF 是基于流体活动的节流原理，应用流体流经节流安装时发生的压力差而完成液位测量，是目前消费中测量液位成熟、常用的办法之［1］。DPF 的开展历史已逾百年，至今已开收回来的差压式液位计超越30 多种，其中使用普遍、具代表性的差压式液位计有 4 种: 孔板液位计、经典文丘里管液位计、环形孔板液位计和 V 锥液位计( 见图 1) 。图 1 代表性差压式液位计构造表示 关于差压式液位计的数值模仿研讨已无数十年，但至今很少有将数值模仿与实际经历公式相结合，零碎剖析其外部流场的研讨［2 － 3］。文中针对差压式孔板液位计，应用 ANSYS － CFX 软件，结合 ISO 经历计算公式，停止缩径管段的流场数值研讨; 经过剖析影响外部流场的次要要素，讨论设计参数的变化规律及能够存在的成绩( 堆积、冲蚀等) ，从而为工程实践提供本质性的建议与指点。1、差压式液位计活动水力特性：1.1、根本方程推导： 关于定常活动，在压力取值孔所在的两个截面( 截面 A 和 B) 处满足质量守恒及能量守恒方程［4］。在充沛紊流的理想状况下，流体活动延续性方程和伯努利方程辨别为:伯努利方程D 和 D /2 取压方式的规范孔板流出系数次要由截面比 及雷诺数 Ｒe 决议，经历计算式如下:C = 0． 5959 + 0． 03212． 1－ 0． 18408+0． 00292． 5(106ＲeD)0． 75( 9)式中 ＲeD管段雷诺数1.2、孔板液位计： 孔板液位计是普遍、具代表性的差压式液位计之。作为规范节流安装的孔板液位计，因其测量的规范性而失掉普遍的使用，次要使用范畴有: 石油、化工、电力、冶金、轻工等。 计量功用的完成是以质量、能量守恒定律为根底。其外部流场活动特性如图 2 所示。保送介质充溢管道后，当流经缩径管段时，流束将受节流作用部分膨胀，压能局部转变为动能同时构成流体减速带，从而缩径孔前后便发生了分明的压降值。初始流速越大，节流所发生的压降值也越大，故可以经过压降值的监测，结合式( 8) 来测定流体液位的大小。孔板液位计的取压方式有 3 种:D 和 D /2 取压、法兰取压及角接取压。文中选取D 和 D /2 取压的孔板液位计( 见图 3) 展开其外部流场的数值模仿与实际编程计算研讨。图2孔板液位计流场特性表示图3规范孔板液位计的D和D/2取压构造表示2、基于 ANSYS － CFX 的规范孔板液位计数值模仿：2.1、建模算例：2.1.1、几何建模： 如图 3 规范孔板液位计的 D 和 D/2 取压构造，选取 Solidworks 软件停止建模［5］，树立如下模型: 管内径 100 mm，缩径孔直径 40 mm( 截面比为0． 4) ，缩径孔厚度 3 mm，所建模型如图 4 所示。2.1.2、网格划分： 选取 ICEM CFD 软件对所树立的几何模型停止网格划分［6］，为了进步计算精度，对缩径孔部位及管内壁边界层网格停止部分加密及网格质量处置; 在固液接壤管壁处，停止边界层网格处置( 从面第层单元开端的扩展率为 1． 2; 从面开端增长的层数为 5) ; 同时，关于管段角点处未生成理想 边 界 层 网 格，通 过 Curve Node Spacing 和Curve Element Spacing 停止网格节点数划分，从而生成较为理想网格。其后果如图 5 所示。图 4 Solidworks 几何建模表示2.1.3、前处置及求解计算： 选取个经过 ISO 9001 质量认证的CFD 商用软件 CFX 停止缩径管段流场数值模仿研讨［7］。在其前处置模块( CFX － Pre) 中定义流体介质为水，液位为 0． 5 m3/ h ( 此工况条件下的雷诺数为 1804) ，采用入口定流、出口定压的定义形式。近壁面湍流采用规范壁面函数法。CFX求解器( CFX － Solver) 次要运用无限体积法，本模仿计算残差设定为 10－ 6，计算后到达波动的收敛形态。2.1.4、后果剖析： 经 CFX 后处置模块( CFX － Post) 处置，计算后果显示: 流体流经缩径孔时，经节流减速作用，在缩径孔下游构成个沿轴向对称的峰值速度带，在接近管段内壁呈现两个反向活动的涡流区( 见图 6) ; 湍活动能较强区域呈现在缩径孔下游并出现出两个对称的椭圆形峰值带( 见图 7) 。缩径孔下游及缩径孔处的雷诺数辨别为 1830，4790( 即此时两者的流态辨别处于层流区、湍流区) 。数值模仿的上下压取值孔压差为 13． 56 Pa，应用式( 9) 可计算求得流出系数为 0． 6461，由经历公式编程计算可得流出系数为 0． 6254，两者计算误差为3． 31% 。由此阐明两种研讨办法的吻合度较好，可应用 ANSYS － CFX 数值模仿办法展开相应的研讨任务。2.2、规范孔板液位计流场影响： 要素讨论应用 ANSYS － CFX 数值模仿软件，以上述所建模型为根底，对规范孔板液位计缩径管段的介质活动状况展开进步的讨论。对流体流速、流体粘度、缩径孔板厚度及截面比 4 个次要影响要素停止数值模仿剖析，针对流出系数计算变量，将模仿后果与实际公式编程计算后果停止比照。其中，实际编程计算根据遵照上述根本方程式( 式( 1) ～ ( 9) ) 。图6流体(水)速度散布云图 图7流体(水)湍活动能散布云图2.2.1、不同流体液位： ( 流速)为研讨液位( 流速) 对缩径管段流场散布的影响，树立如下模型: 管内径 100 mm，缩径孔直径50 mm ( 截面比为 0． 5 ) ，选取水作为活动介质。思索到流体能够处于不同流态的状况，在层流区、过渡区及紊流区辨别选取 3 个液位值停止模仿与实际计算。 数值模仿可求得各液位下的雷诺数、上下压取压孔压降值及流出系数( 见表 1) 。计算后果标明，数值模仿所求得的流出系数与实际公式编程计算值吻合度较高( 特别是在层流区) ，误差根本控制在 5% 以内 ( 层流区时误差仅为 1． 5% 左右) ，数值模仿流出系数值直略大于编程计算值( 见图 8) 。编程计算显示，随着液位的增大，流出系数逐步减小，在层流区递加速度较快; 模仿后果显示，在层流区及紊流区，流出系数随液位增大而降低，在过渡区，流出系数随液位的增大而降低，由于过渡区流态的不确定性，摩阻系数同时遭到粗糙度及雷诺数的作用，在本模仿工况条件下出现出此变化规律，关于其他模仿工况还需展开相关的研讨论证。层流区活动系数的变化规律次要取决于在该流态下，雷诺数变化幅度大( 跨越个数量) ，由式( 9) 可得，雷诺数的急剧变化会惹起流出系数的大幅度动摇。研讨标明: 液位的变化会惹起流出系数的明显变化。表 1 不同液位( 流速) 条件下数值模仿与实际公式计算后果2.2.2、不同介质粘度( 流体介质)： 为研讨介质粘度对缩径管段流场散布的影响，树立如下模型: 管内径 100 mm，缩径孔直径50 mm( 截面比为 0． 5) ，液位 10 m3/ h。如表 2 所示，选取系列不同粘度值的典型管输流体，停止数值模仿与编程计算剖析。计算后果标明，随着粘度的增大，数值模仿与编程计算后果出现相反的变化规律，随着粘度的增大，流出系数较为规律地逐渐上升( 见图 9) 。数值模仿流出系数值直略大于编程计算值，由于实际计算式( ISO 里德哈里斯/加拉赫公式) 是基于少量实验回归出的个经历公式，实验进程中在缩径孔存在污物堆积及冲蚀影响，而本文数值模仿未触及到此类成绩，故模仿值将略大于实际计算值。两者的计算误差在 5% 以内，在低粘度区的计算误差较小( 在 3%以内) 。研讨标明: 流出系数与保送介质的粘度严密相关。图 8 不同液位( 流速) 研讨比照曲线2.2.3、不同缩径孔厚度： 为研讨缩径孔厚度对缩径管段流场散布的影响，树立如下模型: 管内径 100 mm，缩径孔直径50 mm( 截面比为 0． 5 ) ，液位 10 m3/ h，选取水作为活动介质。按规范孔板液位计的设计要求，此时缩径孔的厚度范围为 0 ～ 6 mm。以 1 mm 为增量台阶，选取 7 个缩径孔厚度停止数值模仿与编程计算研讨，如表 3 所示。 计算后果标明，随着缩径孔厚度的增大，编程计算的流出系数根本不变，这是由于，关于给定的孔板液位计构造，在计算流出系数时其只思索了截面比及雷诺数，不思索缩径孔厚度的影响。而数值模仿后果显示，流出系数随缩径孔厚度的增大而增大( 见图 10) 。这是由于，当缩径孔厚度增大时，流体流经缩径孔的节流减速聚集作用越强，在孔口下游所构成的峰值速度带将越长，由能量守恒可知，此时高压取值孔的压力值将进步下降，从而使得计算压差变大，故流出系数出现出随缩径孔厚度的增大而增大的变化规律。图 9 不同流体介质研讨比照曲线2.2.4、不同截面比( 直径比)： 为研讨缩径孔厚度对缩径管段流场散布的影响，树立如下模型: 管内径 100 mm，液位 10 m3/ h，选取水作为活动介质。为涵盖普通规范孔板液位计的截面比选取范围，如表 4 所示，选取了 0． 15～ 0． 75 范围内的 13 种截面比停止数值模仿与编程计算比照剖析。图 10 不同孔板厚度研讨比照曲线表 3 不同孔板厚度条件下数值模仿与实际公式计算后果 计算后果标明，在编程计算中，流出系数随截面比的增大而增大，上升幅度较为平均; 在数值模仿中，当截面比小于 0． 3 时，流出系数随截面比的增大而减小，当截面比大于 0． 3 时，流出系数随截面比的增大而增大( 见图 11) 。数值模仿流出系数值直略大于编程计算值，计算误差根本控制在 10% 以内，随着截面比的增大，两者误差逐步减小。在低截面比节流进程中，由于缩径孔较小，流体流经缩径孔时，其径向分速度及紊流强度将加强，为了验证这景象，如图 12 所示，在管流中添加了定浓度的固相颗粒，追踪固相颗粒流经不同缩径孔时的运动轨迹。图 12 中显示，当截面比减小到定值时，局部固相颗粒在缩径孔下游处沿径向停止较大强度的紊流运动。此景象的存在使得下游的速度带、涡流带及压力散布不再那么规律，从而影响流出系数的变化规律及两种研讨办法的计算误差。2.3、缩径管段冲蚀剖析讨论： 为研讨规范孔板液位计运用于多相流范畴中所存在的管段冲蚀成绩，树立如下模型停止讨论［8 － 12］: 模仿示例以稀相气固两相流为根底，气相选取自然气，气速为 10 m/s，球形固相颗粒直径 50 μm，密度 2500 kg /m3，固相液位 4 kg /h，所建管长 5 m，管内径 50 mm，截面比 0． 5。模仿后果显示，固相颗粒在缩径孔下游较为平均地堆积于管段底部，流经缩径孔受节流减速作用，构成个峰值速度带，如图 13 所示; 固相颗粒对管段的大冲蚀量不是发作在孔板截面上，而是在缩径孔下游的峰值速度带与管段内顶部接触局部，如图 14 所示。表 4 不同截面比( 直径比) 条件下数值模仿与实际公式计算后果 图 11 不同截面比( 直径比) 研讨比照曲线图 12 不同截面比固相颗粒运动轨迹追踪图 13 缩径管段颗粒速度散布云图图 14 缩径管段冲蚀密度散布云图扩展阅读： 孔板液位计CFD模仿 孔板液位计因其构造复杂、耐用而成为目前际上规范化水平高、使用为普遍的种液位计,但也存在着流出系数不波动、线性差、反复性不初等缺陷。采用CFD数值模仿来剖析研讨管内孔板类节流元件的相关流场在外已无数十年的历史[1-5]。Sheikholeslami等人和Barry等人运用Fluent软件模仿了孔板液位计任务功能随着雷诺数、直径比、管道外表粗糙度、下游旋涡以及上下游活动边界条件的变化状况,在运用二维轴对称模型的状况下,他们以为采用8060的网格足以失掉与经历数据相差在2%以内的流出系数值[6-7]。美Texas A&M大学的Morri-son等人采用CFD对孔板液位计停止了参数化研讨,并测量了孔板下游的流场[8-9];后来又采用实验和CFD模仿对计量管外部的粗糙度规格停止评定改良,以为可以经过CFD模仿来取得恣意雷诺数和管壁粗糙度下的管流通用速度散布图[10]。挪威科技大学(NTNU)的Erdal等人采用Phonics软件研讨了充沛开展活动条件下,单孔孔板下游的流场,并采用二维轴对称模型剖析讨论了不同边界条件、差分算法和湍流模型等对孔板前后流场模仿后果的影响[11-12]。悉尼大学的Langrish等人应用CFX软件中的规范湍流模型,模仿了三维轴对称突扩管内雷诺数到达105时的湍流活动状况[13]。2003年,美福特公司的研讨人员采用Fluent 6.0软件模仿了汽车传动液压控制零碎管路用孔板节流元件的流场,讨论了流出系数与直径比、孔板横截面外形、孔板轴向厚度、孔板出入口几何外形之间的关系[14]。  近5年来,际些单位也开端围绕孔板类节流元件的流场成绩停止数值模仿研讨[15-17]。但迄今尚无人应用商业CFD软件专门针对孔板液位计的外部流场停止零碎剖析,与相关经历公式停止比照讨论,因而展开这方面的任务十分有必要。  1 CFD模型及计算后果  1.1 实际根底  规范孔板液位计有D和D/2取压、角接取压和法兰取压等多种方式,其中D和D/2取压法的构造如图1所示。关于不可紧缩流体的程度管活动,在疏忽沿程摩擦阻力损失的状况下,依据流体活动的伯努利方程(能量守恒)和延续性原理,可以得出管道中流体实际体积液位QV的计算公式(1)实践上,关于不可紧缩流体,下游取压口并非设置在截面S2-S2处,而是在与S2-S2有定间隔的截面S3-S3处。思索到在截面S1-S1、S3-S3上测取的均匀流体压力差△p定大于△p′,故定义流出系数C来修正上述公式,可得实践体积液位值的计算公式    普通在出厂前经过树立的实验安装,实测标定出孔板液位计的流出系数C;在工程实践使用进程中,只需经过测定实践的△p值,将C、△p值代入式(2),即可失掉所关怀的实践体积液位值qV。关于不可紧缩流体,当采用规范孔板构造时,也可不实测标定,而运用际规范化组织(ISO)的里德-哈利斯/加拉赫公式确定流出系数,该公式是基于少量实测实验而回归出的个经历公式[18]。  在已知qV的前提下,可以经过CFD数值模仿得出孔板前后D和D/2截面上的压力差△p,然后将qV、△p代入式(2),求出数值模仿流出系数C′。1.2 建模与求解  运用Gambit直接树立规范孔板液位计D和D/2取压时的三维实体模型,但应用对称的特点沿轴向思索1/2的实体。下游管段和下游管段直径D取100mm,孔板下游管段长取20D,下游管段长取10D,孔板厚度取3mm[19]。在固-液接壤壁面处(图2(a)中的线段AB、HG、IJ、OP处)停止边界层处置,边界层的第行百分比选用15%,共5层,比例设为1.1。  为了精确捕获孔板前后流场的变化状况,以上、下游直管段内与孔板等孔径的圆柱面为分界面施行Split操作(图2(a)中所示为线段DC、FE、KL、MN),并将边界层作为种网格加密的技巧在此予以使用:分界圆柱端面向外、向内边界层的第行百分比选用15%,共10层,比例设为1.1;辨别将圆环面和半圆面以Map、Pave的方式停止网格划分。下游直管段的轴向网格密度沿BA、CD、EF、GH方向以1.1的比例由密变疏,下游直管段的轴向网格密度沿IJ、KL、MN、OP方向以1.1的比例由密变疏,孔板轴线方向(CK、EM)上的网格均匀散布。初采用Cooper停止网格划分,终所得网格划分状况如图2(b)所示。在初始验证性算例中,取=0.4、qv=0.5m3/h;以常温下的水作为流体介质,其密度、粘度依据Flu-ent 6.2.16数据库中对应的物性参数来选取。进、出口的边界条件辨别设置为速度入口、出流(outflow),取流体重力减速度沿着-Y轴方向。此时对缨的入口流速v=0.0176839m/s,则下游直管段内和节流孔处的雷诺数Re辨别为1760、4400,可见流体在下游直管段内为层流活动,在节流孔内为湍流活动。为此,Fluent数值模仿时采用3ddp求解器,选择规范k-两方程湍流模型和强化壁面处置,团圆方程组的压力速度耦合选择SIMPLE算法,动量、湍活动能、湍流耗散率均采用阶顶风差分格式。图3(a)为外部的速度大小散布等值线图,水流经由孔板节流后,构成了个对称的速度尖峰,中心轴线上的速度大,逐步向两边递加;在孔板的下游构成个尖核状的速度峰,而在下游接近壁面处构成个盘旋区。图3(b)为湍活动能的散布图,湍活动能在孔板下游区域较强,并在孔板内壁所在面左近构成双峰。  经过在Fluent中读取孔板前后D和D/2轴截面上的均匀压力值ph、pl,得出p=14·05Pa,进而计算出数值模仿流出系数C′=0·6508;依据ISO经历公式计算出的引荐流出系数C=0.6323,两者的误差δ为2.93%,可见C′与C吻合较好。虽然CFD数值模仿与实验实测样都存在着各种误差影响,但仍足以证明CFD数值模仿模型的正确性。2 各参数变化对流出系数影响的讨论  为了研讨不同液位、直径比、孔板厚度和流体介质对规范孔板液位计活动状况的影响,得出些具有指点意义的结论,在工况温度均为300K的状况下,每次仅改动其中某个参数,应用Fluent停止数值模仿和相关剖析讨论。如不特别指出,所建三维模型边界层的第行百分比都选用15%。  2.1 液位的影响  以水为流体介质,对=0.5、E=3mm的规范孔板液位计,依据详细的活动状况在Fluent求解器中选用层流或k-湍流模型,但网格划分形式不变(即都采用边界层网格加密处置)。得出不同液位下的流场计算后果如表1所示。  由表中可以看出,在包括层流、过渡流和湍流形态的不同液位下,数值模仿流出系数C′与ISO公式流出系数计算值C均吻合得较好,并且在层流形态下(Re<2100),C′与C的误差维持在2%以内。随着液位的不时增大,C逐步减小,而C′随着活动形态的不同其变化规律也不同。在层流形态下,随着液位的增大C′逐步减小;在过渡流形态下(),随着液位的增大C′逐步增大;在湍流形态下(Re>4000),随着液位的增大C′逐步减小。并且,在湍流形态下,C′直大于C。3、结论： ( 1) 基于 ANSYS － CFX 的差压式孔板液位计数值模仿，可明晰直观地失掉缩径管段外部流场散布。数值模仿的流出系数值与基于实际公式编程计算值误差小、吻合度高，可结合详细场所使用于工程实践。( 2) 经过数值模仿，详细计算研讨了关于孔板液位计流出系数的 4 个次要影响要素: 液位( 流速) 、粘度( 流体品种) 、缩径孔厚度及截面比( 直径比) 。后果标明，随着液位的增大，流出系数逐步减小，在层流区域减小速度快; 流体粘度、缩径孔厚度的增大均会使得流出系数增大; 当截面比拟小时，流出系数随其增大而减小，当截面比拟大时，流出系数随其增大而增大。( 3) 借助 ANSYS － CFX 数值模仿手腕，可以辅佐发现实际公式计算所无法失掉的些景象。如: 当截面比小到定水平时，流体在缩径孔下游的径向速度场及湍流强度将明显加强，进而影响计算精度; 在气固两相流的缩径管段冲蚀模仿中可以发现，管段的大冲蚀区域不是发作在缩径孔板上，而是在其下游管段的某管内壁的顶部。从而针对发现的景象可以展开相应的实际技术研讨。( 4) 数值模仿计算流出系数值直大于实际编程计算值，可结合相关实验进步深化研讨，经过模型优化或计算值修正，使得实际、数值模仿及实验三者互相验证、互相致。相关引荐：孔板液位计的装置及维护规范孔板液位计的使用及日常管理石油化工差压式孔板液位计厂选购装置和维护