借助计算流体力学(CFD)方法对旋进旋涡流量计进行了研究,获得了流量计内部流场信息,验证了在流量计工作范围内旋涡进动频率与流量之间良好的线性关系.重点对几种旋进旋涡流量计结构改进优化方案进行了仿真分析,这些结构优化方案包括在旋进旋涡流量计起旋器入口加装导流叶片、改变扩张段的扩张角和改变收缩比.结果发现,加装导流叶片可以显著减小流量计压力损失,并可增加涡核的旋转强度,使得检测信号的强度得到增强,从而扩展了测量下限;收缩比和扩张角过大和过小对于流量计性能都不利,存在一个最佳值.
旋进旋涡流量计是根据旋涡进动现象设计的一种流体振荡式流量计,具有流量范围宽、无可动部件、不易腐蚀、可靠性高、安装使用方便、直管段要求短等优点,适用于石油、蒸汽、天然气、水等多种介质的流量测量[1].20世纪70年代,Dijstelbergen[2]对旋进旋涡流量计性能进行了比较全面的实验研究,验证了该流量计线性输出特性,并且发现该流量计不易受介质黏度和密度影响,指出了旋进旋涡流量计在高压气体测量方面商业化应用前景.Furio和Gianfranco[3]对旋进旋涡流量计做了实际工况下的仪表特征测试,探索该流量计在计量领域应用的可行性.旋进旋涡流量计工作时振荡频率信号容易被外界振动与流体脉动噪声所干扰[4],对此宋开臣和傅新[5,6]提出安装对称两个压力信号探头,相位差180°,用信号差分处理提高旋进旋涡流量计抗干扰能力,取得了良好效果.
对于旋进旋涡流量计内部流动特性及流量计改进方面,科研人员也进行了一定探索.彭杰纲等人[7-9]对旋进旋涡流量计内部流场进行了数值模拟分析,研究了旋涡进动效应流场的演变情况,分析了流场干扰对旋进旋涡流量计流场进动效应的影响.张涛等人[10]采用数值方针的方法对旋进旋涡流量计的结构进行了优化,使得流量计的压力损失有了一定减小.何馨雨等[11]对旋进旋涡内部流场进行了数值模拟分析,获得了比较全面的流场信息,对这种流量计的内部流动特性有了更加深入的理解.
目前,旋进旋涡流量计应用中还存在压损较大、下限流量(始动流量)偏大、系列设计缺乏理论依据等问题.本文借助流体力学数值仿真的方法对旋进旋涡流量计的结构参数做了系统研究,分析了旋进旋涡流量计压力损失情况和输出信号质量.文中采用导流叶片来降低压损,提高流量计性能,还着重考虑针对起旋器叶片数量、扩张角度等参数进行的优化研究.希望通过此项研究工作能够为旋进旋涡流量计的设计开发提供理论上的支持.
1 旋进旋涡流量计工作原理与结构优化研究方案
1.1 工作原理
旋进旋涡流量计主要由起旋器、文丘里管、消旋器和检测传感器组成,其结构原理如图1.
旋进旋涡流量计是基于旋涡进动现象工作的[12].流体流入旋进旋涡流量计后,首先通过一组由固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强制旋转,使流体形成旋涡流.旋涡中心为“涡核”是流体旋转运动速度很高的区域,其外围是环流.流体流经收缩段时旋涡加速,沿流动方向涡核直径逐渐缩小,而强度逐渐加强.此时涡核与流量计的轴线相一致.当进入扩大段后,旋涡急剧减速,压力上升,中心区域的压力比周围的压力低,于是产生了局部回流.在回流作用下,涡核偏离中心轴像刚体一样在扩张段壁面做螺旋进动,并且是围绕中心轴进行的.进动频率与流体的流速成正比.因此,测得旋进旋涡的频率即能反映流速和体积流量的大小.
1.2 结构优化方案
针对现有旋进旋涡流量计压损大、小流量信号弱等问题,提出了结构改进和参数优化研究方案.改进对象为一个DN50气体旋进旋涡流量计,其内部结构和寸见图2.流量计长度为232 mm,入口管径50 mm,收缩段长度94.2 mm,发展段管径为36 mm、长度为35.8 mm,扩张段长为12 mm,扩张角度为60°.具体改进和参数优化研究如下:
1)起旋器入口加装导流叶片段.原有起旋器叶片在入口段没有导流部分(图1),叶片与来流之间夹角为60°,来流不是切向进入,会造成严重的流动分离.流动分离使得流动扰动和流动阻力增大.因此,改进方案中考虑把原来起旋器叶片延长并作弯曲(见图3a),使得入口与来流夹角为0°,即流动切向进入,以期改善流动状态.
2)起旋器叶片数量增加.起旋器原来的叶片数量是6片,考虑增加1片(图3b),同时为了保证流动面积不减小,将叶片厚度由2.5 mm变为1.5 mm(当前加工能力能够做到).螺旋角度保持不变,仍为30°.
3)关于流量计壳体参数方面,对扩张角和收缩比进行研究.如前所述,旋涡进入扩张段后急剧减速,产生了局部回流,涡核偏离中心轴打在壁面上,产生压力脉动.因此,扩张角大小对涡核运动会产生很大影响.本文将对30°、60°(原型参数)和90°(阶梯型)三种情况进行模拟计算.收缩比也是比较重要的一个参数,收缩比越大,旋涡旋转速度增加越多,但是同时压损将变大,而且可能造成扩张段涡核扰动对冲击壁面的影响减低.本文考察了50∶36(目前参数)和50∶32两种收缩比的情况.需要说明的是,对扩张角和收缩比参数研究时,针对的起旋器模型是加装了导流叶片(6个叶片)的情况.
2 计算模型
2.1 流体力学控制方程和湍流模型
旋进旋涡流量计的流体动力特性可以用流体力学基本方程描述如下.
连续性方程与动量方程[13,14]:
流量计内部为湍流流动,需引入湍流模型.标准的k-ε湍流模型用于强旋流或带有弯曲壁面的流动时,会出现一定失真,因此本文选用RNGk-ε湍流模型.湍流模型和相关方程在文献[11]中有详细说明,感兴趣的读者可参考这篇文献.
2.2 仿真模型的建立与计算过程
图4为流量计仿真物理模型,计算区域总长度为447 mm,网格划分采用的是非结构化混合网格,在局部流动复杂部分对网格进行加密.网格数大约为80万.在旋进旋涡流量计的流通管道上设置五个压力检测截面1,2,3,4,5.截面1位于扩张段的中部,截面2位于扩张段上游5 mm处,截面3位于扩张段上游10 mm处,截面4扩张段上游15 mm处,截面5位于扩张段下游5 mm处.分别在每个截面距壁面6 mm处设置对称两点作为压力脉动信号采集点.
本项工作采用了Fluent流体力学计算软件.计算流程和条件参数设置如下:
选用3 d解算器;求解模型Solver设置为非耦合隐身算法,并设置为非定常流动.湍流模型是RNGk-ε湍流模型.设置流体物理属性:选择空气密度1.225 kg/m3.
边界条件:入口设为速度入口;出口边界条件设定为压力出口;压力值固定为1个大气压(101325 Pa);管壁及起旋器表面设为无滑移边界条件.流量从10 m3/h开始,然后取20 m3/h ,40 m3/h,再每间隔40 m3/h取一次(80 m3/h,120 m3/h,160 m3/h,200 m3/h和240 m3/h ),计算中对非定常迭代时间步长的选取需注意要比脉动周期小得多,小于1/10脉动周期.
3 数值模拟结果与分析
何馨雨等计算发现在旋进旋涡流量计的流通管道截面1,2,3,4,5中,扩张段截面1及其上游5 mm处(即截面2)处的旋涡脉动信号最强.并且如果采用相位差为180°的两个轴对称点进行差分处理可以使脉动信号增强一倍,所以本研究选取截面1作为信号检测面.
首先考察了收缩比的影响.收缩比为50∶36时,在整个流量范围内,有正常数据获得;而当收缩比为50∶32时(保持扩张角度60°不变),发现在流量为40 m3/h以下和200 m3/h以上时,壁面处无法检测到压力周期信号.也就是说,延长收缩段使得收缩比变大时,流量检测范围变小,达不到改善流量计测量特性的目的,因此,以下讨论不再包含收缩比的内容.
3.1 流场特性和旋涡进动频率
图5是针对原型流量计内部流场的模拟结果(一个旋涡进动周期),流量为80 m3/h.可以看到,在靠近壁面处速度明显高于其他部位,而管道中心处由于回流的影响呈负速度分布,并且壁面高速流呈逆时针做圆周状运动,即管道流体在扩张段做螺旋进动.
表1列出了各种结构参数情况下的旋涡进动频率数据,这些数据绘制成旋涡进动频率-流量关系图(图6).图中可以看出,对于研究涉及到的所有参数组合,旋涡进动频率与流量之间都保持良好的线性关系.
3.2 流量与压损的关系
在研究流量计压损变化时,我们在计算模型的入口处与出口处分别设置监测截面,入口压力值减去出口压力值即作为流量计压力损失.不同流量,各种结构参数情况下的压损列于表2.
图7为压力损失与流量的关系.图中可以看出,原型流量计的起旋器前端加装螺旋导流叶片后,压损有了明显的减小.流体进入流量计前为是充分发展管流,进入流量计后首先通过的是相当于一个阻流件的起旋器,流体受到起旋器前端叶片的阻挡,当未加导流叶片时,会发生严重的流动分离,从而带来很大的能量损失;而前端增加螺旋导流叶片,流体以平行于流场的角度引导流体顺利并呈螺旋状流入起旋器起旋叶片,避免发生流动分离,压力损失得以减小.当增加叶片数量至7片后,压力损失比6个叶片时进一步减小,这是因为在增加叶片数量的同时减小了叶片厚度,流通面积面反而增大.从图7还可以看出,将扩张段角度缩小至30°和增大至90°时,压损曲线与60°(即原型)的情况相比基本没有变化,说明了在流量计压损方面,扩张角大小影响不大,起旋器的影响是主导因素.
3.3 检测探头处的压力信号
对相位相差180°的两路压力信号做差分后能在一定程度上抑制管道同模干扰信号并且能使信号强度增大一倍,故而对小流量测量时更敏感,能有效提高测量精度.不同流量下原型流量计与参数改进后模型的差分压力信号幅值列于表3.
图8为各模型压力信号幅值与流量的关系图,可看出在起旋器前端加装螺旋导流叶片后,压力信号有了明显的增强,平均增幅达到49%.叶片数增加至7片后压力信号幅值比6片时有较大减弱,不可取.扩张角缩小至30°后信号较60°时变弱,扩张角增大至90°时信号最弱,可见扩张角不是越大越好,也不是越小越好,就本文数据来说,60°是最好的一个选择.
通过数值计算的方法对旋进旋涡流量计内部流场和输出特性等进行了研究,针对几种结构改进方案进行了数值仿真,得到以下结果:
1)对于各种结构参数组合的模型,流量与测量信号频率都能保持线性关系.
2)在旋进旋涡流量计减小压损方面,起旋器占主导因素.缩小扩张角至30°及增大扩张角至90°对改变压损状况不明显,而通过前端增加螺旋导流叶片,流量计压损有明显降低.
3)在测量信号强度方面,加装导流叶片后效果显著,达到近49%的增幅.特别在小流量时信号增强明显,能有效降低测量下限.扩张角选取有最佳值,本研究中,扩张角为60°时测量信号最强.
