（流体力学专业论文）插入式水流量测量装置的数值优化与实验研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 摘要 论文阐述了一种新型插入式流量计的研究与开发，结合差压式水流量测量 原理和插入式安装方式，利用c f d 与实验流体力学相结合的研究方法，创新性 得提出了这一新型流量计的测量装置，解决了目前发展成熟的孔板流量计所存 在的压损过大、结构庞大等问题，且比其他类型的插入式流量计测量装置具有 更大的应用前景。 本文首先采用r a n gk - e 湍流工程模式对初选设计的流量计模型进行了大量 的三维c f d 计算，经过数值结果的分析后，初步确定了三类流量计的试验模型。 本论文搭建了高精度实验台，利用超声波流量计测量流量，不同量程的高精度 压力传感器测量压差，通过模拟管网水系统的真实流动，获得了新型插入式流 量计在不同流速下的实验数据。对比研究发现该流量计的c f d 计算结果与实验 测量结果之间存在一定的偏差，但基本上在误差允许的范围内。 数值计算和实验研究的结果表明，利用c f d 数值模拟技术进行新型插入式 流量计的预测分析和计算机辅助创新设计的方法是可行的，有效的。论文设计 开发的新型插入形式流量计测量装置具有量程比宽、压力损失小、使用稳定可 靠的特点。 论文研究的新一代经济型插入式流量计装置经过标定后可直接用于工程实 际的水流量测量。 关键字：插入式流量计差压式c f d 数值模拟实验研究 t h e s t u d yo f an e wt y p eo fp l u g - i nm e a s u r e rd e v i c e x uw e i - f a n g ( f l u i dm e c h a n i c s ) d i r e c t e db ys h e nx i n - r o n g a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tm e t h o do fan e wp l u g - i nf l o wm e t e ri si l l u s t r a t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp r e s s u r ed r o pa n dp l u g i nm o u n t i n g , u s i n gt h ei n t e g r a t e dr e s e a r c hm e t h o do fc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ， w ei n n o v a t i v e l ) , d e s i g n e dt h en e wt y p eo ff l o wm e t e r t h i st y p eo ff l o wm e t e r s u c c e s s f u l l ys o l v e st h ep r o b l e mo fl a r g ep r e s s u r ed r o pa n db u l k yc o n f i g u r a t i o n o ft h e f u l l y - d e v e l o p e do r i f i c em e t e r , a n dh a sm o r ep r o m i s i n gp r o s p e c t i ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nw i t ho t h e rp l u g - i nf l o wm e t e r 一 a tf i r s t ，w ed ot h em a s s i v ec f d c o m p u t a t i o nw i t hr n g k - et u r b u l e n tm o d e lt o c h o o s et h et h r e et y p e so ft h em o d e l at e s t b e dw i t hh i g hp r e c i s i o ni se s t a b l i s h e d e q u i p p e dw i t hu l t r a s o n i cf l o wm e t e rt om e a s u r ef l u xa n dh i g h p r e c i s i o np r e s s u r e s e n s e so fd i f f e r e n tr a n g e st o t e s tt h ed i f f e r e n tp r e s s u r e ，w eg o tt h ee x p e r i m e n t a l d a t e so ft h en e wp l u g i nf l o wm e t e rw i t hd i f f e r e n tv e l o c i t yo ff l o wb ys i m u l a t i n gt h e r e a lf l o wo fw a t e rp i p en e t w o r ks y s t e m t oc o m p a r et h ed a t e s ，w ef o u n dt h a tt h e r e w a sad e v i a t i o nb e t w e e nt h ec f da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，h o w e v e r , t h i sd e v i a t i o n i sw i t h i nt h ee n g i n e e r i n gt o l e r a n c e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t ac o i n c i d ew e l l t h i ss h o w st h a t i t sf e a s i b l ea n de f f e c t i v et od e s i g na n do p t i m i z et h ef l o wm e t e rd e v i c eb yc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h en e w t y p eo fp l u g i nf l o wm e t e rd e s i g n e di nt h ep a p e r h a s aw i d e rr a n g e ，l o w e rp r e s s u r el o s ea n dm o r es t a b i l i t y t h en e w t y p eo ft h ep l u g - i nf l o wm e t e rr e s e a r c h e db yt h ep a p e r c a nb ea p p l i e d t oe n g i n e e r i n gp r a c t i c ea f t e rb e i n gc a l i b r a t e d k e yw o r d ：p l u g - i nf l o wm e t e r , d i f f e r e n c ep r e s s u r e ，c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：伊x年多月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙逛太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝塑太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：彦衫年6 月厂 日 钟始筋 签字日期：嘶6 月日 浙江大学硕+ 学位论文致谢 致谢 本论文是在导师沈新荣副教授悉心指导下完成的，在这里首先要感谢沈老 师在学习上给予我最大的帮助，他那严谨的科研作风和敏锐的观察能力深深影 响着我；在生活中，沈老师也一直关心我们，一起探讨生活方式与消费观念。 两年来的求学与接触，让我受益匪浅，我谨向沈老师致以忠心的感谢与崇高的 敬意! 还需要特别感谢的是求学路中帮助过我的每一位航院老师，在学术上，林 建忠教授、邵雪明教授、王灿星副教授、陈丽华副教授等，他们丰富的授课经 验、渊博的知识与朴实亲切的讲学，让我受益终身；置身于学生工作中的办公 室主任戴志潜老师，认真负责的工作态度一直影响着我。在这里对他们的努力 与付出表示忠心感谢。 同时需要感谢的是我们课题组，麻剑锋、张明侃、朱文斌、章威军、黎焱、 潘康等，正是与他们的交流与学习，让我第一时间解决学习与科研工程中遇到 的难题，本论文正是在他们的帮助下完成的。 最后需要感谢我的家人，一直在背后支持我完成学业，他们给予我的，不 仅是经济上的支援，更重要的是精神上的关怀，他们是我成长的动力源泉。 徐炜芳 2 0 0 8 年5 月于浙大 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 流量计概述 1 1 1 流量计的发展概况 流量是指流体在单位时间内通过单位截面的量。这个量用流体的体积来表 示称为瞬时体积流量( q v ) ，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量 流量( ) ，简称质量流量。 对于一定通道内流动的流体进行测量称为流量计量。在i s a 5 1 1 中定义为 【1 1 ：在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的仪表，它通常包 括一个一次装置和_ 个二次仪表。 1 、流量计的一次装置 安装在流体管道内部或外部的一种装置，它根据有关流体与存在的一次装 置相互作用关系的已知物理定律，产生一种与流体流最有明确关系的信号。 2 、流量计的二次仪表 能对一次装置发来的信号做出反应，并将它转换能说明流量或总量的显示 信号或输出信号的仪表。流量测量的对象是多样化的，可以是气体、液体，也 可以是混合流体，流体的温度、压力有较大的差异，要求的测量精度也不相同， 因此，需要根据流体的种类与流动状态去研究相应的流体测量方法，而流量计 就是用来测量流量的一个计量工具。 流量计量开始于水流量的测量，最早记载是在1 8 世纪3 0 年代【2 1 ，瑞士人 丹尼尔第一伯努利以伯努利方程为基础测量水流量。此后，流量测量开启了历 史篇章。1 7 9 1 年，意大利人文丘里用文丘里管测量流量并于同年发表了研究结 果；1 8 8 6 年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。到了2 0 世 纪初期到中期，人们又开始探索其他测量原理的流量计。1 9 1 0 年，美国开始研 制测量明沟中水流量的槽式流量计。1 9 2 2 年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕 歇尔水槽。1 9 1 1 1 9 1 2 年，美籍匈牙利人卡门提出卡门祸街的新理论。3 0 年代， 浙江大学硕上学位论文绪论 出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，直到1 9 5 5 年才有应用声循环 法的马克森流量计，用于测量航空燃料的流量。1 9 4 5 年，科林用交变磁场成功 地测量了血液流动的情况。 二十世纪6 0 年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展1 3 1 。具 有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在7 0 年代问世。随着 集成电路技术的迅速发展，具有锁相环路技术的超声波流量计也得到了普遍应 用。随着计算机的广泛应用与发展，流量测量开始结合微型计算机，激光多普 勒流速计可处理较为复杂的信号。近3 0 年来，流量计种类逐渐广泛了起来，一先 后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、 电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。随着工业生产的自动化、管 道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。 目前国外投入使用的流量计有1 0 0 多种，国内定型投产的也有近5 0 种。我 国研制流量测量技术工作比较晚，直到2 0 世纪3 0 年代，我国才开始自行研制 家用水表，5 0 年代后，研制出了文丘里管流量计，6 0 年代开始生产涡轮、电磁 流量计。直到现在，我国已经有相当规模的人从事流量测量技术与仪器仪表的 研究开发与生产，而市场的需要逐渐庞大，许多流量计还不能满足国内市场的 技术水平。一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计 逐渐产生，超声波流量计的研究与开始处于起步阶段，但与国际先进水平尚有 着较大的差距。我国的流量仪表工业还处于很严峻的时期，需要广大的专业人 事去研究与开发。 本论文希望能结合流体力学专业知识研制一种新型的经济型插入式流量 计，专业应用于流体管网水系统的流量测量。 1 1 2 流量计的工程分类 流量计广泛应用于能源计量，如水、气等含能工质。由于每种流量计都无 法满足所有的测量要求，各种流量计优、缺点，用途各异。我们总想找到一种 理想的流量计以解决遇到的流量计量问题，流量计制造厂都力图制造出一种理 想流量计以适应更广泛的需要。 流量计的主要技术指标如下【4 】： 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 、检测件无阻碍物； 2 、检测件可夹装在管道外部，可随意移动在任何地点测量而无须截断管 道与流体； 3 、仪器仪表的流量计算方程简单明确，可外推到未知领域而无须实流校 验； 4 、频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传抗干扰及与计算机联网； 5 、仪表输出信号不受流体流动特性的影响； 6 、仪表复现性高； 7 、仪表范围度宽，线性好； 8 、仪表可靠性高，价格适宜，维修技术不复杂； 9 、无须个别实流校验，或只须“干校”，或在一、二种介质中校验可推广 到各种介质。 为研究出更符合上述指标的流量计，制造商不断在开发新型的流量计。迄 今为止，可供工业用的流量仪表种类达数十种之多。但新型流量测量原理的研 究开发方兴未艾，传统原理的流量装置和新型仪表在微电子技术、计算机技术 和通讯网络技术的融合下不断推陈出新。尽管有不断的新型流量计推出，每一 种流量计都存在一定的适用性和局限性，始终不可能找到一种可以测量任何一 种流体，任何一种流动状态和任何一种量程的流量计。 流量仪表的种类繁多，分类方法也很多。按流量测量对象划分有管道和明渠 两大类；按流量测量目的又可分为总量测量和分量测量；按流量测量原理分有 力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。 流量测量方法和仪表的种类繁多，可供工业用的流量仪表种类达6 0 种之 多。 目前来说，根据流量计的原理来分，最流行的分类方法如下【5 1 ： 3 浙江大学硕十学位论文绪论 表1 1 流量计分类及特点 分类原理主要优点局限性应用范围 差压根据安装在管道 结构简单、压力损失应用范围最 式流中的节流件产生成本低，重大、安装时广泛，使用 量计的压差和管道的复性好，标需要较长的历史最悠 几何尺寸来计算准化程度直管段，量久。可用于 流量。高。程范围窄全部单相流 ( 一般在体部分混相 3 ：1 4 ：1 ) ， 流，如气固、 精度属于中气液、液固 等水平。等亦可应 用。 浮子根据浮子在垂直 无直管段要一般只能垂常作为直观 流量锥形管上下移动求，量程范直安装，易流动指示或 计 时所对应的不同围可达1 0 ：损坏，要求测量精确度 的通流面积来显1 ，可用于低 介质清洁，要求不高的 示流量大小。雷诺数，结精度较低。现场指示仪 构简单、廉表。 价。 容积利用机械测量元精度高，无结构复杂体只适用于清 式流件把流体连续不安装管道要积庞大，不洁单相流， 量计断地分割成单个求，可用于便于维修，常用来计量 已知的体积部分，高粘性流成本高，对 昂贵介质的 根据该体积部分体，量程范介质种类和总量或流 的次数来测量流围宽。口径有要量。 体体积总量。求，有噪声。 4 浙江大学硕上学位论文绪论 表1 1 流量计分类及特点( 续) 分类 原理 主要优点局限性应用范围 涡轮采甩多叶肯的转精度高，范需经常校常用作液化 流量 子( 涡轮) 感受流 围宽，重复验，不能用 石油气、成 计 体平均流速，从而性好，结构于高粘度流品油和轻质 推导出流量或总 紧凑，安装体，需较长原油等的贸 量。方便，流通直管段，测易结算。 能力大。量受流体物 理特性影 响。 电磁根据法拉弟电磁非接触式测只能用于导大口径仪表 流量感应定律，即导体量，无压损，电介质，不较多应用于 计在磁场中切割磁 可用于污能测量气给排水工 力线运动时在其物、腐蚀性体、蒸汽和程；中小口 两端产生感应电介质测量。含有较大气径常用于高 动势制成的一种泡的液体， 要求或难测 测量导电性液体价格昂贵。量场合。 的仪表。 涡街通过检测非流线精度中上，不适用于低用于大管径 流量型旋涡发生体两无可动件结雷诺数。中、高速场 计侧产生的旋涡的构牢固，量合。 频率来计算流体程比可达 流量。 1 0 ：1 。 超声通过检测流体流 非接触式测价格昂贵，多用于高精 波流 动对超声束( 或超 量，无压损，对流场有要度或者难于 量计 声脉冲) 的作用 可测量非导求。测量场合。 以测量流量。电介质，精 度高。 本论文所研究的插入式流量计，是基于安装方式而分类的。 5 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 3 流量测量的应用 计量是一项古老而又新兴的事业，它随着社会生产和科学技术的发展而发 展，同时它在一定意义上也标志着一个国家现代化水平的高低。随着社会的不 断发展，计量越来越被人们所认识、所利用，特别是现代化社会它已远远超过 了度量衡的范围。完善的计量检测手段和计量管理，可以有效配置资源，使资 源合理应用。从而避免了资源浪费，降低了原材料和能源的消耗，提高了企业 的经济效益。 流量计量是计量中比较重要的一种，在工业企业生产中起着基础性作用。当 我们充分享受科学技术带给我们的欢乐时，应该注意过家里电表、水表、煤气 表，这一套完整的基准、标准体系保证了电表、水表、煤气表，以及正在推行 的热量表正常运作。 流量计量f 6 1 n 时也是西气东输当好“管家”，南水北调的“眼镜”。全长约4 0 0 0 公里，成为我国第一条大口径、长距离、高压力、多级加压、采用先进钢材并 横跨长江下游宽阔江面的现代化、世界级的天然气干线管道。“西气东输”工程 将作为我国进入新世纪后的第一个重大建设项目而载入史册，而它的设计、施 工以及将来通气时各环节的贸易结算都离不开流量计量，流量计量的准确度对 于t 西气东输，工程有着相当的重要度。用于天然气干线贸易结算的流量计【7 】： 差压式流量计、涡轮流量计、超声波流量计和涡街流量计，它们的测量误差一 般在0 5 至2 之间，而民用天然气表多为皮膜式家用煤气表，测量误差在1 5 至3 之间。从某种意义上说，准确的流量计量，直接关系到“西气东输”工程的 建设与成功。同样的，“南水北调”工程是解决我国北方水资源严重短缺问题的 特大型基础设施项目，这一项目的设计、施工，以及通水时各环节的贸易结算 也都离不开流量计量。 当然，流量计量所涉及的领域远远不止天然气和水，它似乎遍及了人民生 活和社会的各个角落。环保中的大气采样，医疗卫生方面的氧气流量，航空航 天系统的燃油流量供给，石化部门的各种液体流量测量等等，都有涉及。随着 现代化的建设进程与能源危机的产生，流量计量工作任重而道远。 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 2 插入式流量计概述 1 2 1 插入式流量计的应用背景 随着现代化进程的日益加快，工业上所用的管道口径在逐渐增大，采用先 前的节流式装置不仅存在压损过大这一缺点，同时结构也过于庞大。目前所流 行的超声波流量计崭露头角，可是价格过于昂贵。 近几十年来，插入式流量计因为压损小、价格低廉、结构简单、安装维护 简便受到了人们的欢迎。 基于这样的工业背景，插入式流量计的研究有着现实的意义。 1 2 2 插入式流量计的测量原理 插入式流量计【8 】是以插入形式安装的流量仪表来命名，典型的点流速计型 插入式流量计由测量头、插入杆、插入机构、转换器和仪表壳体( 测量管道) 所组成。目前已被推广的插入式流量计可以分为点流速计型和径流速计型，本 文研究的点流速型插入式流量计是基于只测管道中一点的流速的原理，根据 吼= v a 推算出流量。 _ = 1 - - _ - j 。， ，7 图1 1 充分发展管道流速分布图 图1 1 所示管道中的流量q 等于管道截面积a 乘以通过此截面的轴向流速 v ，即吼，a v 但由于管道上游的各种阻力件的影响，流速分布十分复杂，不 仅不是常数，还有径向分速、漩涡及二次流( 图1 2 ) 。但在实际流体的黏性作用 下，通过3 0 5 0 倍管径长度的直管段后，流速分布往往趋于一种较为固定的形 式，这种流动称为充分发展紊流区。 工程界约定将这种流动作为流量测量的标准流动( 图1 3 ) 。 7 浙江大学颐学位论立 图1 2 上游为弯头的管道流速分建分布 图1 3 充分发展管道流速分布 以上圈中： v 一在测量点的流速： v 一管道中一心的最大流速 r - - 管道半径： 123 插入式流量计的研究进展 插入式流量计是以安装形式来命名的，是一种流量装置插入管道内部的流 浙江大学硕士学位论文绪论 量计，通过测量管道中一点( 或几点) 的流速来推算整个管道的流量，适用于 大口径管道的测量。它以结构简单、安装维护简便、压损小、价格低廉等优点 受到人们的关注，但也存在测量精确度低这一缺点。将c f d 技术应用到工程计 算，利用实验方法进行研究，实验研究的内容可分为基础性和应用性两种。基 础性研究的对象是流动的基本现象和规律，如边界层、湍流结构、旋涡、分离 流动、尾迹等等。应用性研究主要为工程设计提供有关布局技术和流体动力数 据。实验流体力学的基本理论是流动相似理论，它指明应如何在实验室条件下 模拟或预演某种实际流动。实验室模拟的主要设备是风洞、水洞、水槽等。为 了提高实验的准确性和精度，实验流体力学还包括以下内容【明：研制更能模拟 实际流动( 如高温、高雷诺数) 的实验设备；提高测试仪器的精度，促使其小 型化和自动化；改进实验技术，如流动显示技术；研究未能完全满足相似准则 时的数据修正方法，如洞壁干扰、支架干扰、雷诺数不足的修正等。计算机在 流体力学实验中的使用，显著提高了实验的效率、精度和自动化。 本论文的流量计采用c f d 技术和实验模拟结合进行研究。 目前插入式流量计发展起来的主要有【1 0 】：涡街、涡轮、电磁、皮托管等流 量计。 1 、涡街流量计 涡街流量计是利用流体振动原理的一种新型流量计，应用在石油、化工、 冶金、造纸等行业，测量管道中液体、气体流量的仪表。该流量计无可动部件， 可靠性强、精度高、寿命长，可在很宽的流量范围内精确测量液体的瞬时流量 和累计流量。其不受介质温度、压力、粘度及成分的影响，同时不堵、不卡、 不易结垢、耐高温、高压，安全防爆，适用于恶劣环境。流量计分一体化显示 和远传显示，并可输出脉冲信号或电流信号与微机联网。 2 、涡轮流量计 涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。被测流体冲击涡 轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转 速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放 大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计 脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。 9 浙江大学硕士学位论文 绪论 3 、电磁流量计 根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体 的两端即产生感生电势e ，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强 度b ，导体在磁场内的长度l 及导体的运动速度u 成正比，如果b ，l ，u 三 者互相垂直，则e = b l u( 1 1 ) 与此相仿在磁感应强度为b 的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径 为d 的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u 流动时，导电流体就切割磁 力线如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，可以证明，只 要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势- e = b d “ 式中： 一 “( m s ) 为管道截面上的平均流速由此可得管道的体积流量为： ；w d 2 一刀de 吼2 了加了i ( 1 2 ) ( 1 3 ) 体积流量吼与感应电动势e 和测量管内径d 成线性关系，与磁场的磁感 应强度b 成反比，与其它物理参数无关。 4 、皮托管 通过测量压力来测量流速，操作时将测速管放在管内任意位置，使内管管 口与流动方向垂直，测得该位置上的动压与静压能之差，以卸= r g p a 。 一般将测速管放在管中心，测得的是管中心的最大速度。速度计算公式： v ；2 卸pv 。一种经典的、较为准确的流速计，但易堵塞，输出压差小，很 少用于工业现场。 本文研究的插入式流量计基于差压式原理，根据探头模型的改变，采用c f d 数值分析与实验研究相结合的方法，试图开发出具有更低的绕流压力损失，更 高的测量范围度，较小的来流流场影响( 较高的速度测量精度) 的流量计。 试验结果表明，该经济型流量计有较大的工程应用价值。 1 0 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 论文研究的目标 本文是针对普通差压式流量计压力损失大、量程比窄的这一问题，希望能 设计出一种新型的流量计，结合插入式的安装方式与差压式原理来分析。 论文的新型流量计研究目标： 1 、压力损失低、扰动影响小； 2 、量程范围宽； 3 、经济实用； 4 、结构简单，便于加工和安装； 5 、尽可能提高精确度。 1 4 论文的研究内容与研究方法 1 、模型初选 基于以上目的，先初步尝试几种模型，能充分考虑在一定压差内减小压损。 2 、数值模拟 采用结构化与非结构化网格相结合的网格局部加密方法对计算域模型进行 网格划分。网格根据饶流区与非饶流区不一样划分，在绕流区生成非结构化贴 体网格，并相对加密。在计算模型中根据流场的复杂情况分段划分结构化网格， 并采用非结构化网格进行过渡。选用适当的三维数值模拟。 3 、实验研究 根据数值模拟的结果，可选取几个模拟进行实验研究，实验时尽可能做到 与真实情况相符，尽量能测量到比较大的流量范围。 4 、数据分析 将数值模拟与实验结果进行对比分析，在数值模拟与实验研究结合下进行 模型选取与研究。 1 5 论文研究的主要创新点 1 、创新设计了四种流量计算模型，利用c f d 技术对其进行了三维湍流流动 的数值模拟； 1 1 浙江大学硕士学位论文绪论 2 、搭建了高精度管网水系统实验台，对四种模型分别进行了实际工程水流 的实验研究； 3 、数值模拟与实验研究的数据进行对比研究，分析了误差，并进行了试验 装置的重标定； 4 、新一代经济型插入式流量计装置经过标定后可直接用于工程实际的水流 量测量。 浙江大学硕上学位论文插入式流量计的数值分析 2 插入式流量计的数值分析 2 1c f d 的工程应用 2 1 ic f d 发展概况 c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) ，是流体力学理论研究的一个分支，c f d 技术【1 1 l 就是将c f d 应用到流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值 预测及工程应用。从2 0 世纪6 0 年代开始，c f d 技术随着计算机技术及数值计 算方法的发展而发展，由起初的起始阶段走向工业应用阶段，8 0 年代中期进入 了快速发展阶段。 初始阶段主要研究的是计算流体力学中的理论问题，如模型方程、数值方 法、网格划分及数值方法与实验结果的对比研究。这个阶段的显著成果是 p a t a n k a r 和s p a l d i n g 于1 9 6 7 年发表的描述外部绕流问题的抛物线型偏微分方程 的p s 方法，1 9 7 5 年推出的解决内流问题的s i m p l e 算法 1 2 】，t h o m p s o n ， t h a m s 和m a s t i n 提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体 系，逐渐在c f d 中形成了专门的研究领域：“网格形成技术”。 2 0 世纪7 0 年代中期，c f d 技术进入了工程应用阶段，该阶段主要研究c f d 在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用，c f d 技术开始向 各种以流动为基础的工程问题方向发展【1 3 1 ，如气固、液固多相流、非牛顿流、 化学反应流、煤粉燃烧等。主要成果有s p a l d i n g 等开发的用于预测二维边界层 内的迁移现象的g e n m i x 程序。我国在8 0 年代初逐渐热衷于国外交流的发展， 科z 学院、部分高校对c f d 的研究。 8 0 年代中期后期，c f d 在工程中的设计应用得到了一定的成绩，在学术界 也得到了认可。s p a l d i n g 领导的c h a m 公司在发达国家的工业界进行了大量的 推广工作，p a t a n k a r 在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训来推广 应用c f d ，工业界也慢慢产生了一些兴趣并在逐渐应用到实际工程中。 浙江人学硕士学位论文插入式流量计的数值分析 2 1 2c f d 计算过程 c f d 计算【1 4 】是指利用数值方法通过计算机求解并描述流体运动的方法，揭 示研究流体运动的物理规律，研究流体运动及基于流体运动的物理现象。计算 流体力学主要组成有：流体力学、计算数学、分析工具，以此展开一些常用的 流体力学数值计算方法的基本步骤1 1 5 】： 1 、准备工作和前处理 主要是指计算时空的离散，将一个连续的时间及空间域离散成相应的时间 步长及空间网格，从而将一个连续的物理规律用一系列离散点上相应物理量的 时空变化来近似。包括问题描述，确定模型范围，设计和生成网格。 2 、计算求解 通过相应的方法将流体流动及与其相关的方程进行近似离散，得到近似的 代数方程组并应用相应方法求解。包括确定数学模型与计算求解。对离散化守 恒方程进行迭代求解，在计算变量时从一次迭代都下一次迭代的比还可以忽略 时，残值提供了一个可以帮助监视这一趋势的便利，达到收敛的条件。一个收 敛计算的准确度取决于物理模型建立的适应性和准确性、网格质量、问题的难 易程度。 3 、后处理 在计算结果分析的基础上，检查结果，分析解决方案的可靠性，提取有用 的数据，分析结果后，修正模型参数。检查内容为物理模型是否合适，流动是 否湍流、流动是否非稳态、是否可压流，边界条件是否正确，计算区域是否足 够大等等。 2 2r n g k e 湍流模型及s i m p l e 方法 2 2 1 湍流模型及其选择 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。湍流流动是工 程技术领域与自然界中最常见的流动现象。本文中所涉及的湍流模型【1 6 】，是以 雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系 列模型假设，从而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流模式的研 1 4 浙江大学硕士学位论文 插入式流量计的数值分析 究对于工程应用有着重大的意义。 模型理论的思想【1 7 1 可以追溯到1 0 0 多年前，早期的方法是模拟粘性流体应 力张量与变形率张量关联表达式，将脉动特征速度与平均运动场中速度联系起 来，十九世纪后期，b o u s s i n e s q 提出用涡粘性系数的方法来模拟湍流流动，通 过涡粘度将雷诺应力和平均流场联系起来。二战前，发展了一系列半经验理论， 包括p r a n d t l 混合长理论，t a y l o r 涡量转移理论和v o nk a r m a n 相似性理论，其 基本思想都建立于雷诺应力的模型假设上，因为只考虑了平均运动方程的一阶 湍流统计量的动力学方程，属于一阶封闭模式或零方程模型【1 8 】。1 9 4 0 年，我国 流体力学专家周培源教授在世界上首次推出了一般湍流的雷诺应力输运微分方 程；1 9 5 1 年在西德的r o t t a 又发展了周培源先生的工作，提出了完整的雷诺应 力模型。7 0 年代后期，由于计算机技术的迅猛发展，湍流模型的研究得到迅速 发展。进入2 1 世纪以后，出现了一些复杂的工业流动，如大曲率绕流、旋转流 动、透平叶栅动静叶互相干扰等，构成了这一时期的湍流研究。 目前应用较多的模型有以下几种【1 9 】： 1 s p a l a r t a l l m a r a s 单方程模型 单方程模型计算量比较小，它是一种刚刚发展起来的湍流模型，主要针对 于航空流体机械的数值模拟，对于其他复杂流动的计算还没有经过验证。 2 k 一模型 k 一湍流模型能够比较准确地模拟各种复杂流动，而且计算量也在工程 可以接受的范围；标准k e 模型解决一般的流动问题，r n gk 一模型主要应 用于旋转坐标系下的流动问题( 旋转机械) ，r e a l i z a b l ek e 模型主要用于射流、 大分离、回流等问题。 3 k t o 模型 标准k 模型是基于w i l c o x k 一模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和 剪切流传播而修改的。w i l c o xk 模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、 混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚流动 和自由剪切流动。 4 、雷诺应力模型( r s m ) 和大涡模拟模型( l e s ) 2 0 l 这两个模型主要应用于湍流运动的机理研究中，由于计算量非常大，因此目 1 5 浙江大学硕士学位论文插入式流量计的数值分析 前还很少用于有复杂几何形状的工程问题中。 由于流体湍流运动机理的复杂性，目前没有一种模型能适用于各种流动情 况，工程上通常选用应用比较广泛的r n g k 一湍流模型，该模型由y a k h o t 和 o r s z a g 根据量子物理中的能谱分析及统计学中的相关分析，应用重整化群 ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p - - r n g ) 理论提出【2 1 1 ，从本质上摆脱了传统湍流模式理论 过多地依赖于经验的束缚，将雷诺应力( r e y n o l d ss t r e s s ) 项和耗散生成项系数扩 展，引入特征参数r = s 冬导出了一个新的k 一占湍流模式，简称r n g k f 模式。 r n g k 一1 2 2 j 模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，广泛应 用于工程。 2 2 2s i m p l e 算法 s i m p l e 算法产生于1 9 7 2 年，其核心思想是【2 3 】“猜测修正”过程。自问 世以来，在计算流体力学领域得到了广泛的应用，这种算法也经过了一系列的 改进方案。 s i m p l e 算法是对于给定的压力场( 可以是假定值或是上一次迭代计算的 结果) 求解离散形式的动量方程，从而得出速度场。因为压力场的给定是不精 确的，所得到的速度场不能满足连续方程，因此需要对压力场进行修正，通过 修正后的压力场求得新的速度场，检查速度场是否收敛，否则用修正的压力值 作为给定的压力场，如此迭代计算直到收敛。 s i p p l e 算法的假设条件 1 、基本假设，是指速度场的假定与压力场的假定各自独立进行，二者无任 何联系。对于假定压力场的修正通过已求解的速度场的质量守恒条件得到。中 间速度通过求解当前压力得到，如果求解速度不能满足质量守恒条件，对压力 添加一个修正量修正，速度场也随之得以修正。 2 、第二假设，是指在速度修正时，忽略不同位置的速度修正量之间的影响。 3 、基本假设的改进：“初始速度场与初始压力场独自假定”于1 9 8 0 年在 s i m p l e 算法中成功解决。“忽略临近网格点压力修正量对主节点速度修正的影 响”一这是一个不影响最终结果，但是影响收敛速率的假设。自从1 9 7 6 年以来， 学者们相继提出了很多改进建议，但是截至2 0 0 4 年，任然没有任何一种方法完 1 6 浙江大学硕士学位论文插入式流量计的数值分析 全解决这个假设的缺陷。 传统s i m p l e 算法计算步骤如下【2 4 1 ： 1 、假定一个速度分布，记为u o ， ，o ，以此计算动量离散方程中的系数及常 数项； 2 、假定一个压力场p + ； 3 、依次求解两个动量方程，得u + ， ，； 4 、求解压力修正值方程，得p ； 5 、根据p 改进速度值； 6 、利用改进后得速度场求解那些通过源项物性等与速度场耦合得变量， 如果妒并不影响流场，则应在速度场收敛后再求解； 7 、利用改进后得速度场重新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压力 场作为下一层迭代计算的初值，重复上述步骤，直至收敛。 2 3 插入式流量计模型的装置设计 本论文所设计的插入式流量计基于差压式原理，在封闭的管流系统中同轴 安装绕流体，根据安装于管道中流量检测件产生的压差，在已知的流体条件和 检测件于管道的几何尺寸情况下推算出流量。 选取绕流体形状，拟定安装在d n 8 0 的被测管中。我们试图通过设计较小的 绕流体通径从而获得较小的压力损失，但同时又能获得较大的压差，便于实际 测量，在设计时，绕流体后部形成一个负压区。 流线型绕流体的初始尺寸模型与流体流动方向如图2 1 所示： 但磊 图2 1 钝体模型流量传感器示意图 1 7 浙江大学硕士学位论文插入式流量计的数值分析 如同一般的差压式流量计，该插入式流量计流量传感器流量计计算公式为： a v ；c e | 墨7 啼酽d 22 痧1 p ) 1 4 式中：q 0 为流体的体积流量( 工况下流体的体积流量) ； 占为被测介质的可膨胀系数( 对于不可压缩流体，f = 1 ) ； 卸为上下游压力差( p a ) ； p 为工作状态下，绕流体上游处流体的密度( k g m 3 ) ； c 为流出系数，是一个统计量，在计算时，往往由于设计、制造、安装及 使用等因素造成实际值与测量值的偏离。因此，在具体实验测量时要严格按照 标准的规定进行测量【2 5 1 。 p 为等效直径比，无量纲； 一 对于该绕流体来说，其值为： 卢；( 刀d 2 4 一万d 2 4 ) 万d 21 4 一丽 式中： d 为工况下测量管的内径( m ) ； d 为绕流体最大的横截面的直径( m ) ； 该流量传感器流出系数计算公式为： c = a y 4 ( p 2 扛7 ) d 2 厮= 岛一。g c 式中：g s 为标准流量，即来自速度入口条件的设荧 g c 为数值模拟计算流量。 2 4 钝体模型的数值分析 2 4 1 钝体模型的数值研究 对初选的钝体模型进行管径8 0 m m ，流速为0 2 、0 5 、1 、1 5 、2 、2 5 、3 、 3 5 、4 m s 等工况的c f d 计算结果，寻找速度与压差的关系。设定的条件如下： 湍流模式选择：r n g1 c e 湍流模型。 1 8 浙江人学砸l 学位论立 捅 式漉量计的数值分析 计算方式：s i m p l e 一阶迎风方式。 计算流动区域：绕流体模型前5 d 至其后1 0 d 的流动区域【“】。 边界条件：采用速度入口和充分发展的出口边界条件。 收敛判据：连续性方程、x 速度、y 速度z 速度、k 及的残差均低于0 0 0 1 。 钝体模型在各个流速下轴截面的速度分布如下： 图2 2 钝体模型在0 2 m s 情况下轴截面速度舟布 图2 3 钝体模型在05 m s 情况下轴截面速度分布 图2 4 钝体模型在l m s 情况下轴截面速度分布 衙大学碗十学位论女捕 式流量h 的缸值分析 图2 5 钝体模型在1 5 m s 情况下轴截面速度分布 图2 6 钝体模型在2 m s 情) 兄下轴截面速度分布 图2 7 钝体模型在2 5 m s 情况下轴截面速度分布 田2 8 钝体模型在3 m s 情况下轴截面速度分布 浙江人学硕学位论空 插 式流量计的数值分析 田2 9 钝体模型在35 m s 情况下轴截面速度分布 圈2 l o t 俸搓型在4 m s 情况f 轴截面速度丹布 钝体模型在l m s 速度和两个取压点处横截面的压力云图 x 图21 】钝体模型在】m s 情况下轴截面速度分布 量 一( 一一 插 止流量计的数值 析 墓0 5 薹幽 图213 钝体模型后端取压点处横截面压力云田 2 42 钝体模型的计算结果 在1 “s 流速时，负压区相对压力比较小，与前端形成比较理想的压差，并 且在两个取压点处的压力分布均匀，壁面压力与截面平均压力值基本一致。随 着流速的增加，可以看到压差增大，我们分别计算出取压点处的截面平均压力 和取压点压力的大小，数据如下表2l 浙江大学硕士学位论文插入式流量计的数值分析 表2 1 钝体模型数值计算数据 速度v雷诺数p 1 处压力p 2 处压力前后两端压差 ( m s ) r e( p a )( p a )( p a ) o 21 6 0 0 0 o5 07 5 58 0 5 0 54 0 0 0 0 02 2 63 3 9 93 6 2 5 1 0 8 0 0 0 0 06 4 81 0 3 8 6 1 1 0 3 4 1 51 2 0 0 0 0 01 2 4 02 1 3 1 02 2 5 5 0 2 01 6 0 0 0 0 02 0 8 03 6 6 9 83 8 7 7 9 2 52 0