摘要:　应用基于有限体积法的FLUENT6. 1流体力学计算软件对管道中方柱体的燃气绕流现象进行了仿真研究。对实现管道燃气流量计量的DN200mm新型宽量程流量计的流场进行了数值模拟,并就燃气计量管道中方柱旋涡发生体的旋涡脱落频率与实测数据进行了比较。结果表明,数值计算结果与实测结果具有很好的一致性,从而给出了在新型燃气流量计的研制中可以应用数值模拟方法来优化流量计结构设计的结论。

　　1　引　言

　　目前,在城市燃气计量中应用着基于各种测量原理的多种仪表。但是,经过分析和比较后发现:这些燃气流量测量仪表均存在着流量下限瓶颈问题,即在仪表流量下限以下流量不能实现准确计量或根本不能计量问题,城市燃气小流量漏计问题突出。

　　为了解决该问题,我们提出并设计研制了一种新型的城市燃气流量计,能够实现对城市燃气的宽量程计量。该流量计在燃气大流量段时应用流体振荡测量原理进行测量,即采用涡街流量计的测量原理完成大流量测量[1]。

　　本文从描述漩涡运动的经典流体力学基本方程出发,以计算流体力学软件FLUENT为平台对宽量程燃气流量计的方柱绕流流场进行数值模拟,并将模拟结果与实测数据比较,结果表明数值模拟结果与管道燃气实际流动状况具有很好的一致性。①

　　2　数值模拟模型

　　2.1　流体力学基本控制方程组

　　流体在宽量程流量计燃气管道中的流动为时变涡流。由于在数值模拟的流量范围内流体都在湍流状态,故需对湍流进行处理。现在工程计算中的湍流模型很多,选取不同湍流模型会直接影响计算结果。经过多次试算,本文数值模拟选择FLUENT中湍流运动的RNGk-ε方法对湍流进行处理。

　　RNG的基本思想是通过在任意空间尺度上的一系列连续的变换,对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率的描述。采用RNGk-ε湍流模型来模拟方柱绕流二维流场,将RNG方法用于雷诺平均N-S方程并引入湍能k及其耗散率ε,便可得到如下控制方程[2~4]:

　　连续方程:

　　方柱等钝体绕流的数学模型都是建立在质量守恒定律上的连续性方程、动量守恒定律上的运动方程和热力学第一定律上的本构方程基础上的,决定方程解的因素是边界条件的变化。

　　2.2　物理模型、初始条件及边界条件

　　本文将对管道燃气计量中所用的方柱单钝体燃气绕流进行数值模拟研究,其物理模型及求解区域放大如图1所示。

　　本例中为对比应用DN200宽量程燃气流量计,在模拟中设定方柱体迎风面的宽度为0. 05m,求解区域的宽度为0.20m,长度为0. 50m。将漩涡发生体放置在离右侧入口0.10m处的正中央。为了对离散后的流体力学方程组进行数值计算,需要给出定解条件,包括边界条件和初始条件。

　　(1)入口边界。

　　入口边界设定速度入口,给定流体流速,为与实测值对比,速度分别取为: 5. 3, 10. 5, 20. 2, 29. 8,39.1,50.6,65.7m/s等7个流速情况。

　　(2)出口边界。

　　出口边界条件设定为压力出口,压力出口的压力为一个大气压,即表压为零。

　　(3)壁面条件。

　　包括流体流动管壁和方柱体壁面的条件,对这两种壁面采用相同的处理方法。

　　(4)网格划分。

　　由于该问题的几何边界比较简单,使用GAM-BIT把求解区域按结构化矩形网格进行划分。

3　数值模拟结果

　　数值模拟中采用方柱钝体形式,网格划分如图1所示,网格采用结构化网格,入口边界设定速度入口,给定流体平均流速,限于文章篇幅,这里只给出入口平均流速39. 1m/s时管道方柱燃气绕流典型的一个漩涡脱落周期的动压等值线图和速度场等值线图。图2~图5分别表示了基于RNG方法的湍流模型能够捕获方柱体燃气绕流流场的不稳定和剧烈分离的特征,描述了不同燃气介质中一个完整的漩涡脱落过程。

　　4　数值模拟与实测结果比较

　　为与实测结果进行对比,数值模拟时流体介质同样分别采用人工煤气和天然气的物性参数。温度设定为实测温度(294.6K),压力为一个标准大气压(101 325 Pa)。

　　实测装置采用由哈尔滨工业大学投资建立的燃气流量宽量程计量标准装置。该装置于2004-08获得黑龙江省质量技术监督局授权,经过两年多的检定运行,并与国家原油大流量站(大庆)检定装置对比表明,该装置具有良好的稳定性、重复性,装置精度0.5级。

　　为与实测值对比,流体平均流速分别取: 5. 3,10.5,20.2,29. 8, 39. 1, 50. 6, 65. 7m/s等7个流速情况。

　　数值模拟与实测结果比较如图6所示。

　　5　结　论

　　本文从描述漩涡运动的经典流体力学基本方程出发,以计算流体力学软件FLUENT为平台对管道方柱燃气绕流计量流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实测数据进行了比较。结果表明数值模拟结果与管道燃气实际流动状况具有很好的一致性,计量流场中漩涡的脱离频率不依赖于介质的物性,在漩涡发生体尺寸一定的情况下,数值模拟和实测频率均正比于被测介质的流速。在新型燃气流量计的研制中可以应用数值模拟方法来指导和优化流量计的结构设计。

　　参考文献:

　　[1]　LI Chao-hu,i DAI Jing-min. A GasMass Flowmeterwith TwoMeasurement Limits [ J]. Measurement TechNIques ( S0543-1972), 2005, 48(5): 487-491.

　　[2]　王远成,吴文权.基于RNG k-ε湍流模型钝体绕流的数值模拟[J].上海理工大学学报, 2004, 26(6): 519-523.

　　[3]　YASUTAKA NAGANO, YOSHIHIRO ITAZU. RenormalizationGroup Theory forTurbulence:Assessmentof theYakhotOiszagSmith Theory[ J]. Fluid Dynamics Research(S0169-5983),　　1997, 20(6): 157-172.

　　[4]　彭杰纲,傅　新,陈　鹰.双钝体涡街流量计流体振动特性实验研究[J].机械工程学报, 2002, 26(8): 519-523.

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理