差压式弯管流量计水流特性的数值模拟与分析

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弯管流量计属于差压式流量计的-种，既继承了差压式流量计结构简单、性能稳定、安装方便、测量精确的优点，又克服了差压式流量计压力损失大、容易堵塞、维护困难等缺点，耐高温高压，可在潮湿、粉尘、振动等各种恶劣的环境中正常工作，因此被广泛应用于石油、化工、电力、冶金、钢铁等行业的液体、气体和蒸汽的流量测量 。

图 1为弯管流量计应用示意图21。当流体沿弯曲管道作曲线运动时，在弯管内外两侧壁产生压力差，此压力差与通过弯管的流量有-定的相关关系，推求出这种相关关系，就可由压差很方便地得出流量。

图1 差压式弯管流量计测试示意图1 弯管内流量与压差的关系分析为了分析弯管流量与压差的关系，我们在弯管处取图2所示单元体，厚度为 ，截面积dA2xdy，质 dm2pxdldyo收稿 日期 ：2O1 3-O6-O6作者简介：邝卫华 1976-，男，副教授，博士，主要研究方向为材料加工、CAD/CAM。

200lj 毫、- ≥ x， 、7设作用在此体积元的压差为 ，流速为 ，则由牛顿第二定律FmV/ro得：F2xdldpdm / -/ 1故 dppv2 R ， 因 为 R， 所 以譬 ，积分后得：J式中，App。-D2流体的体积流量为Q靥 / ㈤式中0为流量 mVs；R为弯曲半径 m；D为弯管内直径 m；△p为弯管内外侧压力差 Pa。

若考虑水头损失及离心力等因素的影响，上述公式修正为n靥 ㈩式中，c cJ面R，c为流量系数。

公式 4显示了弯管流量与压差的关系，实际应用中，流量系数可以通过实验测定。流量系数跟流体流动状态有关，为了深入研究管道内部流场的分布规律，本文拟采用Fluent软件对测量管道进行三维水流特性研究。

《自动化与仪器仪表2013年第 期总第 169期2 Fluent数值模型及参数设置先用UG软件对流量计进行三维建模，弯管几何几寸如图3所示，直径 D取 150mm，弯管半径R取600mm～弯管内表面导入 Gambit软件 ，并采用六面体网格单元进行网格划分。

直管段按尺寸均匀划分网格，问隔尺寸为 10mm。弯管内外侧按照相同数量划分网格，间隔数量为200，在保证加密网格的同时 ，保证 网格与弯管 的边正 交。总共有 100688个单元 ，106947个节点。

图3 弯管几何尺寸图Fluent流体介质选择液态水，模拟边界条件类型采用速度入 口方式，其流量取4m/s，出口为 自由出流 。弯管内侧为固壁。湍流模型选择RNG k-e模型。

3 弯管流量计水力特性研究3.1 压强分布图4显示了X0中心截面管道内部各处压强分布规律。模拟结果与文献1中的数据非常吻合，可间接验证本文数值模拟的正确性。

由图4可以看出，整个直管段压强呈对称分布，仅在与弯管相交区域出现局部不对称现象，说明此处流场已受弯管半径的影响。

弯管段径向压强由内壁到外壁呈逐步增大的趋势，这主要是由于水流经过弯管段时，受离心力的影响将对弯管外壁施加正向挤压力，而对内壁施加负的牵引力，从而使得压力分布不均，内壁压强小，外壁压强大。

图4 X0截面管道内部压强分布图3.2 流速 分布图5为管道内部流速分布图，由图可以看出，入口直管段流速分布比较均匀；进入弯管后，受离心力影响，弯管外侧管壁对流体施加正向挤压力使得内侧流速加速，最大值达4.49m/S；出口直管段，外侧流速较大 ，而 内侧流速相应较小，但随着出口直管段长度的增加，弯管半径对流场的影响逐步减弱，流场分布也逐步恢复到均匀对称形态。

图5 X0截面管道内部速度分布图图6显示了弯管不同截面 中心轴线上各点的速度分布规律。由图可以看 出，0%45∝面流速比45%90∝面要大，且0%45。弯管内侧流速相应较大，而45-90∝面弯管外侧流速相应较大。

0 20 柏 6O 80 100 120 140 160捌内壁距离 Lm舶1图6 不同角度截面中心轴线上各点的速度分布图7为弯管不同角度截面流速的等值线分布图。由图可以看出，在022.5∝面，主流速度已经发生畸变，内侧速度较大，外侧速度较校随着流动的进-步发展，受离心力的影响弯管内侧等值线-直向外侧挤压，表现为弯管内侧流速开始减小，速度最大值逐渐向外侧偏移，且最大值等值线向弯管的顶端和底部发展。

图7 不同截面速度等值线分布图3.3 二次流分布图8显示了弯管各角度截面切 向速度矢量的分布规律。在022.5∝面，流体流场受弯管曲率半径的影响较小，因此切向速度较校随着流体在弯管内侧的积累，有部分流体开始从弯管内侧向外侧流动，045∝面出现二次流；随后二次流越下转第204页2D，帖 如 县 》 例麟上接第201页来越明显，且-直延续到弯管出口。正是由于二次流的存在，使得弯管水流呈图9所示的螺旋流动形态。

00 0意 i、 i001图8 不同角度截面切向速度矢量图图9 管道内部质点流线图3.4 最佳测流截面的探讨当水流进入弯管后，由于受离心力和管壁的作用，204向发生急剧变化，在弯管中会产生漩涡和二次流 。不同的弯管直径、弯曲半径，漩涡和二次流的位置、形态有所不同，从而引起测压截面压强差出现差异。在022.5∝面，弯管水流未充分发展，水流脉动大，不稳定，因此不宜用做测流断面；在045∝面，水流比较稳定，压差值较大，此处可作为大管径、大弯径比的测流截面；在067.5∝面，弯管水流发展 比较充分，水流流动比较稳定，适合于弯径比较孝管径较小的测流截面 。

4 结 论本文采用数值模拟的方法，研究了压差式流量计过流通道的水流特性，可以得出如下结论：弯管内压强、流场呈不对称形态分布，表现为：内侧压强小，外侧压强大；而流速分布则敲相反，内侧流速较大，外侧流速较小；受离心力影响弯管内侧速度等值线-直向外侧挤压；整个弯管段二次流现象明显，弯管水流呈螺旋流动形态：最佳测流截面的选择随着管径、弯曲半径的不同而有所差异。