第２９卷，总第１６５期 ２０１１年１月，第１期 《节能技术》 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡ，ｒＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ Ｖｏ１．２９，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１６５ Ｊａｎ．２０１ １，Ｎｏ．１ 设计参数对Ｖ锥流量计性能影响的数值研究 臧雅生，陈保东。杜明俊，潘振，戚积功 抚顺１１３００１） （辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁摘要：建立了Ｖ锥流量计三维流动物理模型和数学模型。借助ＦＬＵＥＮＴ软件分别对不同等 效直径比、前锥角、后锥角的Ｖ锥流量计的流场分布进行数值计算。分析了不同雷诺数与流出系 数的关系。研究表明：前后锥角不变，等效直径比越大，流出系数越小。随着雷诺数的增大，流出系 数增值幅度减小并逐渐趋于某一常数。保持等效直径比不变，改变前后锥角，发现：前锥角对流出 系数的影响大于后锥角。且相同条件下，等效直径比相对越大，后锥角对流出系数的影响程度降 低。计算结果符合实际，为工程设计提供理论指导。 关键词：Ｖ锥流量计；等效直径比；ＦＬＵＥＮＴ；流出系数；数值模拟 中图分类号：ＴＨ８１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６３３９（２０１１）０１—００４９—０３ Ｔｈｅ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｖ—．ｃｏｎｅ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｏｎ Ｉｔｓ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＺＡＮＧ Ｙａ—ｓｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ Ｂａｎ—ｄｏｎｇ，ＤＵ Ｍｉｎｇ—ｊｕｎ，ＰＡＮ ｚｈｅｎ，Ｑ１ Ｊｉ—ｇｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ａｎｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｓｈｕｎ １ １ ３００ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ Ｏｆ Ｖ—ｃｏｎｅ ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ＇ｓ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ．Ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｆｏｒｅ—ａｎｄ—ａｆｔ ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ’Ｓ Ｖ —ｃｏｎｅ ｆｌｏｗｍｅｔｅｓ ｗａｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＬＵＥＮＴ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅ— ｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｆ ｔｈｅ ｆｏｒｅ—ａｎｄ～ａｆｔ ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ ｋｅｅｐｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｖａｌｕｅ，ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒａｔｉｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｎｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｖｅｒｇｅｓ ｔｏ ｓｏｍｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ．Ｋｅｅｐｉｎｇ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｉａｍｅ— ｔｅｒ ｒａｔｉｏ ｉｎｖａｒｉａｂｌｅ ａｎｄ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｅ—ａｎｄ—ａｆｔ ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ ｆｏｒｅ Ｖ—ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ’Ｓ ｉｎｆｕｅｎｃｅ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｆｔ Ｖ—ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ’Ｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ．Ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｎｆｏｌｆＴｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｖ—ｃｏｎｅ ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒａｔｉｏ；ＦＬＵＥＮＴ；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｆｉｃａｌ ｓｉｅ－ ｒｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期２０１０—０７—０７ 修订稿日期２０１０—１０—２８ 基金项目：２０１０年辽宁省高校重点实验室项目资助（ＬＳ２０１００９７）。 ０ 引言 流量计作为能源计量的重要组成部分，广泛应 用于石油、天然气、冶金、电力等领域。随着节能降 ・作者简介：臧雅生（１９８４一），男，在读硕士，主要从事Ｖ锥流量 计的优化设计研究。 ４９・ 耗新技术的开发和利用，如何有效的实现节约能源 已成为各大企业非常关注的问题。伴随着成品油管 道与天然气管道的不断发展，流量计的节能技术已 成为目前国内外学者研究的一个热点问题¨Ｊ。与 孔板流量计相比，Ｖ锥流量计具有精度高、压损小、 能耗低、重复性好、量程比宽、稳定性强等优点成为 今后极具发展的流体计量仪器＿２ Ｊ。Ｖ锥流量计的 流场分布是基于钝体绕流这一复杂流动现象形成 的，受结构参数影响较大，因此研究Ｖ锥流量计内 部流场特性对改善计量性能具有重要意义 。目 前研究的手段主要有经典流体力学、实验流体力学 和计算流体力学三种，而这三种手段各有长处和缺 点。随着计算机的不断发展，计算流体动力学已经 成为研究复杂流动换热问题不可缺少的重要工具。 本文借助大型流体动力学软件ＦＬＵＥＮＴ软件，对Ｖ 锥流量计的三维流场进行仿真计算。得到了不同雷 诺数与流出系数的关系，并对设计参数进行数值分 析，可为工程实际应用提供理论基础。 ｌ 模型的建立１．１物理模型 建立了长０．５ １１１，内径Ｄ＝０．０５ ｉｎ的管道模型， 设计了等效直径比为０．４５、０．６５、０．８５，前锥角分别 为４５。、５０。，后锥角分别为１２０。、１３０。、１４０。，共１８种 计算模型。采用四面体网格对计算模型进行单元划 分。图１为等效直径比０．８５，前锥角４５。，后锥角 １２０。时的Ｖ锥流量计三维计算网格局部放大图。 图１ 计算网格局部放大图 １．２数学模型 这里选用的流体介质为柴油，可看做不可压缩 流体。入口为速度边界，出口为自由出流。通过计 算流体雷诺数，保持流态处于湍流区域。任何流体 的流动均满足质量守恒定律和动量守恒定律，湍流 模型采用ＲＮＧｋ一 方程，ＲＮＧｋ— 与标准的ｋ一 方程相比，主要区别在于通过修正湍动粘度 ，考 虑了平均流动中的旋转及旋流流动，并在 方程中 添加了主流时均应变率 从而可以更好的处理高 应变率及流线弯曲程度较大的流动。Ｖ锥流量计三 维流动数学模型如下。 质量守恒方程 ・５０・ ——＋——＋——＝ Ｏｘ ＋ ３ｙ ＋ Ｏｚ ：０ （。【 ）１） 动量守恒方程 ＋ｄｉＶ（ ）一塑Ｏｘ＋ｆｌｉＶ（ “） （２） ＋ｄｉｖ（ “）一 ＋ｄｉｖ（１￣ｇｒａｄｖ）¨ｖ（３） ＋ｄｉｖ（ ）一警＋ｄｉｖ（ ） ＋ Ｏｘ＝蠹Ｏｘ［Ｌ… 差］缸一 ＋Ｇｋ （、 ５） ＋ ＝击［ ３ｘｊ】＋譬Ｇ 一ｃ。 （６） 式中ｋ＝１．５（ ） ；，：０．１６（Ｒｅ。）一寺；ｓ＝ｃ ・ ＋ｐ 譬；ｃ －Ｃ Ｉ一 ；叼＝ （２Ｅｑ．Ｅｉ）｝ Ｅｉｊ＝丢（ ＋ Ｏｘｉ］１； ・＝。・。９； ＝ ０．０８４５； ＝ ＝１．３９；Ｃ ＝１．４２；Ｃ ＝１．６８；叼ｏ＝ ４．３７７；Ｊ８＝０．０１２。 ２数值模拟及结果分析 图２给出了等效直径比０．８５前锥角４５。后锥角 １２０。的Ｖ锥流量计流场分布图。分析可知：随着流 体不断靠近锥体，边壁逐渐收缩，通流面积减小，流 体节流收缩于管内壁面，在锥体背侧形成一个较大 的低压涡流分离区。且在锥体背侧一定距离处，随 着流通面积的增大，流速和压力开始逐渐恢复到截 流前的数值。 图３给出了Ｖ锥体前后锥角固定，不同等效直 径比时雷诺数与流出系数的变化关系。分析可知： 相同条件下，等效直径比相对越大，流出系数越小。 且等效直径比一定时，流出系数随雷诺数的增大而 增大，但增值幅度减小并开始逐渐趋于某一常数。 图４～图６分别给出了不同等效直径比时前后 锥角变化对Ｖ锥流量计性能影响的关系曲线。当 ＝０．４５时，计算流出系数Ｃ的范围（０．８４２— ０．８８８）， ＝０．６５时，计算流出系数Ｃ的范围 （０．８０４—０．８３８）， ＝０．８５时，计算流出系数ｃ的范 围（０．７２３—０．７８８）。结合图４～图６的曲线变化规 律可知：前锥角的变化对流出系数有重要影响，且固 定前锥角，改变后锥角度，发现：流出系数与雷诺数 的变化趋势接近。且前锥角越小，流出系数越大。 在前锥角一定时，后锥角相对越大，流出系数越小。 相同条件下，随着等效直径比的增大，后锥角对流出 —蠢 系数的影响程度降低，后锥角对流出系数的线性度 具有一定影响。 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 惦蜉僻仿惦∞蚋 嚣 溪： ｅ．２ｈ 椰．Ｏ０ ｓ钕 ■＇１鼍薯 一 囊熊 …一 １０．４￣ｔ．０５ 薯 嘶＋ｏ４，ｙ ｌ ＆７’●＋Ｏ● ５７ ｅ￣０４ 鸵２７５ｅ＇￣０ ．。一．８．ｓ７・・聃 ！ （ａ】 截面压力场云图 （ｂ）ｖ锥体三维压力场云图 睽 （ｃ） 一截面速度场云图 图２ Ｖ锥流量计流场分布云图（口＝０．８５，４５。一１２０。） 注：４５。一１２０。：代表前椎角４５。后椎角１２０。 籁 习 籁 １ｊ４５ 丑 媛 雷诺数（１ｏ ） 雷诺数（１ｏ ） 圈３雷诺数与流出系数的关系（４５。一１２０。） 图５雷诺数与流出系数的关系（口＝０．６５） 注：４５。一１２０。：代表前椎角４５。后椎角１２０。 辍 １ｊ｛５ 丑 弓了 雷诺数（１０，） 雷诺数（１０３） 图４雷诺数与流出系数的关系（ ＝０．４５） 注：４５。一１２０。：代表前椎角４５。后椎角１２０。 图６雷诺数与流出系数的关系（ ：０．８５） 注：４５。一１２０。：代表前椎角４５。后椎角１２０。 的增大，流出系数受雷诺数的影响明显，口值相同 ３结论及建议 通过对Ｖ锥流量计三维湍流流动的数值计算 可知：Ｖ锥流量计的流出系数不仅与雷诺数有关，锥 时，前锥角对流出系数的变化趋势起着决定性的影 响。且前锥角可以改变流出系数线性度，而后锥角 对流出系数的线性度也具有一定影响。从压力损失 来看，前锥角的影响远大于后锥角，因此设计时前锥 角不易过大。 （下转第５６页） ・体的设计参数对Ｖ锥流量计的流出系数有重要影 响。相同条件下， 值越大，流出系数越小，且随卢 ５１・ Ｑ， ，ｌｌ 口＇ｍＶｈ 图７流量全压对比图 图８流量效率对比图 由图８可知单板叶片的Ｇ４—７３离心风机实验 实样机的实验验证了三维湍流数值模拟在设计和优 数据曲线的趋势与数值预估曲线趋势基本吻合，说 明该气动设计改型是成功的，同时验证了三维数值 模拟的正确性。将试验所得的单板叶片各工况性能 与机翼型叶片的各工况性能进行比较，可知基本保 持了设计工况性能的同时，还具有很好的大流量工 况性能，虽然小流量的全压稍低一些，但效率还是与 化离心风机上的正确性和可行性，具有广泛的现实 意义和工程应用价值。 致谢：本论文在清华大学工程力学系流体声学 实验室完成，特此感谢朱之墀教授、李嵩副教授对本 论文的大力帮助。 参考文献 ［１］朱之墀，黄东涛，边晓东．离心风机现代设计方法研 究［Ｊ］．中国机械工程，１９９８，９（８）：５４ ５６． 机翼型Ｇ４—７３基本吻合的，因此具有工程应用 价值。 ［２］边晓东．离心风机现代设计方法及整机性能数值预 ６结论 针对风机厂家提出的Ｇ４—７３离心风机叶片改 估［Ｄ］．北京：清华大学工程力学系，１９９６． ［３］朱之墀，唐旭东，李嵩，等．离心风机叶轮气动设计 工程方法的改进［Ｊ］。风机技术，２００１（３）：３—５． ［４］黄利忠，李嵩，等．特小比转速的后向离心通风机的 研究与开发［Ｊ］．风机技术，２００６，（４）：１ ４． ［５］陈修怀，李嵩，黄东涛，等．离心风机变型设计新方 法［Ｊ］．风机技术，２００３（２）：６ ８． 型要求，本文对其进行气动设计，基本上保证了设计 工况具有较好的综合效率和总压，又满足大流量工 况性能，达到了节能改型设计的目的。 总之，本研究设计不仅为Ｇ４—７３型离心式风 机的改型设计及优化提供了依据和方向，也通过真 （上接第５１页） 参考文献 ［１］潘振．基于Ｖ锥流量计的成品油管道顺序输送检测 技术的研究［Ｄ］．北京：中国石油大学，２０１０． ［４］徐英，于中伟，张涛，李刚．Ｖ形内锥流量计设计参数 对流出系数的影响［Ｊ］．机械工程学报，２００８，４４（１２）：１０６— １１１． ［２］徐英，郑建生，杨会峰，等．基于ＲＮＧｋ—ｓ模型的内 锥流量计气体流出系数预测［Ｊ］．天津大学学报，２００７，４０ （１ｏ）：１２２７—１２３４． ［５］孙德志，丛振超，刘炜丽．Ｖ锥流量计的优化设计 ［Ｊ］．机械设计与制造，２００９，２９（３）：９—１１． ［６］潘振，陈保东，晏永飞，商丽艳．Ｖ锥流量计表面压力 分布的数值模拟研究［Ｊ］．节能技术，２００９，２７（４）：２９９—３０１． ［７］王福军．计算流体动力学分析一ＣＦＤ软件原理与应 用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． ［３］朱懿渊，姚征，沈立明．Ｖ锥差压流量计三维数值模 拟与改进分析［Ｊ］．上海理工大学学报，２００９，３１（２）：１５５一 ｌ５９． ・５６・