該文利用FLUENT軟件對(duì)平衡式節(jié)流裝置進(jìn)行仿真分析，使用K-S模型模擬管道中 的紊流。首先通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了平衡式節(jié)流裝置測(cè)量管道中氣體流量能夠顯著減少旋 渦，具有較好的流體穩(wěn)流效果；再依據(jù)仿真結(jié)果制作了平衡式流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證， 由測(cè)試結(jié)果得出平衡式流量計(jì)提高了流量測(cè)量精度，降低了直管段長(zhǎng)度，適用于煤礦瓦斯 管道氣體流量的測(cè)量。

管道瓦斯氣體具有濕度大、壓力小、流速變化 范圍寬等特點(diǎn)。在瓦斯氣體抽放系統(tǒng)中，節(jié)流式差 壓流量計(jì)因可承受惡劣工況、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、發(fā)展歷 史悠久等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用且數(shù)量龐大。但在實(shí)際 應(yīng)用中很多現(xiàn)場(chǎng)遇到了直管段長(zhǎng)度不能滿足GB/ T2624-2006標(biāo)準(zhǔn)要求，造成節(jié)流裝置測(cè)量精度降低 甚至無(wú)法給出測(cè)量精度的問(wèn)題。因此，近年來(lái)一種 以改善流速分布為特點(diǎn)的平衡式流量計(jì)使用越來(lái) 越廣。當(dāng)直管段達(dá)不到傳統(tǒng)要求長(zhǎng)度時(shí)，管道中的 流速分布不是充分發(fā)展紊流，流速分布不對(duì)稱，有 畸變還可能有漩渦、回流。平衡式節(jié)流裝置不僅具 有傳統(tǒng)節(jié)流裝置可承受惡劣工況、無(wú)活動(dòng)部件的特 點(diǎn)，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)具有整流作用，其所需直管段只需 要上下游各0.5 D的長(zhǎng)度就可以將管道內(nèi)流體的攪 動(dòng)降到最低從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一種平 衡式節(jié)流裝置，利用FLUENT軟件對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng) 進(jìn)行了數(shù)值模擬，仿真實(shí)驗(yàn)表明，平衡式節(jié)流裝置 具有良好的穩(wěn)定流場(chǎng)的作用和良好的抑制渦流的作用。根據(jù)仿真結(jié)果制作了平衡式流量計(jì)，并于 2015年上半年在四川芙蓉集團(tuán)白皎煤礦瓦斯抽放 泵進(jìn)氣端管道安裝使用，試驗(yàn)證明平衡式流量計(jì)提 高了測(cè)量精度，降低了直管段長(zhǎng)度，適用于煤礦瓦 斯管道氣體流量的測(cè)量。

1.平衡式流量計(jì)測(cè)量原理

平衡式節(jié)流裝置是一種應(yīng)用于管道進(jìn)行流量 檢測(cè)的部件，即一個(gè)多孔的圓盤節(jié)流整流器，安裝 在管道的截面上。與標(biāo)準(zhǔn)孔板不同的是，節(jié)流裝置 基于特殊公式和測(cè)試數(shù)據(jù)，開(kāi)了很多個(gè)孔，稱為函 數(shù)孔。當(dāng)流體穿過(guò)圓盤的函數(shù)孔時(shí)，流體將被平衡 整流，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過(guò)取壓 裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)。根據(jù)伯努利方程計(jì) 算出體積流量、質(zhì)量流量。函數(shù)孔的數(shù)量、尺寸、排 列順序直接決定著這個(gè)平衡式節(jié)流裝置最終的永 久壓損、測(cè)量線性等。

平衡式流量計(jì)測(cè)量原理與孔板流量計(jì)測(cè)量原 理一樣，遵循流體力學(xué)原理和伯努利方程。平衡式 流量計(jì)流量計(jì)算算法如下：

2.FLUENT仿真軟件介紹

FLUENT軟件是一款通用的CFD軟件，采用網(wǎng) 格自適應(yīng)技術(shù)，可根據(jù)計(jì)算中得到的流場(chǎng)結(jié)果反過(guò) 來(lái)調(diào)整和優(yōu)化網(wǎng)格，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。FLUENT 軟件基于有限體積法，提供了多種數(shù)值算法可供 選擇，包含常用的多種湍流模型，其中K-S模型、 Standard K-s 模型，適用于一般情況下的流場(chǎng)模擬， 此外還有RNG K-s模型和Realizable K-s模型等。 結(jié)合Gambit的專用前處理軟件，網(wǎng)格可以有多種形 狀。對(duì)二維流動(dòng)，可以生成三角形和矩形網(wǎng)格；對(duì)三 維流動(dòng)，則可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔 等網(wǎng)格。本設(shè)計(jì)中采用Gambit專用前處理軟件，獲 得數(shù)據(jù)模型文件，導(dǎo)入FLUENT仿真軟件中，對(duì)不 同管道和開(kāi)孔分布的節(jié)流裝置進(jìn)行仿真比較。

3.平衡式節(jié)流裝置仿真設(shè)計(jì)

3.1平衡式節(jié)流裝置建立幾何結(jié)構(gòu)

平衡式流量計(jì)節(jié)流裝置函數(shù)孔的數(shù)量、尺寸、 排列順序直接決定著流量測(cè)量精度、壓損和測(cè)量線 性度等。本文通過(guò)FLUENT軟件仿真模擬了多種節(jié) 流裝置，得出了平衡式節(jié)流裝置上的函數(shù)孔排列規(guī) 則，最終設(shè)計(jì)出了測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的平 衡式節(jié)流裝置。圖1所示為不同函數(shù)孔排列的節(jié)流 裝置。

其中對(duì)于管段式節(jié)流裝置260 mm管道，本文 設(shè)計(jì)為4函數(shù)孔排列模式，函數(shù)孔直徑為70mm，4 函數(shù)孔對(duì)稱分布，節(jié)流裝置厚度為3 mm，安裝于管 段中間位置，前160 mm，后160 mm處。

使用Gambit軟件對(duì)管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4函數(shù) 孔對(duì)稱分布，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇四面體、楔形結(jié)構(gòu) 化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查，然后 設(shè)置邊界條件類型。在Z坐標(biāo)零點(diǎn)管道入口設(shè)置為 VELOCITY_INLET 速度入口，Z=323 mm 處設(shè)為速 度出口 OUTFLOW，管道內(nèi)部為流場(chǎng)區(qū)域。最后輸出 MESH文件，利用FLUENT軟件進(jìn)行模型仿真。圖 2所示為節(jié)流裝置的的幾何結(jié)構(gòu)。

3.2數(shù)值模擬及分析

在FLUENT中，選擇三維單精度求解器，讀入 網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，選擇壓力基求解隱式、三維、 定常流等參數(shù)，選擇STAND K-s計(jì)算模型來(lái)模擬 管道內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)過(guò)程，采用SMIPLE算法進(jìn)行求解。 考慮煤礦應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)置介質(zhì)為空氣與瓦斯氣體的 混合氣體，密度為0.6901 kg/m3，黏度為1.7894x10-5 kg/m*s，運(yùn)行環(huán)境選擇抽放負(fù)壓60000 Pa，入口設(shè)為 速度入口邊界條件，初始速度為10m/s。選擇迭代 200次，當(dāng)?shù)?/span>158次時(shí)，軟件自動(dòng)停止計(jì)算，殘 差收斂。節(jié)流裝置仿真如圖3所示。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管路中流體速度場(chǎng)的分布 大致是個(gè)旋轉(zhuǎn)的拋物面，所以管路中心的流速是最 大的，在速度場(chǎng)最大的區(qū)域開(kāi)孔勢(shì)必會(huì)對(duì)節(jié)流效果 產(chǎn)生一定的影響。最大流量的波動(dòng)值隨著開(kāi)孔周長(zhǎng) 的增加而增大，且值越大最大流量的波動(dòng)就越嚴(yán) 重，這也說(shuō)明，當(dāng)開(kāi)孔周長(zhǎng)小也就是孔數(shù)比較小時(shí)， 節(jié)流件中心開(kāi)孔與否對(duì)最大流量影響不是很大，但 隨著孔數(shù)的增多，中心孔的影響就越來(lái)越大。故對(duì)于260 mm管道，對(duì)稱4函數(shù)孔分布是合理的，可用 于取壓進(jìn)行流量測(cè)量。

由實(shí)驗(yàn)可知，多孔對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)平衡式節(jié)流裝置 意義重大，該結(jié)構(gòu)能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行平衡，降低渦流、振 動(dòng)和信號(hào)噪聲，流場(chǎng)穩(wěn)定性大大提高，線性度、重復(fù) 性比孔板大大提高。

4.平衡式流量計(jì)二次檢測(cè)儀表

平衡式流量計(jì)屬于差壓式測(cè)量裝置，通過(guò)獲取 管道差壓、管道壓力和管道溫度，以及計(jì)算管道直 徑和開(kāi)孔面積等，進(jìn)行管道流量檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的 二次檢測(cè)儀表硬件電路包括數(shù)據(jù)處理單元、顯示單 元、按鍵單元、通訊單元、管道溫度測(cè)量、管道壓力 測(cè)量、管道差壓測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等，原理框圖 如圖4所示。

通過(guò)獲取管道溫度、管道壓力及差壓等數(shù)據(jù)， 依據(jù)前文計(jì)算算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)修正和 流量計(jì)算。在平衡式流量計(jì)電路設(shè)計(jì)中，考慮到煤 礦管道流量測(cè)量地理位置多數(shù)為山區(qū)，板卡易受雷 擊而損壞，所以電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了限流自恢復(fù) 保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、放電管以及TVS穩(wěn)壓放電二極 管等器件，提高了流量計(jì)使用穩(wěn)定性。

5.平衡式流量計(jì)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)多種平衡式節(jié)流裝置軟件仿真、計(jì)算機(jī)模 擬，并結(jié)合實(shí)物驗(yàn)證的方式，從測(cè)量精度、重復(fù)性、 一致性等方面進(jìn)行多方面比較，完成了平衡式節(jié)流裝 置樣機(jī)制作，并在標(biāo)準(zhǔn)流量校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了實(shí)流 標(biāo)定，測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的 二次檢測(cè)儀表，最終設(shè)計(jì)出平衡式流量計(jì)，并應(yīng)用于 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。圖5所示為平衡式節(jié)流裝置實(shí)物。

平衡式流量計(jì)安裝在四川芙蓉集團(tuán)白皎煤礦瓦斯抽放站泵房外側(cè)瓦斯抽放泵進(jìn)氣端管道上，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)流量計(jì)安裝測(cè)試完成后，與流量校準(zhǔn)測(cè)試儀器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為對(duì)比測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)流量計(jì)測(cè)量完成后立即用水銀溫度計(jì)測(cè)量管道溫度，用FLUKE表測(cè)量管 道絕壓和皮托管差 壓，最后計(jì)算出標(biāo) 況瞬時(shí)流量，測(cè)量 和計(jì)算的結(jié)果與實(shí) 驗(yàn)流量計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì) 比如表2所示。通 過(guò)以下數(shù)據(jù)可以說(shuō)明平衡式流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性滿足精度要求。

6.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)FLUENT軟件仿真設(shè)計(jì)了一款平衡 式流量裝置，結(jié)合二次儀表開(kāi)發(fā)出平衡式流量計(jì)。 平衡式流量計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)設(shè)計(jì)，同為節(jié)流 型差壓流量計(jì)量模式，但它對(duì)傳統(tǒng)節(jié)流裝置有較大 突破，與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)相比較，具有永久壓力 損失小、測(cè)量精度高、直管段要求短等優(yōu)點(diǎn)，適用于 煤礦瓦斯管道的流量測(cè)量。