可變量程彎管流量計優(yōu)點與設(shè)計優(yōu)化方案
利用CFX數(shù)值模擬方法分析2種可變量程彎管流量計的設(shè)計思路。結(jié)果表明:(1)傳統(tǒng)彎管流量計單純改變測壓孔位置不能明顯增加低流量時測量壓差;(2)節(jié)流件可以增加測量壓差;(3)機翼型節(jié)流件可以將該彎管流量計的測量下限擴展近25%。
0 引言
彎管流量計具有無附加阻力損失、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、耐磨損、免維護、測量精度高、重復(fù)性好等特點,被廣泛應(yīng)用在化工、核電等領(lǐng)域。非能動安全是反應(yīng)堆固有安全性的重要組成部分。反應(yīng)堆非能動余熱排出系統(tǒng)作為現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的非能動安全系統(tǒng),其對系統(tǒng)低阻力特性要求較高。為實時監(jiān)測該系統(tǒng)內(nèi)流量,綜合考慮系統(tǒng)低阻力特性要求、設(shè)備可靠性與經(jīng)濟性等因素,實惠流量測量設(shè)備為彎管流量計。
由于反應(yīng)堆余熱排出系統(tǒng)在能動運行與非能動運行狀態(tài)下流量差別非常大。傳統(tǒng)彎管流量計量程比低,不能完全覆蓋非能動余熱排出系統(tǒng)流量范圍。同時常用彎管流量計存在高流量區(qū)間與低流量區(qū)間測量時兩者精度不能同時保證的問題。本課題利用CFX數(shù)值模擬,分析2種可變量程彎管流量計設(shè)計優(yōu)化方案,為非能動系統(tǒng)設(shè)計與試驗提供一種新型流量計。
1 研究對象
1.1 彎管流量計
流體在通過彎管時,會因為流向的改變引起彎管內(nèi)側(cè)壓力低、外側(cè)壓力高的現(xiàn)象。經(jīng)過試驗證明彎管內(nèi)外側(cè)的***大壓差大于彎管進出口壓差。同時彎管壁面的不同位置的壓差與流體流速成正比,通過測量流體離心力造成彎管內(nèi)外側(cè)壁面壓差,根據(jù)渦流理論可以推算出彎管內(nèi)平均流速。
1.2 可變量程彎管流量計
可變量程彎管流量計是在傳統(tǒng)彎管流量計的基礎(chǔ)上,通過改進測量方式和流道特征,使得彎管流量計量程比可變,降低彎管流量計測量流量下限,使得彎管流量計可應(yīng)用于低流速工況的測量。
1.2.1 測量方式的改進
改變傳統(tǒng)單一取壓位置,在不同流速的流動特性下采用不同取壓位置的測量方案。在高流速時,影響測量結(jié)果的主要原因是二次流的影響,因此選擇取壓位置時需首先保證二次流影響的較低化;而在低流速時,影響測量結(jié)果的主要原因是測量壓差小,因此取壓位置的選擇應(yīng)首先保證壓差***大化。根據(jù)渦流理論,位于彎管45°、22.5°、67.5°內(nèi)外側(cè)管壁可以***大可能地避免二次流的影響,保證取壓準(zhǔn)確性,而且理論上45°內(nèi)側(cè)壁面是以上各位置壓力較低點。所以可變量程彎管流量計待選測壓位置為45°內(nèi)外側(cè)、22.5°外側(cè)、67.5°外側(cè)。在大流量時,彎管處二次流旺盛,取壓點橫截面積不能過大,若過大會導(dǎo)致二次流直接影響***后測量結(jié)果?？紤]到彎管流量計實際使用于高溫高壓環(huán)境,所以取壓方式采用Φ6 mm×1.5 mm不銹鋼管,引壓管流道直徑為Φ3 mm。
1.2.2 結(jié)構(gòu)方面的改進
在對彎管局部形阻系數(shù)改變有限的前提條件下,為進一步降低彎管測量下限,而對彎管內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加合適尺寸結(jié)構(gòu)的節(jié)流件的改進方式。
仿真模擬對象為水平布置,內(nèi)徑為50 mm,彎徑比為1.25的90°彎頭。采用CFX程序?qū)Ω魅狐c兩兩組合的測量點進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬:(1)不同流量下測壓方案及相應(yīng)壓差范圍;(2)模擬帶有不同節(jié)流件彎管流量計的測壓性能,并選擇***優(yōu)節(jié)流件外形及位置方案。
2 不同流量下測壓方案
不同流量下測壓方案研究的目的是根據(jù)不同流速下差壓的大小,以確定與之匹配的取壓孔布置方案。本研究以傳統(tǒng)彎管流量計為研究對象。流速范圍為:0.3~7.0 m/s。由于流質(zhì)溫度及系統(tǒng)壓力對測量結(jié)果沒有特別大的影響,所以設(shè)定系統(tǒng)壓力為2.0 MPa,溫度為20℃。
根據(jù)渦流理論,采用取壓點組合方式有:(1)22.5°外側(cè)與45°內(nèi)側(cè);(2)67.5°外側(cè)與45°內(nèi)側(cè);(3)45°內(nèi)外側(cè)。
模擬中湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,模擬結(jié)果以45°內(nèi)外側(cè)壓差為標(biāo)準(zhǔn),進行偏差分析(圖1)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):幾種組合測壓結(jié)果相近,組合(1)的壓差一直小于組合(2)的壓差;當(dāng)流速小于1.5m/s時,組合(2)的壓差大于組合(3);當(dāng)流速進一步增大時,組合(3)的壓差是***大的。
圖1 不同取壓組合差壓值相對偏差Fig.1 Relative Deviation of Results in Different Combinations
在高流速的情況下,建議采用組合(3)的測壓,而當(dāng)流速低于1.5 m/s時,采用組合(2)的方式。
圖2顯示了組合(2)的壓差模擬結(jié)果。流速為0.3 m/s時,壓差僅為65 Pa,而國內(nèi)現(xiàn)階段能標(biāo)定的壓差表較低為100 Pa,當(dāng)測量值小于100 Pa時,測量值是無效的。所以僅通過改變測壓位置不能大幅降低測量下限。
圖2 組合(2)壓差模擬結(jié)果Fig.2 Simulation Result for Combination
3 不同節(jié)流件性能研究
擴大彎管流量計低流量測量壓差的另一個方法是通過加入節(jié)流件,進而改變彎管內(nèi)流場,使得壁面測得壓差增大。但這樣會增加彎管的局部阻力,所以選用何種節(jié)流件及相應(yīng)的布置位置對于彎管流量計的優(yōu)化研究非常重要?？紤]到后期試驗件制造難度,研究的節(jié)流件采用貫穿件。待選節(jié)流件橫截面形狀為:圓形、方形、月牙形和機翼型。
3.1 求解模型校驗
在進行節(jié)流件選擇之前,需要對求解模型的正確性進行方法校驗。本節(jié)以文獻[1]試驗?zāi)M的沿流道圓柱形節(jié)流件的90°彎管為模型,校驗求解模型的正確性。取壓孔位置為45°內(nèi)外側(cè)。利用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分后,進行網(wǎng)格敏感性分析,***后在文獻[1]采用的標(biāo)定點中選擇3個流量點進行比較,系統(tǒng)為常溫常壓。
從模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比(表1)可以發(fā)現(xiàn):(1)模擬結(jié)果與試驗結(jié)果符合度較高;(2)選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可以較好的模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的流道內(nèi)的流場。
表1 校驗結(jié)果對比Table 1 Comparison of Verification Results
3.2 節(jié)流件類型選擇
模擬對象同上節(jié),在管中分別加入圓形、方形、月牙形、機翼型4種不同節(jié)流件。若迎流面積不同,會造成4種節(jié)流件模擬結(jié)果沒有可對比性,所以4種形狀以迎流面積相同為前提條件,初始布置位置為管道中心。迎流面積假定為105 mm2。模擬邊界條件不變。
本研究主要關(guān)心節(jié)流件的增加造成管內(nèi)***大壓差的增加值,所以表2中僅顯示***大壓差值,并不表示取壓點都相同。
表2 不同類型節(jié)流件模擬結(jié)果Table 2 Simulation Results of Different Throttle Elements
從表2中明顯看出,使用機翼型節(jié)流件的彎管的整體局部阻力系數(shù)增加了0.16,但流道壁面的***大壓差增加了41%,接近100 Pa。在理論上使得彎管流量計測量下限降低到現(xiàn)階段國內(nèi)能標(biāo)定差壓表的***小值。在相同壓差下,傳統(tǒng)型彎管流量計即使優(yōu)化測壓點組合,在***大壓差為94 Pa左右時,對應(yīng)介質(zhì)流速為0.39 m/s。機翼型彎管流量計使得彎管流量計測量下限擴大近25%。
3.3 ***佳節(jié)流件性能分析
經(jīng)一系列調(diào)整***佳節(jié)流件的布置位置,得到***佳節(jié)流件布置方案,并將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)彎管流量計(下稱傳統(tǒng)型)模擬結(jié)果進行對比。
由圖3可以發(fā)現(xiàn):機翼型節(jié)流件在增加測量壓差的同時,引入的局部形阻并不大,且局部阻力系數(shù)隨著流速的升高而降低。
式(1)表示機翼型彎管流量計的流量系數(shù)的擬合關(guān)系式:
式中,κ為流量系數(shù);Re為雷諾數(shù)。
流量系數(shù)與Re相關(guān)的系數(shù)為0.0057,遠遠小于常數(shù)2.5612,可以確定機翼型彎管流量計流量系數(shù)基本上達到自模,且平穩(wěn)性較好。
機翼型節(jié)流件在增大管內(nèi)壁壓差的同時,引入的局部阻力較低,小于低流量文丘里流量計的局部阻力,擴展了彎管流量計的測量下限,是研發(fā)階段可變量程彎管流量計可選管型的***佳方案。
圖3 阻力系數(shù)對比圖Fig.3 Contrast of Drag Coefficient
4 結(jié)論
本研究根據(jù)非能動余熱排出系統(tǒng)低流量的特點,提出彎管流量計進一步降低測量下限的一種優(yōu)化方案。在研究過程中,得出的結(jié)論主要有:
(1)單純改變測壓點位置,對大幅降低彎管流量計測量下限幫助不明顯;不同測量方案的測量壓差的變化率在±1.5%以內(nèi)?？梢妼τ谛】趶降膹澒芰髁坑?單純改變測壓點對大幅降低測量下限沒有實際意義。
(2)不同測量點的組合使得測量結(jié)果***優(yōu)化;對于文中的傳統(tǒng)型彎管流量計而言:當(dāng)流速低于1.5 m/s時,應(yīng)當(dāng)選用67.5°外側(cè)和45°內(nèi)側(cè)的壓差測量方案;當(dāng)流速高于1.5 m/s時,應(yīng)當(dāng)選用45°內(nèi)外側(cè)的壓差測量方案。
(3)帶有機翼型節(jié)流件的彎管流量計流量系數(shù)滿足彎管流量計的優(yōu)化設(shè)計要求,機翼型節(jié)流件的流量系數(shù)基本達到自模,且平穩(wěn)性較好。
(4)橫截面為機翼型的節(jié)流件可以在改變彎管局部形阻系數(shù)較小的情況下,較大幅度的增加測壓值,進而擴展了彎管流量計的測量下限;在相同情況下,機翼型節(jié)流件使得***大測量壓差從66 Pa提升到95 Pa,這使得理論上可靠測量流速下限向下擴大了25%。這為非能動自然循環(huán)的建立過程的研究提供了新的測量方案。