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1、院 系：控制与计算机工程学院 专业班级：自动0701学生姓名：付煜 指导教师：段泉圣学 号：1071190107 译文成绩：华北电力大学毕业设计（论文）译文部分原文著作（期刊）名称：Study on the effect of vertex angle and upstream swirl on the performance characteristics of cone flowmeter using CFD作者：R.K. Singh, S.N. Singh*, V. Seshadri原文出版单位：Department of Applied Mechanics原文出版时间：April to
2、 June, 2009原文出版地点：New Delhi,India文章信息15-文章历史：2007年5月24号收录；2007年9月14号收录在修订版中；2008年12月2号通过；-关键词：计算流体动力学，锥流量计，流量系数，雷诺系数，进气涡流，锥体顶角摘要：对于在给定条件下优化流量计的设计，计算流体动力学（CFD）是有突出的革命性的贡献。通过CFD获得的流通特性与实验结果相比更具有广泛性。在过去的研究中，CFD软件“FLUENT”被用于验证研究锥体顶角以及上游气流涡流对锥体流量计性能的影响。不同顶角优化的流量系数()的值表明了流量系数值是独立于雷诺系数并且会随着顶角角度的增加而减少。涡流的形式
3、会扰动现场上游的气流，但流量系数的值依然独立于雷诺系数，其数值仅会受到涡流微弱影响。流体的纵截面表明现场回流区的一对对旋式漩涡是锥型下降气流。下降气流的流速分布在5D的距离后趋于稳定。1.引言由于管网铺设条件的约束，工业用流量计常常受到很强的上游流体干扰。扰动可能是流量计上游的压力值、管道弯头、管道配件、弯管等原因引起的。传统的流量测量设备比如孔板流量计、转子流量计、流量喷嘴等，因为要求上游和下游的最小直线长度，而不能在这种条件下使用。多年来，在高强度的流动扰动条件下，锥型流量计已经成为其中一种最佳选择的流量测量设备。其锥型结构和测压接头位置对外界震动非常迟钝。与其他的流量测量设备相比，锥型流
4、量计有更好的复现性并且具有精度流量测量高翻转比例达到30:1。除了这些优点，锥型流量计因为其锥型的设计而具有很好的耐久性及耐磨性能。其锥型的设计通过降低高流速与初级元件的接触而使磨损（冲刷腐蚀）达到了最小【2】。Liptak【3】的研究指出现场锥型元件的流速分布使得横剖面中心平均速度分布趋向平整。这个原因可能是因为锥型流量计没有满足流量计上游长直管道的长度要求。Genisi等【4】提出锥型创造了一个可控湍流区域并重塑了管道中的速度分布。由于边界层的延伸而使气流直接避开了锥角，从而使得锥角具有抗磨损的性能。Ifft等5总结了即使在上游管长很短的情况下，由于不同平面的单双弯管作用，锥型流量计的工作
5、性能也不会受到影响。之后，Peter等指出锥型流量计能同样精确的测量液体流量和气体流量。研究发现相对于基线测试，非标准测试存在微量误差（0.5%），需要附加测试去替代广范围的参数以评定流量计在非标准安装条件下的工作性能。Prabhu等指出，与其他流计量装置的流量系数相比，锥型流量计的流量系数对流体干扰反应迟钝，抽吸需要量也比普通孔板流量计少50左右。随着功能强大的计算机的发展，计算流体动力学（CFD）已成为一种用来详细阐述实验的有效工具而被广泛应用。CFD可以应用于不同行业，比如动气动力学、汽车、化工等。用CFD对任何流量测量设备进行的模拟依然是一个复杂的现象，但它提供了一个优化流量计工作性能
6、的机会。Buckle等8已经证明CFD在改进现有转子流量计设计方面的能力，并强调指出CFD可以对流动结构有更好的了解，特别是在考虑了机体周边间隙的强大的速度梯度和轴向间隙上方的回流区之后。Erdal和Anderson9指出孔板流量计的流量预测在标准的模式下效率很低。他们同时建议使用更先进的湍流模型来改善这些设备的流量预测。Puri等10用CFD评估了孔板流量计锥型体上可变面积的迎面阻力，并尝试优化了锥型体的形状。平截头体和抛物型锥顶的组合使得锥体形状成流线型。Singh等建议针对孔板流量计可变面积应使用一种新的设计11。根据迎面阻力和压降在不同路段的特点来决定流量计的设计。Seshadri等1
7、2运用CFD确立了在环杆系数下机体形状产生的影响，并推断环杆系数与阻塞系成反比。对于高而细长比例的椭圆形，环杆系数最高，并且绝对压力损失最小。Gandhi等13计算研究了漩涡流量计并指出旋涡流量计最好具有60角的三角形形状的分流板或钻石形状的机体。Symbols 管道直径 锥直径（最大值） 当量锥直径比率 雷诺数 流体压力密度 工质密度 静压力 流量系数 排放率（kg/s） 扰动模型经验常数 基于和的湍流普朗克系数 发电条件（动能） 膨胀波动的影响 涡流动能 函数值 函数余值 连续相增加的量 归一化因子 平均进口速度量 平均速度 速度扰动 整体速度 元件体积 表面质量流量（速度） 纵坐标 衰减
8、系数 扰动耗散率 动力粘度 涡流粘度（扰动粘度） kroneker 三角上述文献的研究重点阐述了CFD是一种设计流量测量仪器的实用工具，用CFD验证实验结果后，测量仪器可以进一步开发。现有文献表明目前还没有人研究锥顶点和涡流对锥型流量计性能的影响。流量计上游的各种干扰可能产生高强度的涡流并很可能对锥型流量计性能产生不利的影响。本研究运用CFD为工具探讨了锥顶角和漩涡对涡流流量计工作性能的影响。2锥型流量计工作原理锥型流量计的几何形状如图1所示。锥型流量计和其他任何阻塞型流量计的工作原理相同。利用伯努利原理，通过测量流过锥型的差压来计算流速。该液体流量测量的标准式为： (1)其中, (2)3.数
9、学公式首先，CFD是描述流体的流动表现的控制运动方程数值解。在模型中，质量、动量、能量守恒方程（如有必要）必须得到满足。恒定不可压缩流的控制方程为： (3)质量守恒方程对不可压缩流及可压缩流皆有效。源项是由分散相加入到连续相的量。稳流的动量守恒方程为： (4)其中, 是静压, 是万有引力，外部力.是应力张量并且可以并计算如下：. (5)3.1.湍流模型大部分实际流量都是动荡的且波动速度的特点是围绕其平均时间值， 14。将这个值代入Navier Stokes方程中并且使用平均时间推导出雷诺平均Navier Stokes方程（雷诺平均）; (6)在上述方程中，需对雷诺应力进行建模求解。采用Bous
10、sinesq假设14，雷诺应力和平均速度梯度的关系为： (7)在本次研究中，使用双方程湍流模型（随机 15）对方程组进行最后求解。这个模型中增加的两个方程是：(8)(9)其中是由于平均速度梯度产生的湍流动能，其表达式为：(10)S是应力张量的平均速率，并定义： 且 (11)随机理论中有效粘度模型用于大规模消除微分方程计算过程中产生的湍流粘度。其中 且 (12)在高雷诺系数限制下，上述等式令且。此表达式用来计算有效粘度。等式中的R(快速应变项)为 (13)其中, 文献中使用的湍流模型恒定值为标准值：, , , , and 4.解决方案CFD软件“FLUENT”是基于单元中心有限体积方法进行流体研
11、究。因为四面体单元通常不与流动方向共线，所以所有的控制方程将使用二阶离散格式。所有的参数将使用衰减系数以满足Scarborough收敛条件。PISO17算法（隐式算子分裂算法），基于修正压力和更适合旋流的速度间更高程度的近似关系，使用该方案对压力和速度场两者进行耦合。所有的离散方程已经用分离求解器进行了求解。更快的收敛使用隐函数解法与代数多重网络法（AMG）的逻辑乘积。采用双倍精密度计算，当所有剩余项之和小于后结果收敛。图-1 用于验证的V型锥流量计的设计和图纸资料5.计算机软件的验证任何使用CFD软件所作的预测只有在软件的验证后才能认可。CFD软件的验证确立了湍流模型的精确程度和可靠性。在本
12、研究中，使用CFD软件FLUENT对Singh等人18的实验数据进行验证。图-1所示是CFD软件所验证的锥型流量计的几何形状。用不同湍流模型进行流量预测，所有湍流模型都以水为工质流量。研究发现随机模型与实验结果最为匹配。Erdal和Andersson 9也有类似的研究结论，他们推断标准模型不能描述流量计的流动特性。为了简便起见，这里只对随机模型的结果和实验数据进行比较。图-2a展示了当时相应的实验值与预测值的对比。实验值和预测值间的偏差与计算实验不确定性的值是同序的。此外，对的锥型流量计的流体预测进行验证，相同的趋势也是显而易见的(图-2b)。实验值与预测值最大差分是两者组态验证可接受限值的4
13、%。这些偏差可能源于湍流模型的限值、实验结果的不确定性、管道粗糙度等原因。参数研究也可以用 CFD软件验证进行论证。图-2a预测值与的V型锥流量计的实验值对比图-2b预测值与的V型锥流量计的实验值对比图-3 锥体所处流场的3-D模型6.几何图、边界条件、参数研究流量通过一个直径为52.10 mm的管道和放置在管道里的同心锥组成的锥型流量计进行预测。锥体最大直径为40mm，最小直径为18mm，使得。因为管道外壳测压孔强度足以支撑管中央的锥体，因此为了参数研究而去除了径向支撑支柱。图-1为锥型流量计几何解析图。用于流动模拟的管道上游长度为5D，下游长度为20D。选择更长的下游长度是为了确保出口边界条件对于锥体附近的流场计算没有影响。使用GAMBIT（CFD软件“FLUENT”的预处理器16）中的倒置法对几何流域建模。图-3为锥体所处流场的3-D模型。产生的网格对于预测的精度、稳定度以及经济性起着关键作用。一个细密网格意味着更高的精确度，因此有必要在高流速梯度区域内适当的增加细密网格而在平滑流动区域内使用粗网格。在最新版本的GAMBIT中，同一流域中可以生成四边形和六边形网孔，该功能对于复杂流动区域中的用于计算的大量网格的离散化非常有用。在流动模拟中，流
