1.创建几何模型
使用三维软件建立总悬浮颗粒物采样器孔板流量计的三维几何模型如图2所示。孔板上端和下端的管部直径为20mm,孔板上端管长为20mm,下端管长为30mm。由于该几何模型整个为回转体,为减少计算量,简化实体模型如图3所示。
用四边形网格计算管形流场,靠近孔板椎体的网格密度明显较密,管道端部的网格明显稀疏,从而保证网格的光滑度,加快计算的迭代收敛速度,避免临近单元体积的快速跌变所引起的截断误差孔板流量计网格划分模型如图4所示。
2.流体仿真分析
孔板流量计模拟仿真介质为环境空气,密度为1.29kg/m3,设定入口速度为5.31m/s,温度为22℃,大气压为101.325kPa。设定了仿真介质和初始条件后,对湍流模型进行选择,差压式孔板流量计在仿真模拟中,流体流场入口速度为5.31m/s,用雷诺系数公式进行计算:
Re=pvd/η(2)
式中:Re为雷诺数;ρ为密度,kg/m3;D为流速,m/s;d为特征长度(内径),mm;η为动力黏性系数,Pa.s。
将设定条件代人式(2)得:Re=7611,由于7611>2300,所以差压式流量计管道内的气体流动归属于湍流,仿真中选择湍流模型进行计算。
对空气在设定工况的基础上进行流体分析仿真,得到差压式孔板流量计管道内压力和速度的分布情况'51,如图5~6所示。
图5中,颜色深浅代表压力的大小分布情况,单位.为Pa。从图中可以得出,气体流入流量计孔板上端管道部分,由于气泵抽气产生负压,压力值大概在-3.422X104--3.443x104Pa,气体流入锥形孔板瞬间,压力急速减小,压力减小范围在-3.443x104--3.518x104Pa,经过孔板后压力维持在-3.507x104~-3.497x104Pa。气体从锥形孔板经过时压力减小,流经流量计下端部时流量增大,从而产生了孔板前后的压差,环境空气经过差压式孔板时,由于孔板的阻隔瞬间形成高压状态,孔板的锥角处圆角处理,空气流过孔板椎孔处压力有一-定程度的增大。流体仿真得到的流量计个管道速度分布情况如图6所示,单位为m/s。如图所示,气体流入流量计孔板上端瞬间,产生了一个回转对称性的速度场,中心轴线处速度最大,气体在差压式流量计管壁处碰撞后产生回旋,速度降低并产生压降,在锥形孔处由于锥角做圆角处理后,平缓过渡,气体速度有不同程度的增大。气体流入孔板前速度范围大概在0.2754~1.913m/s,流人孔板瞬间,速度增大,管道轴心处速度最高可达3.799m/s,经过孔板后速度范围大概在1.913~3m/s,并向管壁处速度递减从而在管壁处形成回旋产生低压。气体未经过锥形孔板前速度变化明显较小,经过孔板后速度明显增大,在管道轴心处速度数值最大。
3.孔板流量计差压分析
孔板流量计压力损失是孔板.上端测得压力与孔板下端测得压力数值之差,差压数据稳定性是控制泵的关键条件。参考100L/min的仿真条件,将入口速度调整至10~90L/min,每10L/min作为一次步长,流体仿真后得到流速、动压、静压和差压的数据,如表1所示。
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