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              孔板流量计

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              城市燃气用孔板流量计的数值模拟的模型具体分析

              作者: 来源: 发布时间:2022-02-16 17:50:41

               摘 要:孔板流量计是城市燃气计量用差压式流量计中比较普遍且具有代表性的流量计,本文探讨引起燃气输差的原因、影响流量计精度的因素,包括对于管道不同的取压方式、孔板的直径比、管道流量变化等因素,通过利用 ANSYS FLUENT 软件数值模拟分析,通过理论公式与经验公式进行计算对比,探讨不同取压方式、直径比、管道流量等因素对流量计测量精度的影响,从而提高孔板流量计的测量精度。

               
              随着天然气在全世界清洁能源结构中所占的比重越来越大,天然气管网系统日益发展壮大,同时也推动了计量流量计的快速发展[1]。天然气的井口产量值与到达用户中的产量值不能完全一致,即存在输差。造成输差现象的原因有很多,主要有管网漏输、计量偏差、抄收漏收和窃气损失等。计量装置引起的输差问题不仅较为隐蔽,不易被观察到,影响也较大。本文主要对孔板流量计进行研究分析,孔板流量计的工作原理是充满管道的流体在流经管道内的节流装置时,在节流件附近造成局部收缩,流速增加,在其上、下游两侧产生静压力差,流体的流速越大,产生的压差也就越大,所以可以通过测量压差来计算流过孔板流量计的天然气的流量大小。
               
              1 孔板流量计的流出系数 
              流出系数 C 是影响孔板流量计计量精度的一个非常关键的量,它是不能够实际测量的数值,标准孔板流量计的计量精度在相同的密度、压差等参数下,取决于流出系数的精确度,因此,重点讨论流出系数对标准孔板流量计计量精度的影响是非常有必要的。 
               
              根据国标 GB/T2624-2008,流出系数的理论公式为通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比[2]。对于不可压缩流体,流出系数为
              不可压缩 流体,流出系数
              根据国标 GB/T2624-2008,流出系数的经验公式为里德-哈里斯、加拉赫公式。
              流出系数的经验公式为里德 -哈里斯、加拉赫公式
               
              2 数值模拟方法与模型
              2.1 创建几何模型、划分网格 
              本文建立一条直径 D 为 100mm 的天然气管道,采用孔板流量计计量流量,根据设计规范,孔板前直管段设为10D=1000mm,后直管段设为 5D=500mm。利用 Proe4.0 软件建立二维、三维几何模型;网格划分是下一步进行数值模拟的关键,CFD 中的网格划分一般可分为结构化网格和非结构化网格两种,结构化网格的精确度要高于非结构化网格,本文主要采用结构化网格,孔板流量计的三维网格模型如图1。
               三维孔板流量计网格模型
              2.2 选择湍流模型 
              Fluent 软件提供的湍流模型包括 Spalart-Allmaras 模型、标准 k-e 模型、RNG k-e 模型、带旋流修正 k-e 模型、k-ω模型、压力修正 k-ω模型、雷诺应力模型、大漩涡模拟模型等。其中,RNG 模型适合模拟流线弯曲程度较大的湍流,更适合模拟节流孔板处的流体流动。输气管道设计日输气量为 2.2×105m3、压力为 5MPa、温度 15℃等参数,可计算得被测管道内的天然气的流速为 6.7m/s,而甲烷的运动黏度为 17.071mm2/s,可计算得雷诺数为 38688,因为38688>2300,所以此时管道内得流动为湍流,选择k-epsilon(2epn)的 RNG 模型。 
               
              3 数值结果分析
              3.1 二维孔板流量计直径比变化影响 
              分别在 0.2、0.4、0.5、0.6、0.8 这五种情况下变化β值,管道管径为 DN100,孔板流量计的上游 10D、下游 5D长度,E=3mm、e=1mm、F=45°、孔板的取压方式为径距取压[3],通过 Fluent 软件进行模拟计算得出结果,读出孔板前后的压力值即压差△P,从而可以得到根据这五种不同直径比模拟计算得到的流出系数 C´,再根据经验公式计算得到流出系数 C,计算结果见表 1。
               管径 DN100 不同直径比下的流场模拟结果
              由上表可知,数值模拟流出系数 C´均大于由经验公式计算得到的流出系数 C,当直径比β由 0.2 增大到 0.6 时,数值模拟流出系数 C´随之减小;当直径比β由 0.6 增大到0.8 时,数值模拟流出系数 C´随之增大。
              直径比为 0.5 时的压力云图和速度云图
              由图 5、图 6 可以看出,流体在流动过程中,随着孔径增大,孔板的节流效应变小,流体所受的阻力变小,流体的流速增加变缓,流体的压力损失即压差变小,所以孔板前后流体的压差随直径比的增大而减小。 
               
              当孔板直径比β在 0.4~0.6 之间时,数值模拟的流出系数的相对误差δ较小,即孔板流量计的计量误差较小,因此,在使用孔板流量计时建议选择直径比在 0.4~0.6 之间的孔板流量计。 
               
              3.2 三维孔板流量计流量变化影响
              流量与相对误差关系
              分别在 1.00、3.61、5.45、7.24、10.80、14.44、18.10、35.17、108.49、180.80、这十种情况下变化流量值,通过Fluent 软件进行模拟计算得出结果,读出孔板前后的压力值即压差△P,从而可以得到根据这十种不同流量值模拟计算得到的流出系数 C´,再根据经验公式计算得到流出系数C,计算结果见图 2。 
               
              由图 2 可知,当通过孔板流量计的流量在7.24~18.1m3/h 之间时,数值模拟的流出系数的相对误差δ较小,即孔板流量计的计量误差较小,因此,在使用孔板流量计时建议将流量调至 7.24~18.1m3/h 之间。 
               
              3.3 不同取压方式对孔板流量计测量精度的影响 
              标准节流装置规定的取压方式有角接取压、法兰取压、径距取压三种,取压点位置不同,用同一节流元件在同一流量下所得到的差压大小也不同,故流量与差压之间的关系也将发生变化。流出系数 C 是影响流量计的测量精度的一个重要因素,该模拟就是通过计算比较三种不同取压方式的流出系数相对误差,从而得到那种取压方式的测量精度更高,而流出系数 C 与流量计的压差有关,通过 FLUENT 软件的模拟得到不同取压方式下孔板前后取压面处的平均压力,得到压差△P,计算出不同取压方式下的根据模拟数据计算出的流出系数 C’,再求出国标中经验公式的流出系数 C,进而比较相对误差。为探究不同取压方式对孔板流量计测量精度的影响,建立孔板流量计模型:管内径 100mm,缩径孔直径50mm(直径比为 0.5),上游管段 1000mm,下游管段 500mm,选取天然气为不可压缩流动介质。 
               
              根据模拟所得到的数据求出三种取压方式的流出系数C’,再求出国标中经验公式三种取压方式的流出系数 C,计算结果如下表 2 所示。
              不同取压方式对比表
              根据计算结果表明径距取压和法兰取压的相对误差较小,而通过观察角接取压适用于大管径的取压,所以选择法兰取压和径距取压更好。 
               
              4 结 论 
              基于 ANSYS FLUENT 进行二维孔板流量计的直径比变化、三维孔板流量计的流量变化数值模拟、可以分析得到当孔板直径比β在 0.4~0.6 之间,流量在 7.24~18.1m3/h 之间时时,流出系数的相对误差δ较小,即孔板流量计的计量误差较小。因此,在使用孔板流量计时建议选择直径比在0.4~0.6 之间、流量调至 7.24~18.1m3/h 之间的孔板流量计。三种取压方式中,优选法兰取压和径距取压方式。

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