CN102750426B - 基于cfd技术的流动调整器整流效果评判方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，所述方法包括：建立涡旋发生器、流动调整器及直流管道水流模型；计算雷诺数，获得管道不同流动状态的流速范围，并依据流动调整器需求确定设定的初始流体速度，得出流体流动状态；根据流体流动状态，分析流体流动状态下的流速分布规律；将水流模型进行网格划分，对划分好的网格导入CFD，设置流体材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算获得管道内流体流场分布；提取流体流场分布结果直管段中距离涡旋发生器出口距离为L的管道横截面上的流速分布状况，获得截面上不同点上的速度大小；将流体流动状态下的流速分布规律与仿真结果中截取的截面上的流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；计算得出距离涡旋发生器出口距离最近为L的截面，且该截面流速处于稳定状态，根据L值大小，判断流动调整器整流效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，尤其涉及一种利用CFD软件模拟在涡旋发生器、流动调整器作用下的管道流场分布，使得流动调整器整流效果得到评判。
背景技术
流量测量是工业自动化领域三大检测参数之一，流量测量涉及化工、冶金、石油天然气输送、人们生活等领域，流量计在国家的能源节约以及人们的生产生活中具有重要的意义。流量计中的压差式流量计、超声波流量计等对于测量管段中流体稳定性要求较高，为确保流量测量的准确性，通常要求流量计上游安装较长的直管段以保证进入测量管段流体稳定性。然而在实际应用中，受到场地条件的限制等制约，往往无法满足安装较长的直管段要求。解决这一问题的办法之一是在流量计上游加装流动调整器(Flow Conditioner，FC)，以消除不正常流动，缩短必要的直管段长度。
ISO5167给出了对流动调整器的部分标准形式，如Gallagher流动调整器、Zanker多孔板式流动调整器等，但由于这类流动调整器并不能适用于所有工况，人们根据应用的实际需要设计专用的流动调整器，目前并没有统一的评定流动调整器整流效果的评判标准。运用CFD技术模拟仿真流动调整器作用下的流体分布，能有效缩短流动调整器的研发周期，同时发明基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，将有助于流动调整器的设计优化。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，能够作为基于CFD软件流动调整器设计与优化的参考依据。
该评判方法基于CFD流场仿真技术，根据所设计的流动调整器进行水流模型三维建模，在涡旋发生器相同的情况之下，利用CFD软件分析涡旋发生器与流动调整器共同作用下的水流直管段的流场分布，通过仿真结果获取流动调整器下游直管段的横截面的流速分布；计算理论分析横截面处的流速分布与仿真获得的流速分布差的大小，通过计算得出的差值判定该截面处流体是否处于稳定状态；采用二分法多次计算获得距离涡旋发生器最近为Lmin的流态稳定截面，对于不同的流动调整器，其Lmin越小则表明其整流效果越好。
所述技术方案如下：
一种基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，包括：
建立涡旋发生器、流动调整器及直流管道水流模型；
计算雷诺数，获得管道不同流动状态的流速范围，并依据流动调整器需求确定设定的初始流体速度，得出流体流动状态；
根据流体流动状态，分析流体流动状态下的流速分布规律；
将水流模型进行网格划分，对划分好的网格导入CFD，设置流体材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算获得管道内流体流场分布；
提取流体流场分布结果直管段中距离涡旋发生器出口距离为L的管道横截面上的流速分布状况，获得截面上不同点上的速度大小；
将流体流动状态下的流速分布规律与仿真结果中截取的截面上的流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；
计算得出距离涡旋发生器出口距离最近为L的截面，且该截面流速处于稳定状态，根据L值大小，判断流动调整器整流效果。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
可以对任意流动调整器进行快速、有效的流场模拟计算，为流动调整器优化设计提供参考依据，为不同流动调整器间整流效果优劣提供评判依据，弥补了CFD技术中流动调整器整流效果评判方法的空白。
附图说明
图1是基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法流程图；
图2是基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法仿真原理示意图；
图3是流动调整器模型I水流模型三维图；
图4是流动调整期模型II水流模型三维图；
图5是流动调整器模型I仿真流场分布示意图；
图6是流动调整器模型I仿真直管段L＝100mm处流速分布图；
图7是流动调整器模型I仿真直管段L＝50mm处流速分布图；
图8是流动调整器模型I仿真直管段L＝75mm处流速分布图；
图9是流动调整器模型I仿真直管段L＝62.5mm处流速分布图；
图10是流动调整器模型I仿真直管段L＝56.25mm处流速分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合两种不同流动调整器在层流流态下CFD仿真与整流效果评判实施，对本发明实施方式作进一步地详细描述：
参见图2，为基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法仿真原理示意图，其基本原理为：流体进入管道后先进涡旋发生器(图示1)整成不稳定旋流，再经流动调整器整(图示2)消除不正常流动，并在直管段(图示3)发展为一个稳定、对称且具有充分发展管道流动速度剖面的流程。
参见图1，为基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法流程，所述流程具体包括：
建立涡旋发生器、流动调整器及直流管道水流模型；
根据流体密度、流体粘度参数、管道直径及流体速度，带入雷诺数计算公式计算雷诺数，获得管道不同流动状态的流速范围，并依据流动调整器需求确定设定的初始流体速度，得出流体流动状态；
根据流体流动状态，分析流体流动状态下的流速分布规律；
将水流模型进行网格划分，对划分好的网格导入CFD，设置流体材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算获得管道内流体流场分布；
提取流体流场分布结果直管段中距离涡旋发生器出口距离为L的管道横截面上的流速分布状况，获得截面上不同点上的速度大小；
将流体流动状态下的流速分布规律与仿真结果中截取的截面上的流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；
计算得出距离涡旋发生器出口距离最近为L的截面，且该截面流速处于稳定状态，根据L值大小，判断流动调整器整流效果。
本实施例设计了两种不同类型的流动调整器，分别记为模型I、模型II，应用于管路直径为d＝20mm，入口流速为0.05m/s～0.1m/s，流体为水，环境温度为常温约20℃；查表得该温度下水的运行粘度υ＝1.004×10-6m2/s，计算雷诺数得雷诺数在1000～2000之间，可认为该流速下流体处于层流流态，稳定状态下流速分布服从抛物线规律：本实施设定入口速度为0.05m/s。即则流体速度分布如表1：
表1
上述表1为理论速度计算。
图3为用UG建立的流动调整器模型I的水流模型，涡旋发生器1、流动调整器2和直流管道3，图4为用UG建立的流动调整器模型II的水流模型，两个模型采用相同的上游设置的涡旋发生器。
将模型I、模型II分别导入前处理软件GAMBIT中划分网格，设置网格大小为0.5mm；并分别将划分好网格的两个模型导入Fluent中计算，设置层流流动模型，流体入口速度为0.05m/s。
首先对模型I的管道流场状态进行仿真计算，仿真结果显示水流经过涡旋发生器之后产生旋转流动，流体流速不稳定；再经过流动调整器整流之后，流体流速在直管段中很快发展为稳定状态，如图5所示，可以判定流动调整器起到整流作用，本次计算中，
截取直管段距离涡旋发生器口为L1＝100mm处管道截面流速分布图，如图6所示，读取相互垂直的两直径上均匀分布的7点上的流体流速ui、ui，记录数据如表2，由流速差值计算可以看出，满足对于i＝1～7，|ui-vi|≤λ、|ui’-vi|≤λ的条件，可判定该截面处流体流速稳定，应该减小L进行计算；
表2
截取L2＝0.5L1＝50mm处管道截面流速分布图，如图7所示，读取相互垂直的两直径上均匀分布的7点上的流体流速ui、ui’，记录数据如表3，由流速差值计算可以看出，不满足i＝1～7，|ui-vi|≤λ、|ui’-vi|≤λ的条件，可判定该截面处流体流速不稳定，应该增大L进行运算。
表3
截取L3＝L2+0.5L2＝0.75L1＝75mm处管道截面流速分布图，如图8，读取相互垂直的两直径上均匀分布的各7点上的流体流速ui、ui’，记录数据如表4，由流速差值计算可以看出，满足i＝1～7，|ui-vi|≤λ、|ui’-vi |≤λ的条件，判定可判定该截面处流体流速稳定，应该减小L进行计算。
表4
截取L4＝62.5mm处管道截面流速分布图，如图9，读取相互垂直的两直径上均匀分布的各7点上的流体流速ui、ui’，记录数据如表5，由流速差值计算可以看出，满足i＝1～7，|ui-vi|≤λ、|ui’-vi|≤λ的条件，判定可判定该截面处流体流速稳定，应继续减小L进行计算。
表5
截取L5＝56.25mm处管道截面流速分布图，如图10，读取相互垂直的两直径上均匀分布的各7点上的流体流速ui、ui’，记录数据如表6，由流速差值计算可以看出，满足i＝1～7，|ui-vi|≤λ、|ui’-vi|≤λ的条件，判定可判定该截面处流体流速稳定；计算至此，因此以L5＝56.25为该流动调整器整流效果的表征值，即Lmin1＝L5＝56.25mm。
表6
对模型II的管道流场状态进行仿真计算，获得管道流场的流速分布；采用与模型I相同的分析方法，计算得出该流动调整器整流效果的表征值Lmin2＝68.75mm。
计算结果表明，仿真结果显示流动调整器对不稳定流场起到整流作用，不同流动调整器的整流效果有所差别；根据仿真结果计算得出Lmin1＜Lmin2，判定流动调整器I的整流效果优于流动调整器II。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，其特征在于，所述方法包括：
建立涡旋发生器、流动调整器及直流管道水流模型；
根据流体密度、流体粘度参数、管道直径及流体速度计算雷诺数，获得管道不同流动状态的流速范围，并依据流动调整器需求确定设定的初始流体速度，得出流体流动状态；
根据流体流动状态，分析流体流动状态下的流速分布规律；
将水流模型进行网格划分，对划分好的网格导入CFD，设置流体材料属性、边界类型及边界条件，仿真计算获得管道内流体流场分布；
提取流体流场分布结果直管段中距离涡旋发生器出口距离为L的管道横截面上的流速分布状况，获得截面上不同点上的速度大小；
将流体流动状态下的流速分布规律与仿真结果中截取的截面上的流速分布进行比较计算，判定仿真截面上的流速分布是否处于稳定状态；
所述流体流动状态下的流速分布规律为层流、湍流两种不同流态，所述层流流态下流速呈抛物线分布，所述湍流流态下流速呈对数规律分布，获取直径上均匀分布的7点上的速度vi；
根据所述距离涡旋发生器出口距离为L的管道横截面上的流速分布状况，读取相互垂直的两直径上均匀分布的各7点上的流体流速，其中两个方向上的中间点同为截面圆心；
所述读取的横截面上相互垂直的两直径上均匀分布的各7点上的流体流速为ui，所述ui和vi对应点到管道轴线的距离相等；
所述i＝1～7，若都有|ui-vi|≤λ，其中代表流体的平均流速，判定管道截面处于流态稳定，否则，判定管道截面处流态不稳定；
计算得出距离涡旋发生器出口距离最近为L的截面，且该截面流速处于稳定状态，根据L值大小，判断流动调整器整流效果。
2.根据权利要求1所述的基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，其特征在于，所述涡旋发生器、流动调整器及直流管道水流模型是运用三维建模软件建立，所述涡旋发生器产生不稳定的旋转流动，不同流动调整器的模拟仿真采用同一个涡旋发生器，所述涡旋发生器出口至流动调整器入口距离为定值。
3.根据权利要求1所述的基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法，其特征在于，采用二分法，通过多次计算，当取长度L满足|ui-vi|≤λ，且时，D为管道直径，此时指定L为Lmin，将Lmin作为流动调整器整流作用的表征量，其中ΔL为本次计算所用L值与上次计算所用L值差的绝对值；Lmin越小，表明流动调整器整流效果越好。
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