CN104573365A - 一种流动调整器性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流动调整器性能评估方法，该方法基于CFD仿真技术，包括根据管道结构参数、运行参数和流体物性参数确定CFD仿真边界条件并进行流动调整器仿真试验；仿真完成后，在流动调整器下游流场的不同位置处取采样点，获得各采样点处流速值；根据流动调整器仿真试验中管道结构参数、运行参数和流体物性参数，采用流速计算理论公式或进行纯直管道仿真试验方法，得到与流动调整器试验采样点对应位置处的流速值；根据流动调整器整流目的，建立流动调整器性能评估模型；根据建立的流动调整器性能评估模型，利用离散处理方法进行简化实现，结合各采样点流速值，对流动调整器性能评价指标进行计算。

Description

一种流动调整器性能评估方法

技术领域

本发明涉及流动调整器性能评估方法，尤其涉及基于CFD仿真技术的流动调整器性能评估方法。

背景技术

针对资源节约与提高能源利用率，国家“十二五规划”提出加强国家发展过程节能减排，推动建设资源节约型社会的总体发展目标。流量作为工业自动化领域三大测量参数(流量、压力、温度)之一，广泛涉及冶金、化工、石油天然气、居民生活等应用领域。流量的准确测量直接关系节能减排的力度与过程控制的精度，对国民生产、生活质量提高具有重要意义。。

流量测量主要依靠流量计实现。由于流量计性能容易受到上游阀门、变截面管、弯管等扰流件影响，流量计安装时基本都要求上游存在足够长直管段，使得到达流量计处的流场可得到充分发展，如美国A.G.A Report No.9指出当不对称流存在时，流量计上游至少需要50D_pipe直管段长度，而要完全消除不规则流动对测量的影响则需200D_pipe直管道。但实际管道布置场合空间、系统成本等往往不允许配置如此长的直管，故直管长度不足势必会导致测量区域流场无法得到充分发展，影响流量计测量精度。解决直管段长度不足问题的有效办法之一是在流量计上游加装流动调整器。

目前，流动调整器类型五花八门，常见类型包括：管束式、孔板式、网状式等，特殊场合还存在专门设计的特殊流动调整器。当前流动调整器性能的评价方法还比较少，不同类型流动调整器间整流性能也缺乏能够相互比较的评价指标。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种流动调整器性能通用评估方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种流动调整器性能评估方法，包括：

A根据管道结构参数、运行参数和流体物性参数确定CFD仿真边界条件并进行仿真试验；仿真完成后，在流动调整器下游流场的不同位置处取采样点，获得各采样点处流速值；

B根据流动调整器仿真试验中管道结构参数、运行参数和流体物性参数，采用流速计算理论公式或进行纯直管道仿真试验方法，得到与流动调整器试验采样点对应位置处的流速值；

C根据流动调整器整流目的，建立流动调整器性能评估模型；

D根据建立的流动调整器性能评估模型，利用离散处理方法进行简化实现，并结合各采样点流速值，对流动调整器性能评价指标进行计算。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明有利于实现对各种类型的流动调整器性能进行评估，评估模型利用离散处理方法得到简化实现，相比已有评估方法，从流动调整器整流本质出发，适用于所有类型的流动调整器。本方法具有评估精度高、适应性强特点，可广泛应用于各类型的流动调整器性能评估中。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，不构成对本发明限制。在附图中：

图1是基于CFD仿真技术的流动调整器通用性能评估方法流程图；

图2是流动调整器仿真实验系统结构示意图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是根据本发明实施例的流动调整器性能评估方法流程图，下面参考图1，详细说明本发明实施例的流程。

如图1所示，本发明的基于CFD仿真技术的流动调整器性能评估方法流程包括以下步骤：

步骤10根据管道结构参数、运行参数和流体物性参数确定CFD仿真边界条件并进行流动调整器仿真试验；仿真完成后，在流动调整器下游流场的不同位置处取采样点，获得各采样点处流速值；

步骤20根据流动调整器仿真试验中管道结构参数、运行参数和流体物性参数，采用流速计算理论公式或进行纯直管道仿真试验方法，得到与流动调整器试验采样点对应位置处的流速值；

步骤30根据流动调整器整流目的，建立流动调整器性能评估模型；

步骤40根据建立的流动调整器性能评估模型，利用离散处理方法进行简化实现，并结合各采样点流速值，对流动调整器性能进行计算。

上述步骤10具体包括：根据管道结构参数(管道直径D_pipe、管道长度)、运行参数(入口流量Q_f、运行压力p_o)和流体物性参数(流体温度T_f、密度ρ_f、动力粘度μ_f)，确定CFD仿真边界条件(雷诺数Re、湍流强度I、仿真模型等)，并进行仿真实验。以流动调整器下端面所在管道截面为XY面，截面中心为原点O，管道轴线为Z轴，Z轴正方向顺着流体运动方向，建立笛卡尔坐标系和柱面坐标系(见图2)。利用CFD仿真软件，得到流动调整器下游流场中任意点P_c(r,θ,z)处速度为

所述步骤20具体包括：根据步骤10中得到的流体物性参数、雷诺数Re等，确定充分发展流场点P₀(r,θ,z)处流速计算理论公式：

⑴层流(Re≤2100):

$v_0=\frac{1}{4\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{1}{4}{D}_{\mathrm{pipe}}^2-r^2)$

式中，μ为流体动力粘度，p为管内压力，D_pipe为管道直径。

⑵过渡流(2100＜Re≤4000):

过渡流流速分布规律可采用湍流流速分布公式。

⑶湍流(Re＞4000)：

湍流流动分为三层：粘性底层、过渡层、湍流核心区。

①粘性底层：

粘性底层厚度δ比较薄，且随着雷诺数增加而减小。

$\mathrm{\δ}=\frac{32.8D_{\mathrm{pipe}}}{\mathrm{Re}\sqrt{\mathrm{\λ}}}$

式中，D_pipe为管道直径，λ为沿层损失系数，仅与雷诺数有关，特别地，对层流λ＝64/Re。

在粘性底层中，由于厚度δ很薄，因此可认为是层流流动。

$\frac{v}{v_{*}}=\frac{v_{*}}{\mathrm{\υ}}(\frac{D_{\mathrm{pipe}}}{2}-r)$

式中，为摩擦速度，τ₀为壁面切应力，ρ为流体密度，υ为流体运动粘度。

②过渡区：

在过渡区内，由于粘性应力与湍流切应力具有相同的数量级，因此难以进行理论分析。其速度分布要用实验来确定。工程中常将过渡区按湍流流动的速度分布规律来确定。

③湍流核心区：

$\frac{v}{v_{*}}=\frac{1}{k}\ln \left(\frac{v_{*}}{\mathrm{\υ}}y\right)+C$

式中，k、C为常数。对光滑直圆管，k＝0.4，C＝5.5。

由此得到得到与流动调整器试验采样点对应位置处的流速值。或者采用流动调整器仿真试验中管道结构参数、运行参数和流体物性参数，进行纯直管道仿真试验方法，再通过CFD仿真软件得到与流动调整器试验采样点对应位置处的流速值。

利用流速计算理论公式法计算充分发展圆直管道流场流速，工作量较小，计算过程较细致；而采样相同仿真条件的纯直管道试验方法得到充分发展流场中流速值，与流动调整器仿真试验情况更为贴切。

所述步骤30具体包括：根据流动调整器整流目的是为使流动调整器下游流场得到充分发展，即同一雷诺数下，流动调整器下游流场与充分发展流场相似性越好，流动调整器性能越好。

对流动调整器下游整个流场中各点流速与充分发展流场对应位置处点流速间差异进行加权积分，得到流动调整器性能通用评价模型：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}={\∫}_0^{+\∞}{\∫}_0^{0.5D_{\mathrm{pipe}}}\sqrt{{\left(\mathrm{Pr}{j}_x{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2+{\left(\mathrm{Pr}{j}_y{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2}\mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right){\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{z}^n|\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c-\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_0|\mathrm{d\θdrdz}\\ \mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)=\sqrt{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{(\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ})}^2\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\mathrm{d\θ}}\\ \mathrm{\μ}=\∫\mathrm{\θPr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\mathrm{d\θ}\end{array}\right.$

式中，和分别为在X、Y、Z轴投影大小，n为常数，且n>0。

所述步骤40具体包括：在上述评价模型中，充分发展流场流速分布一般可以直接利用经验公式得到，而流动调整器下游流场流速分布难以利用数学公式描述，故需对上述评价模型进行离散处理，得到离散后的评价模型：

$\mathrm{\Ψ}=\underset{k=1}{\overset{N_z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}\left\{z_k^n\right|\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c-\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{z}}_0|\sqrt{{\left(\mathrm{Pr}{j}_x{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2+{\left(\mathrm{Pr}{j}_y{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2}\mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)\}$

$\mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)=\sqrt{\frac{1}{N_{\mathrm{\θ}}-1}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c-\mathrm{\μ})}^2}$

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N_{\mathrm{\θ}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)$

式中，N_z表示对流动调整器下游流场采样的管道截面数，N_r表示在某一截面内采样点所在圆的半径数目，N_θ表示在某一截面、半径内采样点对应的角度数目，总的采样点数为N_sum＝N_rN_θN_z。

对离散型评价模型， $\mathrm{Pr}{j}_x{\stackrel{\→}{v}}_c=v_{\mathrm{cx}},\mathrm{Pr}{j}_y{\stackrel{\→}{v}}_c=v_{\mathrm{cy}},\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c=v_{\mathrm{cz}},$ 可直接从CFD仿真软件中读取采样点流速在各坐标轴投影值。

利用上述得到的任意采样点处流速，通过离散型评价模型便可求解得到流动调整器性能指标。其中，相同采样条件下，Ψ越小，表明流动调整器整流效果越好；反之，流动调整器性能越差。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种流动调整器性能评估方法，其特征在于，所述方法基于CFD仿真技术，所述方法包括：

A根据管道结构参数、运行参数和流体物性参数确定CFD仿真边界条件并进行流动调整器仿真试验，仿真完成后，在流动调整器下游流场的不同位置处取采样点，获得各采样点处流速值；

B根据流动调整器仿真试验中管道结构参数、运行参数和流体物性参数，采用流速计算理论公式或进行纯直管道仿真试验方法，得到与流动调整器试验采样点对应位置处的流速值；

C根据流动调整器整流目的，建立流动调整器性能评估模型；

D根据建立的流动调整器性能评估模型，利用离散处理方法进行简化实现，并结合各采样点流速值，对流动调整器性能评价指标进行计算。

2.根据权利要求1所述的流动调整器性能评估方法，其特征在于，

所述管道结构参数包括管道直径D_pipe和管道长度；

所述运行参数包括入口流量Q_f和运行压力p_o；

所述流体物性参数包括流体温度T_f、密度ρ_f和动力粘度μ_f；

所述CFD仿真边界条件包括雷诺数Re、湍流强度I和仿真模型。

3.根据权利要求1所述的流动调整器性能评估方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：根据管道结构参数、运行参数和流体物性参数确定CFD仿真边界条件，并进行仿真实验，以流动调整器下端面所在管道截面为XY面，截面中心为原点O，管道轴线为Z轴，Z轴正方向顺着流体运动方向，建立笛卡尔坐标系和柱面坐标系，利用CFD仿真软件，得到流动调整器下游流场中任意点P_c(r,θ,z)处速度为

4.根据权利要求1所述的流动调整器性能评估方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：对流动调整器下游整个流场中各点流速与充分发展流场对应位置点处流速间差异进行加权积分，得到流动调整器性能通用评价模型：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}={\∫}_0^{+\∞}{\∫}_0^{0.5D_{\mathrm{pipe}}\sqrt{{\left(\mathrm{Pr}{j}_x{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2+{\left(\mathrm{Pr}{j}_y{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2}\mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right){\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{z}^n|\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c-\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_0|\mathrm{d\θdrdz}}\\ \mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)=\sqrt{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{(\mathrm{\θ}-\mathrm{\μ})}^2\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\mathrm{d\θ}}\\ \mathrm{\μ}=\mathrm{\θPr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\mathrm{d\θ}\end{array}$

式中， 和分别为在X、Y、Z轴投影大小。

5.根据权利要求4所述的流动调整器性能评估方法，其特征在于，对所述评价模型进行离散处理，得到离散后的评价模型：

$\mathrm{\Ψ}=\underset{k=1}{\overset{N_z}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}\left\{z_k^n\right|\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c-\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_0|\sqrt{{\left(\mathrm{Pr}{j}_x{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2+{\left(\mathrm{Pr}{j}_y{\stackrel{\→}{v}}_c\right)}^2}\mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)$

$\mathrm{std}.\mathrm{dev}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)=\sqrt{\frac{1}{N_{\mathrm{\θ}}-1}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c-\mathrm{\μ})}^2}$

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N_{\mathrm{\θ}}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}\left(\mathrm{Pr}{j}_z{\stackrel{\→}{v}}_c\right)$

式中，N_z表示对流动调整器下游流场采样的管道截面数，N_r表示在某一截面内采样点所在圆的半径数目，N_θ表示在某一截面、半径内采样点对应角度数目，总的采样点数为N_sum＝N_rN_θN_z。