CN109829210A - 一种基于cfd数值计算的s型皮托管系数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，包括被标定S型皮托管与校准风洞的三维几何模型构建和计算网格的生成、Fluent求解器求解、结果后处理及S型皮托管系数计算；本发明采用CFD数值模拟方法充分考虑了S型皮托管的加入对风洞内流场的影响，考虑了S型皮托管周围的流场复杂性，克服了原有S型皮托管实流测试投资大、效率低等缺点，精确再现了实流标定时，整体风洞内流场与S型皮托管周围流场形态，从而实现了对S型皮托管系数的准确计算，为今后S型皮托管的标定提供了一种简单高效价格低廉的方法，大大降低了新品S型皮托管的设计成本以及使用中S型皮托管系数的标定成本，具有广阔的应用前景与经济价值。

Description

一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法

技术领域

本发明涉及管道测量领域，尤指一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法。

背景技术

S型皮托管是一种典型的用于测量烟道气体流速的一类计量仪表，在固定排放源环保监测与核查领域应用广泛。S形皮托管是由两根外形及弯曲形式完全相同的空心金属管背向焊接而成，测头端分别背向两个方向开孔，面对气体来流方向的开孔称为总压孔，背对气体来流方向的开孔称为静压孔，金属管尾端与微压计相连，可以测量总压孔与静压孔之间的差压。进而通过伯努利方程，并结合皮托管系数便可以求得S型皮托管处的流速，反之可以通过校准风洞得知S型皮托管所在处的标准流速，进而由伯努利方程确定S型皮托管的系数。上述关系的数学表达式为：S型皮托管的系数准确性直接关系到由其测量的气体流速准确性，所以准确地标定S型皮托管的系数对于其准确测量及相关环保监测有重要意义。

目前S型皮托管的系数标定主要由校准风洞的实流试验完成，主要技术依据为JJG518-1998《皮托管检定规程》，由校准风洞在其试验段提供稳定流场，将S型皮托管放入风洞试验段中心位置，通过将被检S型皮托管测得流速与同位置标准皮托管测得流速比对，进而获得被检S型皮托管的标定系数，该方法步骤繁复，效率低下。

计算流体力学是随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，尤其适用于多相流及各种边界条件下的复杂流场问题的求解。可以用极低的成本完成大型复杂流体的实验仿真，且结果具有普遍性，大大降低相关工业设计制造成本。目前，尚无文献或专利披露将CFD方法应用与气体流速仪表的校准。特别是针对S型皮托管的校准。如何通过数值计算的方法，简单高效地获得S型皮托管的系数与目前实流标定方法相比具有现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的S型皮托管的系数标定主要由校准风洞的实流试验完成，该方法步骤繁复，效率低下，缺少通过数值计算，简单高效地获得S型皮托管的系数的方法，现提供一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，从而解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，包括如下具体步骤：

S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：

S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；

S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；

S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和副体积网格进行修复；

S14：整体考察多次迭代修复完成后的网格数量与网格质量，输出msh文件；

S2：利用求解器和控制方程对S1中网格进行求解，所述求解过程包括边界条件设定、求解方程设定、湍流模型设定、收敛条件设定和计算求解，该计算求解的具体步骤为：

S21：将步骤S14中生成的msh网格文件导入Fluent软件中，对网格进行检查，网格检查中不能有负体积网格、不能出现左手规则网格，检查通过后对计算域尺寸进行设置；

S22：对求解器进行设置，选择基于压力稳态的求解器，忽略重力影响，对求解模型进行设置，开启能量方程，选择湍流模型为K-e两方程湍流模型，开启增强壁面功能，对皮托管近壁面流场进行数据分析；

S23：设定计算域流体介质为空气，密度1.225kg/m³；

S24：依据实际风洞校准S型皮托管的流速要求，设置进出口边界条件，设置入口边界条件为质量流速入口，入口流速依据标定流速要求确定，依据实际几何模型尺寸设置湍流模型中进口等效水力直径，进口湍流度设置为1％，出口边界条件设置为自由流出口；

S25：设置求解方法与松弛因子，求解算法中动量向、湍流能项、湍流耗散项和能量项在一阶格式计算收敛后换成二阶格式，设定收敛条件、开启求解监视器；

S26：设定计算起始边界、初始化流场，检查算例正确后，进行迭代计算，直至满足S25 中设置的收敛条件；

S3：数值计算结果后处理与皮托管系数的计算，使用Fluent的结果报告功能及坐标图绘制和云图或等值线图绘制功能，获得总压孔正前方稳定流速值v，以及总压孔截面平均压力P1 与静压孔截面平均压力P2的值，通过公式求得S型皮托管标定系数K。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤S1中计算域网格的划分采用网格划分软件进行绘制。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤S21中若网格的扭曲率较大，则需要对该网格进行光顺化处理。

本发明所达到的有益效果是：

1.本发明通过CFD数值计算方法得到的S型皮托管标定系数，为今后S型皮托管的标定提供了一种简单高效价格低廉的方法，即可为新设计的S型皮托管几何模型提供系数参考，也可用于与使用中的S型皮托管系数实流标定结果进行对照或单独使用，大大降低了新品S型皮托管的设计成本以及使用中S型皮托管系数的标定成本，具有广阔的应用前景与经济价值。

2.本发明采用CFD数值模拟方法充分考虑了S型皮托管的加入对风洞内流场的影响，考虑了S型皮托管周围的流场复杂性，克服了原有S型皮托管实流测试投资大、效率低等缺点，精确再现了实流标定时，整体风洞内流场与S型皮托管周围流场形态，从而实现了对S型皮托管系数的准确计算。

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，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为包含有S型皮托管的校准风洞三维几何模型图；

图2为S型皮托管局部放大图；

图3为网格划分软件网格生成流程图；

图4为包含有S型皮托管的校准风洞网格(y＝0中心截面图)；

图5为局部放大的S型皮托管周围网格(y＝0中心截平面图)；

图6为Fluent数值计算流程图；

图7为包含有S型皮托管的校准风洞中心截平面速度云图；

图8速度云图S型皮托管的局部放大；

图9为包含有S型皮托管的校准风洞中心截平面速度压力云图；

图10为压力云图S型皮托管的局部放大；

图11为通过S型皮托管总压孔与静压孔中心轴线的速度变化图；

图12为Fluent中结果报告功能报告的S型皮托管总压孔与静压孔截平面的绝对压力及总压口正前方一定距离的气体流速结果。

具体实施方式

实施例：如图1-12所示，本发明提供一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，包括如下具体步骤：

S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：

S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；

S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；

S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和副体积网格进行修复；

S14：整体考察多次迭代修复完成后的网格数量与网格质量，输出msh文件；

S2：利用求解器和控制方程对S1中网格进行求解，所述求解过程包括边界条件设定、求解方程设定、湍流模型设定、收敛条件设定和计算求解，该计算求解的具体步骤为：

S21：将步骤S14中生成的msh网格文件导入Fluent软件中，对网格进行检查，网格检查中不能有负体积网格、不能出现左手规则网格，检查通过后对计算域尺寸进行设置；

S22：对求解器进行设置，选择基于压力稳态的求解器，忽略重力影响，对求解模型进行设置，开启能量方程，选择湍流模型为K-e两方程湍流模型，开启增强壁面功能，对皮托管近壁面流场进行数据分析；

S23：设定计算域流体介质为空气，密度1.225kg/m³；

S24：依据实际风洞校准S型皮托管的流速要求，设置进出口边界条件，设置入口边界条件为质量流速入口，入口流速依据标定流速要求确定，依据实际几何模型尺寸设置湍流模型中进口等效水力直径，进口湍流度设置为1％，出口边界条件设置为自由流出口；

S25：设置求解方法与松弛因子，求解算法中动量向、湍流能项、湍流耗散项和能量项在一阶格式计算收敛后换成二阶格式，设定收敛条件、开启求解监视器；

S26：设定计算起始边界、初始化流场，检查算例正确后，进行迭代计算，直至满足S25 中设置的收敛条件；

S3：数值计算结果后处理与皮托管系数的计算，使用Fluent的结果报告功能及坐标图绘制和云图或等值线图绘制功能，获得总压孔正前方稳定流速值v，以及总压孔截面平均压力P1 与静压孔截面平均压力P2的值，通过公式求得S型皮托管标定系数K。

进一步的，步骤S1中计算域网格的划分采用网格划分软件进行绘制。

进一步的，步骤S21中若网格的扭曲率较大，则需要对该网格进行光顺化处理。

工作原理：本发明中的网格划分软件泛指用于生成流力力学数值模拟计算网格的软件，主要包括GAMBIT、ICEM CFD、Pointwise等软件；扩展名为msh的网格文件，是由特定网格划分软件生成(不止一种)，可被Fluent等流体力学数值计算软件识别并应用于后续计算的网格文件格式；Fluent系列软件是一款目前世界上较为流行的CFD(ComputationalFluid Dynamic) 计算流体力学的应用软件，通过求解流动方程，可求解流动、传热、燃烧、相变等物理现象，计算结果可以显示流场中各项参数的详细信息。

本发明主要包含三个步骤，即被标定S型皮托管与校准风洞(皮托管位于风洞之内)的三维几何模型构建和计算网格的生成、Fluent求解器求解、结果后处理及S型皮托管系数计算。在三维几何构建阶段，主要依据实际标定用校准风洞以及被标定S型皮托管的几何尺寸和几何形式使用三维建模软件复现他们的三维几何形式。在复现过程中需要注意S型皮托管的三维几何模型与被标定的S型皮托管的实际几何形式必须完全一致，这可能需要对S型皮托管各部分长度尺寸、开孔截面直径、倒角、转角等进行精确测量。最终得到可以被网格划分软件识别的几何文件。计算网格的生成主要基于网格划分软件完成，主要可分为三个子阶段，分别是三维几何模型的修复、计算域定义以及网格参数的设置。上一阶段生成的几何文件导入网格划分软件后，可能出现几何模型表面有孔洞、几何模型不同部分之间交界面重复定义、几何模型线条缺失等问题，所以需要先应用软件中的几何功能对导入的三维几何模型进行修复。得到完整的几何模型，由于模型中每一部分的网格疏密程度、边界层要求都不尽相同，所以还需要对几何模型进行划分、最终确定几何模型的计算域。网格参数的设置主要是指依据几何模型实际尺寸和计算精度确定网格的最大尺寸、依据对流场复现细致性的要求程度在满足整体计算域最大网格尺寸条件下，确定各部分网格最大尺寸。依据不同面的边界层流场复现要求，确定边界层参数，上述参数确定后，软件自动计算，生成非结构化网格，网格生成后还要进行网格质量检查与提高，最终生成可用于求解器计算的msh网格文件。Fluent求解器求解又可分为三个子阶段，即网格msh文件的检查与修复、求解器设置及边界条件设定、算例的初始化及迭代计算。将上一步骤中生成的msh文件导入Fluent求解器后，首先需要检查网格是否有错误，即不能存在负体积网格、左手定则网格、重复定义的面及孔洞等情况。如果检查不通过，可以使用软件进行自动修复及网格质量提高，如多次修复仍存在网格错误，则需要回到上一步骤重新生成网格。检查通过后进行整体几何模型尺寸设定。求解器设置及边界条件设定主要是依据实际标定情况确定求解方程、湍流模型和进出口边界条件等。算例的初始化及迭代计算是指Fluent 求解器需要依据边界条件对上述算例进行初始化，初始化并检查算例无误后，即可设定收敛条件，进行迭代计算。需要依据实际情况科学的设定收敛条件，以方便算例尽快收敛并取得较好的计算准确度。结果后处理及S型皮托管系数计算阶段就是使用Fluent提供的结果处理工具获得风洞及S型皮托管流场速度云图等值线图、压力云图等值线图、总压孔静压口中心轴线流速、总压孔静压口截平面绝对压力等参数信息或图像信息，进而计算得到被标定S型皮托管的 K系数。

具体的：以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明：

参见图1和图2，本发明以国内开环校准风洞和使用中的S型皮托管为例进行三维几何模型构建。S型皮托管的总压口与静压口截面为圆形，开口直径5mm，圆心距14mm，外套支杆直径35mm，外套支杆长度等于风洞试验段半径。所用的校准风洞进口直径1120mm，进口截面为矩形，收缩段长度1400mm，收缩段出口即试验段截面直径350mm，试验段截面为矩形。试验段长度975mm，扩散段长度4200mm。将S型皮托管置于距风洞进口2000mm的位置，该处位于试验段流场核心区，速度梯度小、湍流度小、流速稳定。本发明通过三维建模软件建立了上述S 型皮托管与风洞的三维几何模型。

参见图3、图4、图5，本发明对上述包含有S型皮托管的校准风洞三维模型进行了网格划分。由于S型皮托管三维几何模型复杂，为保证体网格与实际S型皮托管的一致性，并且降低网格生成难度提高网格生成效率，本发明在整个计算域内采用非结构化网格。此外为确保计算后S型皮托管总压孔静压口测头处流场分布与实流标定时流场分布的一致性，对此处的网格进行了加密，并且增加皮托管测头处边界层网格的层数并降低了初始层高。通过上述措施，总压孔与静压孔附近流场得到了较好的复现，为准确计算S型皮托管系数，提供了保障。使用网格划分软件进行网格划分主要分为以下步骤：包含有S型皮托管的校准风洞的三维几何模型导入。对导入的几何模型进行几何修复。修复完成后定义几何模型的进气口与出气口，定义其他相关面。计算域的创建与划分。计算域网格参数与边界层网格参数设置，最后在计算域内生成网格。对上述生成的网格进行质量和错误检查，在没有错误的前提下，尽可能通过迭代修复的方式提高网格质量，最终输出可以用于Fluent计算的msh网格文件。

参见图6，图6是Fluent数值计算的流程框图，msh网格文件导入Fluent软件后，进入数值求解求解阶段，需要通过Fluent软件进行如下设置：

1)读取并检查msh网格，显示网格节点数目、网格构成及网格单元个数、确定网格最小体积値。检查网格质量确定没有负网格、左手定则网格以及未封闭的面存在。若网格质量较差，即最小网格单元体积低于0.01，则进行网格质量自动优化，尽可能提高网格质量。

2)由于本数值模拟的流动，属于低速不可压缩流动范畴，所以设置求解器为基于压力稳态的求解器，在气体介质时，通常忽略重力影响。

3)进行求解模型设置，考虑热交换，开启能量方程，在湍流模型选择中，考虑近壁面边界层影响，模拟管道流动，选择增强壁面的k-e两方程湍流模型。

4)设置计算域介质及进出口边界条件，选择空气为计算域单一介质。风洞进口选择为质量流量入口，有助于入口流场的均匀分布。依据实际校准风洞条件与校准流量点(本算例S 型皮托管处流速约为20m/s)设置进口风速为3.00125kg/s,介质流向沿管道轴向，设置湍流条件为入口等效水力直径1120mm，入口湍流强度为1％。设置出口边界条件为自由流出口。

5)求解方法与求解控制参数设置。设置速度与压力耦合算法为SIMPLE算法；梯度差分方法为least Squares cell based方法；压力差分方法为Standard方法；动量项、湍动能项、湍流耗散项、能量项等先采用一阶格式，计算收敛后换成二阶格式。在一般情况下，求解控制参数按默认设置即可，当一次计算不收敛时，可适当先调小松弛因子，收敛后逐步增大至默认值。

6)初始化流场及迭代计算。上述参数设置完成后，对流场进行初始化，本算例选择从风洞入口计算初值，参考坐标系选择相对临近网格区域，初始化完成后进行模型收敛条件设置以及相关监视器设置。最后对算例进行检查，无误后，设置迭代步数10000，开始进行计算。针对本算例，计算于2000步左右收敛。保存计算结果。

7)使用Fluent自带后处理功能或其他后处理软件，获得中心截平面速度等值线和压力等值线图，或其他位置、其他参数等值线图、向量图、流场迹线等，观察与分析风洞试验段核心区流场、近壁面流场及皮托管周围和皮托管内流场分布。使用Fluent自带结果报告功能，获得S型皮托管系数计算所需要的相关参数：S型皮托管总压孔正前方稳定流场处流速值、S型皮托管总压孔与静压孔绝对压力值，使用伯努利方程对S型皮托管系数进行计算。

图7和图8是包含S型皮托管的校准风洞的中心平面(y＝0)的速度矢量图和绝对压力矢量图，图9和图10是S型皮托管流场的局部放大图。图11是通过S型皮托管总压孔与静压口中心轴线的速度变化图。从上述结果可以看出校准风洞的试验段为S型皮托管的系数标定提供了稳定的流场，S型皮托管的存在对风洞原有的流动产生了影响，可以从图11，清晰地看出在空气进入皮托管总压孔处流速有较大的下降直至为0，从静压口流出后，流速迅速爬升至稳定值，但比总压口处流速略小。

参见图12，定义相关面与节点，通过结果报告中面积分功能，获得S型皮托管系数标定过程中的相关参数值。本算例中定义了总压孔前50mm(图11中，中心轴线流速开始下降处) 的点为point21，通过计算得出point21处的流速值为19.161179m/s。定义总压孔与静压孔处的面分别为totalsurface与staticsurface，通过计算得出totalsurface与staticsurface 的绝对压力分别为-9.2322407Pa与-321.30508Pa(初始化操作压力为101325Pa)。最后将上述数据带入公式(空气密度ρ＝1.225kg/m³)，算得被标定的S型皮托管标定系数K＝0.8489。使用JJG518-1998中S型皮托管系数的标定方法，对数值计算中S型皮托管三维模型对应的实际皮托管进行标定，得到在流速19.59m/s时，该S型皮托管系数为 K＝0.8441。数值仿真结果与实际标定结果偏差-0.56％，在实际测量使用的可接受范围之内。

本发明旨在通过CFD数值计算的方法对环保监测中常用的S型皮托管流速计进行系数标定，并展示S型皮托管放入校准风洞后对流场的影响以及S型皮托管周围局部流场分布的细致特征，为S型皮托管的设计生产和使用提供良好的技术参考。本发明提出的数值计算方法标定 S型皮托管系数，可以大大降低传统标定方法的成本，为S型皮托管设计初期需要进行的高成本实流标定试验提供了高效便捷的替代方案。为此本发明采用的技术方法是基于CFD的S型皮托管系数标定方法，该标定方法由三部分构成：数值求解几何模型的建立与计算域网格划分； Fluent求解器参数设置、初始化及迭代计算；流场仿真结果分析及皮托管系数计算。本发明主要应用于S型皮托管系数的标定及S型皮托管的工业设计改进。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：

S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；

S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；

S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和负体积网格进行修复；

S14：整体考察多次迭代修复完成后的网格数量与网格质量，输出msh文件；

S2：利用求解器和控制方程对S1中网格进行求解，所述求解过程包括边界条件设定、求解方程设定、湍流模型设定、收敛条件设定和计算求解，该计算求解的具体步骤为：

S21：将步骤S14中生成的msh网格文件导入Fluent软件中，对网格进行检查，网格检查中不能有负体积网格、不能出现左手规则网格，检查通过后对计算域尺寸进行设置；

S22：对求解器进行设置，选择基于压力稳态的求解器，忽略重力影响，对求解模型进行设置，开启能量方程，选择湍流模型为K-e两方程湍流模型，开启增强壁面功能，对皮托管近壁面流场进行数据分析；

S23：设定计算域流体介质为空气，密度1.225kg/m³；

S24：依据实际风洞校准S型皮托管的流速要求，设置进出口边界条件，设置入口边界条件为质量流速入口，入口流速依据标定流速要求确定，依据实际几何模型尺寸设置湍流模型中进口等效水力直径，进口湍流度设置为1％，出口边界条件设置为自由流出口；

S25：设置求解方法与松弛因子，求解算法中动量向、湍流能项、湍流耗散项和能量项在一阶格式计算收敛后换成二阶格式，设定收敛条件、开启求解监视器；

S26：设定计算起始边界、初始化流场，检查算例正确后，进行迭代计算，直至满足S25中设置的收敛条件；

S3：数值计算结果后处理与皮托管系数的计算，使用Fluent的结果报告功能及坐标图绘制和云图或等值线图绘制功能，获得总压孔正前方稳定流速值v，以及总压孔截面平均压力P1与静压孔截面平均压力P2的值，通过公式求得S型皮托管标定系数K。

2.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，其特征在于，步骤S1中计算域网格的划分采用网格划分软件进行绘制。

3.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，其特征在于，步骤S21中若网格的扭曲率较大，则需要对该网格进行光顺化处理。