不同孔徑橫隔板穩壓罐穩流效果模擬研究

曹慧哲， 劉子齊， 趙天利， 朱繼光

（1.哈爾濱工業大學建筑學院，哈爾濱 150006；2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150006；3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100073；4.哈爾濱計量檢定測試院,哈爾濱 150036）

0 引言

準確測量流量是能源計量過程中的重要一環，其數據準確與否直接關系到企業和用戶的現實利益，備受關注。在生產工藝過程中，流量時刻處于變化中，其測量影響因素繁多，主要有溫度、壓力、工藝過程和管路布置等。流量傳感器在設計定型、型式檢驗、出廠實驗、定期檢定等過程中均需要在流量標準裝置上進行，目前多利用穩壓罐來提供穩壓穩流的標準流量進行相關溯源。故文中對利用壓縮空氣吸收壓力脈動，并設置橫隔板板均流的穩壓罐結構的優化問題進行研究。

天津大學通過水泵變頻調速和系統恒壓節流等流量調節方式進行管路實驗，研究穩壓罐相應工況下的穩流效果，并采用純液相穩態模擬與分析了四種不同結構的橫隔板式穩壓罐內流場［1，2］。目前對穩壓罐內部流動情況的分析多集中于CFD模擬，探究不同入口速度和罐體邊界條件下蓄能式和隔板式穩壓罐純液相流場的速度及壓力分布［3］；在理論分析穩壓罐內部氣體容積和內部結構、脈動頻率等對穩壓性能的影響基礎上，變化流動和內部結構參數研究其對穩流效果的影響［4］；江蘇省計量院簡化設置了二維穩壓罐模型，在不同內部結構及流體參數進行了大量研究，對穩壓罐內部壓力場和速度場等信息進行了分析和討論［5-9］。趙天利［10］建立三維穩壓罐模型，對不同內部結構進行數值模擬，分析其湍流粘度、流量波動、速度分布等重要信息。

文中利用Fluent軟件對布置了三層橫隔板的穩壓罐進行數值模擬，主要對不同孔口直徑的穩壓罐穩流效果和速度場進行評估和優化設計，采用瞬態和穩態工況模擬，對不同方案的穩流效果進行了分析，詳細描述了內部流場的發展過程和變化規律，通過模擬為穩壓罐橫隔板孔口均流布置方案及下游管道流量傳感器安裝測試位置的選取提供基礎性參考。

1 穩壓罐瞬態模型建立與結果分析

1.1 模型建立與邊界條件

穩壓罐三維建模參數如圖1所示，穩壓罐內豎擋板及橫隔板厚度為10mm。橫隔板上均勻的孔口使得流動更加均勻，罐內上部氣空間可容納管路夾氣，并有效地吸收液體的湍動動能，緩沖液體脈動，增大穩壓效果。為深入研究橫隔板上的孔徑設置對穩流效果的影響，文中建立了四種不同橫隔板孔徑均流方案，對方案1和方案2進行瞬態模擬，詳細參數設置見表1。

圖1 橫隔板式穩壓罐結構尺寸（單位：mm）

表1 橫隔板孔徑設置方案 mm

穩壓罐內初始時刻下部為液體，上部為氣空間，液面高度設置為1650mm，進水管道和出水管道長度分別設置為5倍、20倍直管段，考慮到模擬簡化，進出水管道均設為滿管流。上游管道入口設置為脈動速度入口，流量條件為Q=500+25sin（100πt）；壓力出口為絕對壓力470721Pa；計算過程不考慮傳熱影響，將計算域內所有壁面均設為絕熱壁面。流體物性中水采用75℃的物性參數，空氣設為理想氣體。

1.2 模擬結果與分析

1.2.1 罐體內部流量波動

以流量波動系數來評估穩流效果，已知入口處流量波動系數為5%。將出口管段2倍直徑位置處設為監測面。由表2可知，經過穩壓罐后，監測面處流量波動系數陡降為0.09%和0.11%，可見上述孔口布置方案的都能夠起到均流和穩壓的作用，特別是方案1對流量和壓力波動的衰減和吸收更佳。

表2 監測面流量最值及波動系數

以方案2為例分析來流液體后穩壓罐內液面震蕩過程，從圖2中可看出來流液體后30s內穩壓罐液面的波動過程。t=0時刻，此時尚未進水，穩壓罐內上側氣相空間內充滿氣體，液面平穩。入口進水后，t=0.5s時刻，水流擠壓上側氣相空間使其體積減小，呈入口側液面升高而出口側液面降低。t=1s時刻，氣相空間體積增大，入口側液面有所下降而出口側液面明顯上升，氣液交界面中心處向下凹陷。t=1.5s時刻，氣相空間體積進一步增大，出口側液面再次下降，氣液交界面中心處存在一凹陷，但兩側趨勢均為“左高右低”。t=2s時刻，氣相空間體積再次減小，出口側液面回升，氣液交界面變化趨勢較緩，總體趨勢為“中心低，兩側波浪狀”。液體流動過程中，穩壓罐內處于動態變化過程中，內部流體震蕩幅度較大。

圖2 不同時刻的空氣體積分數

t=30s時，穩壓罐內液體逐漸趨近于準靜態，液面震蕩幅度逐漸衰減，管路中的流體進入穩壓罐后，內部液面震蕩周期約為2s，未見氣泡。從圖2模擬結果中可知，外來液體流入后沖擊穩壓罐內流體，內部液面產生震蕩，過程中水體多次擠壓氣空間，氣相空間的反復壓縮與膨脹吸收了來流液體的湍動動能，達到穩壓穩流的目的。

監測點A設置于穩壓罐軸心線距封頭頂端250mm處。由圖3可知，該點壓力在420～530kPa之間波動，隨著時間推進，穩壓罐的穩壓作用越來越明顯，氣相空間壓力波幅逐漸減小，18s后壓力波動已小于70Pa，可認為此時系統壓力趨于穩定，達到了設置穩壓罐的目的。

圖3 監測點A的壓力逐時衰減

根據湍流粘度的相關定義可知，隨著湍流粘度的增加，流動過程的湍動強度逐步增加，此時流動的穩定性越差。氣液兩相的湍流粘度有較大差別，液相湍流粘度更大。

圖4中可清晰地觀察到氣液分界面，在出口區域處，方案1湍流粘度更小，其湍動強度更小，流體擾動更小，穩流效果更好。

圖4 不同孔徑布置時罐內流動的湍流粘度

1.2.2 下游出水管道速度分布

經穩壓罐穩流后，液體流量波動大幅減小，但流量傳感器在出口管道的具體安裝位置仍需考慮。當穩壓罐內液體向罐體出水口匯聚時，由于過流斷面突然縮小，流線曲率急變，附近流場湍動劇烈，圖4的方案2中非常明顯。

由圖5、圖6可知，在1倍管徑處，出水管道水平方向（E-E ）流體流速以管道中心為軸線大體呈現出軸對稱分布規律，垂直方向（F-F ）下側區域流速更高，不具備對稱性，其原因在于流體進入出水管道時受壓差和重力驅使。顯然1倍管徑處不能作為流量測試點，在10倍管徑處，流體經長距離管段流動發展，一定程度上減輕了不對稱性，但并未完全達到均勻流。

圖5 出水管道上不同徑向截面速度分布

圖6 不同孔徑布置下出水管道縱向截面速度分布

總之，出水管道橫向截面上流速呈軸對稱分布，縱向截面上流速分布發生偏移。多數流量計應在充分發展的湍流狀態下測量，且有壓管流的流速應呈均勻流，據上述原則，穩壓罐出水管道10倍管徑以內不宜設置流量傳感器。

2 穩壓管穩態模型建立與結果分析

2.1 模型建立與邊界條件

由瞬態模擬結果可知，出水管道的流量波動系數極小，流場參數基本保持穩定，上部氣空間穩定，液面波動較小。因瞬態模擬計算時間較長，故在進行孔口設置優化設計模擬時，僅關注罐內液體的穩態流動模擬結果。文中對前文四種孔徑設置方案進行穩態計算，穩態模型中液位高度H=1790mm，不考慮氣空間，其他模型參數設置與圖1一致。穩壓罐上游設置為2.5m/s的恒定速度入口，其余參數同前。

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 穩壓罐內流量波動

監測面B為出水管道2倍管徑處的過流斷面。由圖7可知，在方案1和方案2中，由于第一層橫隔板孔徑較大且各層橫隔板孔徑不同，流過第一層橫隔板后流體未達到穩定時即進入第二層橫隔板，此時流體再次被孔口打散，隔板間隔空間上速度非常不均勻。在方案3和方案4中，由于橫隔板孔徑較小且孔口分布均勻，能夠有效的對過流斷面上的流動進行均流。上述分析充分說明，相同尺寸小孔徑的橫隔板設計方案能夠對流體有較好的均流效果，避免了橫隔板間流體相互摻混的情況。

圖7 不同孔徑布置的罐內速度場

橫隔板上的孔徑尺寸會對流體混合程度產生影響，而流體的混合程度又與流體運動軌跡、旋渦分布等相關，那么孔徑尺寸的設計就會影響到出口的液體湍流粘度。觀察圖8垂直擋板右側以及出口區域，方案1與其他方案相比湍流粘度較高，這說明方案1此處有旋渦生成，流體湍動程度顯著增強，并不利于出水管道流體的穩定。方案4中罐內的下部區域產生了旋渦區，相比之下方案4中流體湍流粘度小，湍動程度低，更趨于穩定。

圖8 不同設計方案的罐體內部湍流粘度圖

由圖9可知，湍流粘度大小順序為方案1、2、3和4，說明方案4穩壓罐湍流粘度最小，壓力脈動衰減更強，穩流效果最好，與其他方案相比，可以在距離較近、時間較短的情況下實現穩壓罐穩壓穩流的目的。

圖9 不同設計方案的出水管道湍流粘度圖

2.2.2 下游出水管道速度分布

由圖10可知，在1倍管徑處，管道過流斷面處流速分布非常不對稱性，斷面的下側區域流速高于上側區域的流速。在10倍管徑處，與1倍管徑處相比，整體速度分布情況較好，四種方案的流速分布中，上側區域流速增加較為明顯，下側區域流速普遍減小。方案4速度分布呈現出軸對稱分布趨勢，但其他方案的下側流速仍明顯高于上側流速，速度分布沒有軸對稱分布趨勢。根據下游出水管道速度分布情況可知方案4可以更快更近更好的實現穩壓穩流的目的。

圖10 不同設計方案的出水管道流速分布圖

3 結語

文中使用Fluent軟件建立三維橫隔板式穩壓罐模型，在瞬態工況下對兩相流脈動速度入口情況進行了模擬，在穩態工況下對液相恒定速度入口情況下的孔口布置方案進行優化模擬，研究結果如下：

（1） 兩相流瞬態模擬結果顯示，在5%的入口流量波動系數時，方案1和方案2的監測面B流量波動系數分別為0.09%、0.11%，說明適當減小橫隔板孔徑，可降低出口區域的湍流粘度，削弱湍流動能，強化穩流效果。

（2） 穩態模擬優化中采用恒定速度入口，對4種孔徑分布方案進行計算，分析孔徑對穩壓罐穩流效果的影響，方案4孔徑相同且最小，此時出水管道的湍流粘度最小，斷面速度分布最優，相比于其他方案效果更好。