CFD流動調整器性能評價方法研究

萬　勇，陳國宇，馮良鋒，劉桂雄，黃喬蔚

（1.廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 510170；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

CFD流動調整器性能評價方法研究

萬勇1，陳國宇2，馮良鋒1，劉桂雄2，黃喬蔚2

（1.廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 510170；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

針對當前流動調整器性能評價依賴于具體管道系統，無法及時反饋、改進調整器結構等問題，提出一種基于CFD仿真技術的流動調整器性能評價方法。首先，建立流動調整器評價方法坐標系，并求解出各采樣點坐標；然后，推導管道截面流速場充分發展性的判斷依據，進而得出流動調整器整流效果評價指標；最后，采用CFD仿真技術對柵格式流動調整器進行驗證實驗。結果表明：提出的評價方法能快速、有效地對柵格式調整器下游流場充分發展性進行評判，有助于分析不同雷諾數下調整器性能的變化規律，并驗證當5.84×106≤Re≤5.84×108，柵格式調整器下游不規則流場達到充分發展所需最少直管長度僅為不帶調整器的0.5～0.6倍，對加速流動調整器設計、推動流體能源監測具有參考價值。

流動調整器；評價方法；CFD仿真技術；流速場

0　引　言

流動調整器是加速不規則流場穩定、消除漩渦等非正常流動對流體影響的重要器件，在流體能源計量與監控、流量監測系統、流量傳感器等領域廣泛應用［1］。常見的流動調整器包括管束式、柵格式、孔板式等［2］，由于調整器的形狀結構、安裝方式直接影響調整器的工作性能，因而工程應用中的調整器經常需針對特定的場合進行設計，因此造成流動調整器結構及性能參差不齊，此外，不合理的形狀結構、不規范的安裝方式會導致調整器下游流場紊亂，達不到整流效果［3］，故如何快速、有效地對整流效果進行評價是提高調整器設計效率、保證調整器工作性能的重要保障。當前流動調整器性能的評價需將調整器安裝進管道并根據其下游流量計等器件的性能間接實現，該方法依賴于具體管道系統及流量計，操作繁瑣、成本高，既無法在設計階段及時反饋、改進調整器結構，也不能為合理選取流量傳感器安裝位置提供參考信息［4-6］。近年來，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術被廣泛應用于流量監測領域，但研究較集中在不同溫度、壓力、流量工況及彎管、閥門等擾流件影響下的流量計流場適應性分析［7-9］，或者用于研究換能器、反射板等流量計自身結構對流場的影響［10-11］，而單獨通過CFD技術實現對流動調整器性能進行評價的研究較少［12-14］。本文提出一種基于CFD仿真技術的流動調整器性能評價方法，通過CFD仿真技術實現在設計階段對流動調整器性能進行測評，并能依據仿真結構及時反饋優化調整器設計以及為流量傳感器安裝位置提供指導信息。

1　流動調整器評價方法

流動調整器整流目的是獲得與相同工況下直管道內一致的充分發展的流場，故調整器下游流場的充分發展與否直接體現了調整器性能。首先通過CAD軟件建立流域模型，并利用ICEM軟件進行網格劃分，然后根據不同實驗組的邊界條件分組對純直管、帶調整器雙扭彎管、不帶調整器雙扭彎管進行數值模擬，接著提取仿真結果中采樣點的流速，并計算采樣點流速相對誤差，進而判斷截面流場是否達到充分發展，最后得出評價流動調整器的指標。

1.1采樣點坐標建立

圖1為流動調整器評價方法坐標系，圖中O-XY面為調整器下端面，O點為截面中心。在距離O-XY面zi（zi＞0）的截面αi內建立平面隨動極坐標系，并在截面αi中取NO（αi）個φj=d（j，αi）的圓，其中0＜j≤NO（αi），0≤d（j，αi）＜Dpipe，且d（j，αi）≠d（j+1，αi），Dpipe為管道直徑。在φj=d（j，αi）的圓上均布NP（φj，αi）個采樣點，則在平面隨動極坐標系中采樣點P（k，φj，αi）的坐標為，其中在坐標系O-XYZ中采樣點P（k，φj，αi）坐標（x，y，z）為

圖1　流動調整器評價方法坐標系

在截面αi內采樣點總數為

1.2截面流速場充分發展性判斷

流動調整器下游流場是否達到充分發展，由流場內流速分布規律體現。通過將調整器下游流場與相同壓力、溫度下的純直管道內流場進行比較，可快速、有效地判斷調整器下游流場的充分發展性。

若采樣點P（k，φj，αi）流速為ν（k，φj，αi），相同工況下純直管道同一位置處的流速為ν0（k，φj，αi），則采樣點P（k，φj，αi）流速的相對誤差為

考慮到CFD仿真存在系統誤差，若截面αi內所有采樣點流速相對誤差均滿足ε（k，φj，αi）≤0.05，則可認為截面αi處流場已達到充分發展。

1.3評價指標

要體現流動調整器整流效果，需求解出調整器下游流場最快達到充分發展所需的管道長度。對截面αi、αi+1，若滿足：

則截面αi+1為流場最快達到充分發展的截面，且zi+1為調整器下游流場達到充分發展所需最少直管長度，即流動調整器整流效果評價指標，zi+1越小，表明調整器整流效果越好，流場充分發展越快；若zi+1相同時，則（k，φj，αi+1）越小，調整器性能越優。式（3）中Δz為截面距離準確度，本文取Δz=0.1mm。

2　仿真方案

2.1仿真系統結構

圖2為仿真系統結構圖。雙扭彎管與流動調整器間隔5 Dpipe，同時雙扭彎管上游設置10 Dpipe直管，流動調整器下游設置100Dpipe直管。實驗采用柵格式AMCA流動調整器，圖3為流動調整器結構形狀，其中管道直徑Dpipe=50mm，調整器長度lAMCA=0.45Dpipe= 22.5mm，柵格寬度為0.075Dpipe=3.75mm。

圖2　仿真系統結構圖

圖3　流動調整器結構形狀

2.2仿真條件

仿真實驗運行壓力P=0.6MPa，溫度T=300 K，流體介質為水，水的密度ρ水=996.799 kg/m3，動力粘度μ水=8.54×10-4kg/（m·s），入口流速νinlet∈［0.1，0.5，1，3，5，8，10］m/s，則雷諾數分別為Re∈［5.84×106，2.92×107，5.84×107，1.75×108，2.92×108，4.67×108，5.84×108］。由于Re均大于2400，故實驗采用k-ε模型。每一個Re對應一組實驗，相同的工況分別在純直管、帶調整器雙扭彎管、不帶調整器雙扭彎管進行實驗。

3　仿真結果分析

表1為仿真實驗結果，以Re為橫坐標，最小直管長度z為縱坐標，得到AMCA性能對比分析圖（見圖4）。可以看出：1）在實驗的任一Re下，帶有AMCA調整器的最小直管長度zAMCA均遠小于不帶調整器的z′，表明AMCA調整器大大加速了調整器下游流場的充分發展，體現出本文的評價方法可有效反映調整器在實驗中的整流效果；2）不管帶不帶調整器，隨著Re的增大，兩組實驗的最小直管長度z均分別呈現對數函數式增長，當Re＜2×108時，z增長速率較大，當Re＞2×108時，z增速較緩慢，這也是本文評價方法反映出的調整器性能隨雷諾數變化的規律；3）經過進一步計算發現，在雷諾數為5.84×106≤Re≤5.84×108，zAMCA基本為0.5z′～0.6z′。

表1　仿真實驗結果

圖4　AMCA性能對比分析圖

4　結束語

本文提出一種基于CFD仿真技術的流動調整器評價方法，并研究了該方法在AMCA柵格式流動調整器上的應用。仿真分析表明本文所提出評價方法能快速、有效地對柵格式調整器下游流場充分發展性進行評判，有助于分析不同雷諾數下調整器性能的變化規律，并驗證5.84×106≤Re≤5.84×108時AMCA調整器下游不規則流場達到充分發展所需最小直管長度為不帶調整器的0.5～0.6倍，為加速流動調整器設計、推動流體能源監測提供參考。

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（編輯：李剛）

Research on performance evaluation method for CFD-based flow conditioner

WAN Yong1，CHEN Guoyu2，FENG Liangfeng1，LIU Guixiong2，HUANG Qiaowei2
（1.Guangzhou Energy Inspection and Research Institute，Guangzhou 510170，China；2.School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

As evaluation of the performance of flow conditioner mostly depends on the specific pipeline system，feedback cannot be provided in a timely way for the purpose of structure design improvement.As such an CFD-based evaluation method for flow conditioner is suggested.First，the evaluation coordinates for flow conditioner is established and the coordinate values of each sampling point are solved out.Next，the basis for determining the development stage of velocity distribution of pipe cross-section is derived，by which the evaluation indexes of flow conditioner rectifier performance are obtained.At last，CFD simulation technology is applied for verifying grid format flow conditioner.The results showed that，the proposed evaluation method is effective in evaluating the grid format flow conditioner’s performance quickly，helpful to analyze the function of flow conditioner’s performance on Reynolds numbers.Where 5.84×106≤Re≤5.84×108，the required straight pipe for velocity distribution downstream a grid format flow conditioner achieving full development is only 0.5-0.6 times by those without conditioner.It is of great significance to improve the flow conditioner design and to promote fluid energy monitoring.

flowconditioner；evaluationmethod；simulationtechniqueofcomputationalfluid dynamics；velocity field

A

1674-5124（2016）06-0033-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.008

2015-11-10；

2015-12-27

廣州市質監局設備專項（2011SB028）；廣州市質監局科技計劃項目（2015KJ05）

萬勇（1975-），男，吉林德惠市人，高級工程師，主要從事流量容量計量、能源測試、節能技術研究。