旋进旋涡流量计气固两相流数值模拟与实验研究

谭文熬， 崔宝玲， 张玉良， 陈德胜

（1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018；2.衢州学院机械工程学院，浙江 衢州 324000）

0 引言

旋进旋涡流量计是气体流量测量最常见的测量仪表之一，从20世纪到现在有很多的中外学者对其进行了理论与实验研究[1-2]，经过不断地改进换代，使其测量性能逐步得到改善。20世纪70年代，面对高压气体测量的需求，H.Dijstelbergen等[3]对旋进旋涡流量计外特性做了大量的实验与数值模拟研究,指出流量计受流体介质黏度与密度的影响较小。李德挑等[4]利用高速摄影方法对流量计管道内部流体运动规律进行了分析，指明了流量计的内部工作机理与运动规律。彭杰刚等[5]通过对旋进旋涡流量计的数值模拟计算与实验研究，指出流体脉动与传感器的安装位置会对旋进旋涡流量计测量性能产生很大影响。苏中地等[6]利用CFD方法对50 mm口径旋进旋涡流量计进行数值模拟分析，指出在起旋器前面加导流片能有效地减少旋进旋涡流量计的压力损失。殷兴景等[7]利用CFD与实验验证相结合的方法，验证了在起旋器前面加导流片能使流量计前后压差减小。陈坤等[8]利用计算流体力学与实验验证相结合的方法，指出改变起旋器后锥角大小会对流量计的测量性能产生较大影响。

多相流广泛地存在各大工业领域与自然界，而气固两相流动是其中重要的组成部分，有很多的中外学者对气固两相流现象进行了大量的研究[9]。林金贤等[10]利用数值模拟的方法，分析了弯管内的气固两相流现象，指出了颗粒大小与颗粒浓度对固体颗粒在弯管内分布及单位管长压力损失的影响。杨钰辰等[11]利用CFD方法对电除尘器进行数值模拟研究，比较全面地分析了气固两相流动对电除尘器效率的影响。蒋梦婷等[12]利用数值模拟计算与实验验证的方法对旋风分离器内部流动及颗粒运动特性进行了研究，并分析了颗粒的受力情况对旋风分离器性能的影响。

综上所述，在国内外有很多学者对气固两相流动进行了大量的研究[13-14]，这些研究中很多都是利用计算流体动力学方法，有的只是单纯的数值模拟计算研究，有的是数值模拟计算与实验相结合的方法[15]。其中气固两相流动的分析在水平管道与竖直管道的研究分析最为广泛，但是到目前为止在旋进旋涡流量计内的气固两相流分析较少，本文研究的内容是对旋进旋涡流量计流道内的气固两相流动进行了比较全面的分析,深入揭示内部流动特性，获得颗粒浓度影响下的流量计特性。

1 数学模型与计算方法

1.1 物理模型

本次研究的对象是口径为50 mm的旋进旋涡流量计，流道的二维几何模型以及消旋器的二维图如图1所示；起旋器、消旋器以及全流域几何三维模型如图2所示。

1.2 网格划分

图1 流体区域二维图

图2 模型三维图

本文利用ICEM软件对流量计模型进行网格划分，入口延伸段、收缩段、喉部及出口延伸段采用结构网格划分，由于起旋器部分结构比较复杂，故采用非结构网格划分，如图3所示。各部分网格数与节点数分别为：入口延伸段45 623、128 600，起旋器部分297 244、74 898，喉部74 377、186 428，出口延伸段384 903、1 029 028。

1.3 计算方法

进口边界条件选择速度进口（velocity），出口边界条件设为压力出口，其值设为1个标准大气压；壁面边界条件采用无滑移边界条件，在流量计管道近壁面处采用标准壁面函数。本次计算采用的是欧拉-欧拉方法，选取RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法相结合的计算方法。计算中的湍流模型采用默认的混合湍流模型，该模型中的常数项均采用默认的数值。在计算方法中各动量参数与体积分数计算均采用一阶迎风格式。

图3 网格划分

2 数值模拟计算

2.1 流量计标定

本次研究的对象是50 mm口径的旋进旋涡流量计，为了确保模型的可行性，用音速喷嘴装置对其进行了标定，标定的实验结果与模拟结果如图4所示。

流量计对流量Q=10 m3/h、Q=22.5 m3/h、Q=37.5 m3/h、Q=60 m3/h、Q=105 m3/h、Q=150 m3/h六个工况点进行了标定实验，实验结果与数值模拟结果如图4所示。由图4可以看出，在误差允许范围内，模拟结果与实验结果是吻合的，说明本次模拟采用的模型是正确的。

图4 标定结果

2.2 气体单相的数值模拟

本次模拟对工况点Q=60 m3/h、Q=45 m3/h、Q=37.5 m3/h进行了数值模拟，模拟采用RNG k-ε湍流模型与SIPPLEC算法相结合的数值计算方法，监测点P点的压力脉动如图5所示。

图5 P点压力脉动

在Q=60 m3/h时，流量计横截面与监测点截面一个周期的压力云图如图6、图7所示。

由图5可以看出随着工况点的增大流量计产生的压力脉动频率增大，流量越大，气体的速度就越大，在监测点的压力值就越大。从流体压力云图6、图7可以看出，流量计涡核的压力是最小的，沿着壁面逐渐增加。横截面在t=0.05 s时的速度云图如图8所示。

图6 横截面压力云图

图7 P点截面压力云图

图8 一个周期内速度云图（m/s）

图9 一个周期内流线图

2.3 气固两相数值模拟

本次模拟计算的固相为玻璃粉，平均粒径d=0.104 mm，密度ρ2=2600 kg/m3，固气质量比浓度为C=0.21、C=0.42、C=0.63、C=0.84四种。当Q=60 m3/h时，监测点的压力脉动如图10所示。

图10 Q=60 m3/h时P点气体压力脉动

由图10可以看出，在4种固气质量比浓度点下，监测点P点的气体压力基本一样，但气流产生旋进脉动频率却有变化，旋涡流进动频率随着浓度的增加其频率逐渐减小，如图11（a）所示。

当Q=37.5 m3/h跟Q=45 m3/h时，在4种固气质量比浓度下载监测点P点的气体压力脉动频率跟在Q=60 m3/h时的变化规律基本一致，气流产生的旋涡流进动频率变化情况如图11（b）、图11（c）所示。

由图11可以看出，随着固气质量比浓度的增加，在监测点P点的脉动频率呈线性下降的趋势，当C=0时（即气体单相时），此时测量的是旋进旋涡流量计的气体单相流量，气流的脉动频率最高。

当Q=60 m3/h时，固气体积比C=0.01时流量计横截面与监测点截面在一个周期内的压力云图如图12、图13所示。

图11 各工况点频率变化图

图12 横截面压力云图（Pa）

当Q=60 m3/h时，监测点P点在t=0.035 64 s时刻截面气体单相模拟与气固两相模拟的气相压力云图如图14所示，由于固体颗粒对流量计管道壁有碰撞作用，气固两相流对监测点的压力要大一些。由云图可知，在旋进旋涡流量计的喉部与扩张段的管道中心气固两相气流的压力要比气体单相的压力整体偏大，气流的低压区要比气体单项时更多，气流的压力梯度更为复杂。

当Q=60 m3/h，固气体积比C=0.01时在一个周期内气体在旋进旋涡流量计流道内的体积分布与监测点横截面的体积分布情况如图15、图16所示。

图13 P点截面压力云图

图14 t=0.035 64 s时刻P点截面的压力云图（Pa）

图15 横截面气相体积分布图

图16 P点截面气相体积分布云图

由图15、图16可知，气体的体积分布跟气体的流动规律一样，在流量计收缩段与喉部的旋涡流旋涡中心分布最高。固体颗粒由于与流量计流道壁面以及起旋器壁面之间相互力的作用，有很大一部分固体颗粒分布在流量计流道壁面与起旋器壁面。

3 实验研究

为了与数值模拟计算进行对比分析，本文对流量计进行了气固两相实验，本次是在一个气力输送的管网系统中进行的，固体颗粒为玻璃粉。数值模拟与实验结果对比分析结果如图17所示。

由图17可知，随着颗粒浓度的增大，颗粒对实验结果的影响越大，数值模拟结果与实验结果之间的差值有增大的趋势，但在误差允许范围内，数值模拟结果与实验结果是相符合的。

4 结 论

1）随着颗粒浓度的增加，旋进旋涡流量计各工况点在监测点P点的压力脉动频率呈现线性下降的趋势。当固气质量比浓度C=0时（气体单相时）气流的脉动频率值最大。

2）当气流流入旋进旋涡流量计的收缩段时，气流流速会增大，并形成旋涡流，经过扩展段时气流流速会急剧减小，旋涡流涡核绕着流量计轴线做顺时针运动，此时旋涡流的流动最为复杂，当流过消旋器后，旋涡流的流动逐渐平稳，旋涡逐渐消失，最后气流平稳地流过流量计出口。

图17 模拟与实验结果对比图

3）流量计的气固两相流动中，气体的体积分布与气流的流动规律一致，在收缩段与喉部主要分布在旋涡中心，有很大一部分固体颗粒分布在流量计流道壁面以及起旋器壁面。

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