[導(dǎo)讀] 采用RSM雷諾應(yīng)力湍流模型，應(yīng)用SIMPLE算法，數(shù)值模擬了入口馬赫為0.105 時的文丘里管流場結(jié)構(gòu)。
文丘里管流量計以其結(jié)構(gòu)簡單、適用工況范圍廣、易于實時監(jiān)控等優(yōu)點在諸如煤氣、電力、水泥等眾多能源動力工業(yè)領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，隨著工業(yè)信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對其測量精度、實時監(jiān)控等性能提出了越來越高的要求，許多單位和學(xué)者對其進行了深入的研究。就目前研究現(xiàn)狀而言還主要停留在針對某一具體的流量計通過試驗及經(jīng)驗公式標(biāo)定其流量修正系數(shù)的水平上，對文丘里管的流場缺乏全面的研究，尤其是采用數(shù)值模擬手段來研究其流場的還很少見到；另一方面，通過試驗得到的流量修正系數(shù)又會因為流量計的實際工作的工況條件同試驗室測試的工況條件存在較大的差別而同實際工況的流量修正系數(shù)存在一定的誤差，從而造成測量精度的下降。數(shù)值模擬技術(shù)以其高效、低成本、能適應(yīng)多種可變因素等優(yōu)勢在越來越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用，并得到了實踐的證實。水泥燒成系統(tǒng)的工況流場由于高溫、化學(xué)反應(yīng)、外形龐大等多種可變因素的原因使其很難完全通過試驗來研究其流場結(jié)構(gòu)，但采用數(shù)值模擬手段可以較為容易克服這些因素，實現(xiàn)對文丘里管流量計的流場的研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于中材建設(shè)有限公司的國外工程項目中。
1 數(shù)學(xué)模型及算法
根據(jù)工程應(yīng)用中提供的二次風(fēng)管的文丘里管、三次風(fēng)管的文丘里管（以下簡稱風(fēng)管二、風(fēng)管三）結(jié)構(gòu)圖紙建立三維幾何模型，采用完全結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，風(fēng)管二、風(fēng)管三分別生成525150、452996個計算網(wǎng)格，風(fēng)管三計算網(wǎng)格如圖1所示：
風(fēng)管二、三工況最大氣體流量分別為320000m3/h、490000m3/h，氣體溫度為900～1000℃，直徑分別為2.344 m、2.2 m，喉管直徑分別為1.278 m、1.083 m，喉管入口錐角、出口錐角分別為21°、11°，喉管長度分別為2.5 m、2 m。為了研究入口錐角、出口錐角、喉管長度、喉管直徑等主要結(jié)構(gòu)尺寸對文丘里管性能的影響，對風(fēng)管三采用改變其中一個結(jié)構(gòu)尺寸，同時保證其余結(jié)構(gòu)尺寸不變的方案，分別建立幾何模型，生成計算網(wǎng)格。
根據(jù)風(fēng)管二、風(fēng)管三的工況條件及其結(jié)構(gòu)尺寸，計算二者的入口馬赫數(shù)分別為0.105、0.068，人口常溫雷諾數(shù)分別為3577.5、5188（工況條件下由于空氣動力粘度的數(shù)量級10-6，而密度的數(shù)量級僅為10-1 ，使工況雷諾數(shù)要遠遠大于常溫雷諾數(shù)），再根據(jù)計算流體力學(xué)的相關(guān)理論及大量的工程實踐可以判定該文丘里管的流動狀態(tài)為不可壓縮湍流流動。湍流模型選用雷諾應(yīng)力模型，模型方程如下：
（1）連續(xù)方程
（2）雷諾平均N-S方程
（3）雷諾應(yīng)力輸送方程
上述各微分方程連同方程（3）的模型封閉方程（限于篇幅的關(guān)系這里不再給出.）組成的湍流運動方程組采用CFD通用軟件包Fluent6.1.22進行求解：控制容積法化微分方程為差分方程，差分格式均采用一階迎風(fēng)差分格式，對離散方程組的壓力速度耦合采用經(jīng)典的SIMPLE算法求解，求解代數(shù)方程采用三對角矩陣TDMA逐線迭代及低松弛因子聯(lián)合求解，收斂標(biāo)準(zhǔn)均取各因變量相鄰2次迭代殘差<10-4。
2 數(shù)值模擬結(jié)果
從表1、表2 的計算結(jié)果可以明顯看出文丘里管的阻力同其結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素存在以下規(guī)律性：① 喉管長度、喉管直徑、入口風(fēng)速是影響其阻力的主要因素，減小喉管長度、增大喉管直徑度可大幅度降低阻力，尤其是流量較大的工況條件；② 在其它條件不變的條件下，前角從21°～30°。的變化范圍內(nèi)，阻力先減小后增大，在22°取得最小值；③ 在其它條件不變的條件下，后角從10°～12°的變化范圍內(nèi)，阻力先減小后增大，在11°取得最小值；因此，在不改變喉管長度及直徑的條件下，建議將前角設(shè)計為22°，后角設(shè)計為11°。
限于篇幅的關(guān)系，這里僅給出優(yōu)化設(shè)計后風(fēng)管二的文丘里管模擬流場圖。圖2～圖5為風(fēng)管二改變?nèi)肟诮恰⒊隹诮欠謩e為22°、11°后的壓力云圖、速度矢量圖，風(fēng)管三的流場結(jié)構(gòu)同風(fēng)管二基本上是相同的，這里就不再給出其流場圖。從速度矢量圖中可以看出以下特征：① 喉管流場結(jié)構(gòu)均勻，除喉管進出口附近區(qū)域外，其余喉管流場可以認(rèn)為理想的均一流場結(jié)構(gòu)；② 出口角的大小影響著氣流流出喉管后的管道速度均勻性，從總壓圖和速度矢量圖上可以明顯看出這一特征；③ 喉管處的靜壓值遠低于其余各處的靜壓值，且整個喉管長度范圍內(nèi)靜壓基本上呈均勻分布；④ 喉管處的氣流速度要遠大于入口風(fēng)速，且在整個喉管長度范圍內(nèi)速度也基本上呈均勻分布。
3 結(jié)論
（1）喉管長度、喉管直徑、入口風(fēng)速是影響文丘里管阻力的主要因素，減小喉管長度、增大喉管直徑度可大幅度降低阻力，尤其是流量較大的工況條件；在其它條件不變的條件下，入口錐角、出口錐角分別取22°、11°時阻力取得最小值；
（2）文丘里管喉管流場結(jié)構(gòu)均勻，且整個喉管長度范圍內(nèi)的靜壓值遠低于入口靜壓值，使得氣流通過整個文丘里管的阻力要遠低于通過入口錐、喉管的局部阻力，從而使其成為理想的壓差流量計（在不增加系統(tǒng)阻力的條件下，提高壓差信號的相對測量精度）；喉管氣流速度也基本呈均勻分布，且遠高于入口速度，從而造成文丘里管的阻力主要產(chǎn)生在喉管長度范圍內(nèi)，因此從降阻的角度考慮，喉管長度不宜設(shè)計過長，從壓力云圖上可以看出將喉管長度取喉管直徑的大小基本不會破壞其流場結(jié)構(gòu)。
（3）作為壓差式流量計使用的文丘里管，其前、后兩靜壓測孔分別布置在文丘里管入口管壁處、喉管1/2長度管壁處較為合理，流量計算截面應(yīng)選在喉管1/2長度軸截面。
（4）數(shù)值模擬可以很容易地模擬文丘里管流量計實際工況條件下的流場，從而得到反映實際工況的更為準(zhǔn)確的流量計算修正系數(shù)，實現(xiàn)提高測量精度的目的。