摘要:研究基于差壓式流量計(jì)的大氣總懸浮顆粒物采樣器流量仿真問(wèn)題,應(yīng)用FLUENT流體仿真軟件,對(duì)空氣經(jīng)過(guò)孔板前后的壓力.和速度進(jìn)行仿真研究。仿真初始條件為空氣密度1.29kg/m3,入口速度100L/min,溫度22℃,大氣壓101.325kPa,在上述工況下得到了空氣經(jīng)過(guò)流量計(jì)的壓力分布云圖、速度流線圖以及在10~90L/min流速區(qū)間內(nèi)的差壓數(shù)值。氣體從錐形孔板經(jīng)過(guò)時(shí)壓力減小,流經(jīng)流量計(jì)下端部時(shí)流量增大,從而產(chǎn)生了孔板前后的壓差,孔板入口流速60L/min時(shí),壓差很小,會(huì)影響采樣泵的線性控.制。該研究對(duì)于應(yīng)用流體仿真軟件對(duì)大氣總懸浮顆粒物采樣器流量差壓式孔板流量計(jì)特性的研究提供了方向,不同流速差壓的研究對(duì)孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。
0引言
總懸浮顆粒物采樣器指能夠采集空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于100μm顆粒物的采樣器。其基本原理是使一-定體積的空氣恒速通過(guò)已知質(zhì)量的濾膜時(shí),懸浮于空氣中的顆粒物被阻留在濾膜上,根據(jù)濾膜增加的質(zhì)量和通過(guò)濾膜的空氣體積,確定大氣中總懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度總懸浮顆粒物采樣器空氣流量計(jì)算的精度是影響設(shè)備的核心技術(shù)指標(biāo),其中差壓式流量計(jì)取壓性能直接關(guān)系到空氣流量的換算。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是差壓式流量計(jì)中為典型的一種結(jié)構(gòu),由取壓裝置、孔板和流裝置構(gòu)成,如圖1所示。
本研究應(yīng)用CFD軟件對(duì)空氣流過(guò)孔板進(jìn)行流場(chǎng)分析,觀察差壓式流量計(jì)內(nèi)部的空氣速度和壓力分布對(duì)后期孔板流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有理論支撐作用。
1差壓式孔板流量計(jì)計(jì)量原理
當(dāng)流體經(jīng)過(guò)管道內(nèi)的孔板時(shí),會(huì)造成流體的局部收縮,從而使流體的瞬時(shí)速度增大,在孔板的前后變形成了壓差。在總懸浮顆粒物采樣器中,當(dāng)環(huán)境空氣從上而下經(jīng)過(guò)孔口時(shí),由于具有一定的流速,形成一定的負(fù)壓狀態(tài),產(chǎn)生了一個(gè)與空氣流量的平方根成正比的壓差。壓差經(jīng)硅膠管連接到壓差傳感器上,產(chǎn)生與壓差信號(hào)成比例的電信號(hào),經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算處理顯示出氣體流量。
流量方程式是從伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)而來(lái),如下所示:
式中:Q0為差壓口處氣體流量,L/min,標(biāo)定介質(zhì)為空.氣;α為流量系數(shù),與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比m、雷諾數(shù)Re、孔口邊緣銳度、管壁粗糙度等因素有關(guān);對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,α的值可從有關(guān)手冊(cè)中查出(附);對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,α值要由實(shí)驗(yàn)方法確定,且確定的α值只能應(yīng)用在一定的條件下;ξ為膨脹修正系數(shù),與孔板前后壓力的相對(duì)變化量、介質(zhì)的等熵指數(shù)、孔口截面積與管道截面積之比等因素有關(guān),對(duì)氣體來(lái)說(shuō),通常在0.9~1.0,當(dāng)p2/P1的值接近于1時(shí),膨脹修正系數(shù)接近于1;A。為孔口內(nèi).截面積,m2;△p為壓差信號(hào),Pa,等同于流量傳感器的.信號(hào)值;pr為流量計(jì)前壓力,絕對(duì)壓力,Pa;T,為流量計(jì)前溫度,絕對(duì)溫度,K;ρ為節(jié)流裝置.上游取壓口的氣體密度,kg/m3,ρ=MPr/RTr。
2孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)字仿真
2.1創(chuàng)建幾何模型
使用三維軟件建立總懸浮顆粒物采樣器差壓式孔板流量計(jì)的三維幾何模型[3]如圖2所示。孔板上端和下端的管部直徑為20mm,孔板上端管長(zhǎng)為20mm,下端管長(zhǎng)為30mm。由于該幾何模型整個(gè)為回轉(zhuǎn)體,為減少計(jì)算量,簡(jiǎn)化實(shí)體模型如圖3所示。
用四邊形網(wǎng)格計(jì)算管形流場(chǎng),靠近孔板椎體的網(wǎng)格密度明顯較密,管道端部的網(wǎng)格明顯稀疏,從而保證網(wǎng)格的光滑度,加快計(jì)算的迭代收斂速度,避免臨近單元體積的快速跌變所引起的截?cái)嗾`差孔板流量計(jì)網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。
2.2流體仿真分析
差壓式孔板流量計(jì)模擬仿真介質(zhì)為環(huán)境空氣,密度為1.29kg/m3,設(shè)定入口速度為5.31m/s,溫度為22℃,大氣壓為101.325kPa。設(shè)定了仿真介質(zhì)和初始條件后,對(duì)湍流模型進(jìn)行選擇,差壓式孔板流量計(jì)在仿真模擬中,流體流場(chǎng)入口速度為5.31m/s,用雷諾系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算:
Re=pvd/η(2)
式中:Re為雷諾數(shù);ρ為密度,kg/m3;D為流速,m/s;d為特征長(zhǎng)度(內(nèi)徑),mm;η為動(dòng)力黏性系數(shù),Pa.s。
將設(shè)定條件代人式(2)得:Re=7611,由于7611>2300,所以差壓式流量計(jì)管道內(nèi)的氣體流動(dòng)歸屬于湍流,仿真中選擇湍流模型進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)空氣在設(shè)定工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行流體分析仿真,得到差壓式孔板流量計(jì)管道內(nèi)壓力和速度的分布情況'51,如圖5~6所示。
圖5中,顏色深淺代表壓力的大小分布情況,單位.為Pa。從圖中可以得出,氣體流入流量計(jì)孔板上端管道部分,由于氣泵抽氣產(chǎn)生負(fù)壓,壓力值大概在-3.422X104--3.443x104Pa,氣體流入錐形孔板瞬間,壓力急速減小,壓力減小范圍在-3.443x104--3.518x104Pa,經(jīng)過(guò)孔板后壓力維持在-3.507x104~-3.497x104Pa。氣體從錐形孔板經(jīng)過(guò)時(shí)壓力減小,流經(jīng)流量計(jì)下端部時(shí)流量增大,從而產(chǎn)生了孔板前后的壓差,環(huán)境空氣經(jīng)過(guò)差壓式孔板時(shí),由于孔板的阻隔瞬間形成高壓狀態(tài),孔板的錐角處圓角處理,空氣流過(guò)孔板椎孔處壓力有一-定程度的增大。流體仿真得到的流量計(jì)個(gè)管道速度分布情況如圖6所示,單位為m/s。如圖所示,氣體流入流量計(jì)孔板上端瞬間,產(chǎn)生了一個(gè)回轉(zhuǎn)對(duì)稱性的速度場(chǎng),中心軸線處速度最大,氣體在差壓式流量計(jì)管壁處碰撞后產(chǎn)生回旋,速度降低并產(chǎn)生壓降,在錐形孔處由于錐角做圓角處理后,平緩過(guò)渡,氣體速度有不同程度的增大。氣體流入孔板前速度范圍大概在0.2754~1.913m/s,流人孔板瞬間,速度增大,管道軸心處速度最高可達(dá)3.799m/s,經(jīng)過(guò)孔板后速度范圍大概在1.913~3m/s,并向管壁處速度遞減從而在管壁處形成回旋產(chǎn)生低壓。氣體未經(jīng)過(guò)錐形孔板前速度變化明顯較小,經(jīng)過(guò)孔板后速度明顯增大,在管道軸心處速度數(shù)值最大。
2.3.差壓式孔板流量計(jì)差壓分析
孔板壓力損失是孔板.上端測(cè)得壓力與孔板下端測(cè)得壓力數(shù)值之差,差壓數(shù)據(jù)穩(wěn)定性是控制泵的關(guān)鍵條件[7-8]。參考100L/min的仿真條件,將入口速度調(diào)整至10~90L/min,每10L/min作為一次步長(zhǎng),流體仿真后得到流速、動(dòng)壓、靜壓和差壓的數(shù)據(jù),如表1所示。
3結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)差壓式孔板流量計(jì)的計(jì)量原理,應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)空氣流過(guò)孔板進(jìn)行流場(chǎng)分析,得到了空氣經(jīng)過(guò)流量計(jì)的壓力分布云圖、速度流線圖以及在10~90L/min流速區(qū)間內(nèi)的差壓數(shù)值,得出如下結(jié)論:
(1)通過(guò)初始條件分析和計(jì)算雷諾數(shù)R�？芍�,差壓式流量計(jì)管道內(nèi)的氣體流動(dòng)歸屬于湍流,仿真中選擇湍流模型進(jìn)行計(jì)算;
(2)氣體從錐形孔板經(jīng)過(guò)時(shí)壓力減小,流經(jīng)流量計(jì)下端部時(shí)流量增大,從而產(chǎn)生了孔板前后的壓差,孔板入口流速60L/min時(shí),壓差很小,會(huì)影響采樣泵的線性控制,在錐形孔處由于錐角做圓角處理,空氣流過(guò)孔板椎孔處壓力和速度有不同程度的增大;
(3)分析差壓式流量計(jì)內(nèi)部的空氣速度和壓力分布,為后期孔板流量計(jì)的提供了依據(jù)。
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