文丘里管流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用工況范圍廣、易于實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)在諸如煤氣、電力、水泥等眾多能源動(dòng)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(duì)其測(cè)量精度、實(shí)時(shí)監(jiān)控等性能提出了越來(lái)越高的要求，許多單位和學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(duì)某一具體的流量計(jì)通過(guò)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式標(biāo)定其流量修正系數(shù)的水平上，對(duì)文丘里管的流場(chǎng)缺乏全面的研究，尤其是采用數(shù)值模擬手段來(lái)研究其流場(chǎng)的還很少見(jiàn)到；另一方面，通過(guò)試驗(yàn)得到的流量修正系數(shù)又會(huì)因?yàn)榱髁坑?jì)的實(shí)際工作的工況條件同試驗(yàn)室測(cè)試的工況條件存在較大的差別而同實(shí)際工況的流量修正系數(shù)存在一定的誤差，從而造成測(cè)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(shì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用，并得到了實(shí)踐的證實(shí)。水泥燒成系統(tǒng)的工況流場(chǎng)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(guò)試驗(yàn)來(lái)研究其流場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)文丘里管流量計(jì)的流場(chǎng)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(guó)外工程項(xiàng)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(jiǎn)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(gè)計(jì)算網(wǎng)格，風(fēng)管三計(jì)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(zhǎng)度分別為2.5 m、2 m。為了研究入口錐角、出口錐角、喉管長(zhǎng)度、喉管直徑等主要結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)文丘里管性能的影響，對(duì)風(fēng)管三采用改變其中一個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)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(jì)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(jì)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(dòng)力粘度的數(shù)量級(jí)10-6，而密度的數(shù)量級(jí)僅為10-1 ，使工況雷諾數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常溫雷諾數(shù)），再根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)理論及大量的工程實(shí)踐可以判定該文丘里管的流動(dòng)狀態(tài)為不可壓縮湍流流動(dòng)。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(yùn)動(dòng)方程組采用CFD通用軟件包Fluent6.1.22進(jìn)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(duì)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(duì)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度及直徑的條件下，建議將前角設(shè)計(jì)為22°，后角設(shè)計(jì)為11°。

 

 

 

 

 

      限于篇幅的關(guān)系，這里僅給出優(yōu)化設(shè)計(jì)后風(fēng)管二的文丘里管模擬流場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)圖。從速度矢量圖中可以看出以下特征：① 喉管流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均勻，除喉管進(jìn)出口附近區(qū)域外，其余喉管流場(chǎng)可以認(rèn)為理想的均一流場(chǎng)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(yuǎn)低于其余各處的靜壓值，且整個(gè)喉管長(zhǎng)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(yuǎn)大于入口風(fēng)速，且在整個(gè)喉管長(zhǎng)度范圍內(nèi)速度也基本上呈均勻分布。

 

 

 

 

 

      3 結(jié)論

 

      （1）喉管長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)阻力取得最小值；

 

      （2）文丘里管喉管流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均勻，且整個(gè)喉管長(zhǎng)度范圍內(nèi)的靜壓值遠(yuǎn)低于入口靜壓值，使得氣流通過(guò)整個(gè)文丘里管的阻力要遠(yuǎn)低于通過(guò)入口錐、喉管的局部阻力，從而使其成為理想的壓差流量計(jì)（在不增加系統(tǒng)阻力的條件下，提高壓差信號(hào)的相對(duì)測(cè)量精度）；喉管氣流速度也基本呈均勻分布，且遠(yuǎn)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(zhǎng)度范圍內(nèi)，因此從降阻的角度考慮，喉管長(zhǎng)度不宜設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)，從壓力云圖上可以看出將喉管長(zhǎng)度取喉管直徑的大小基本不會(huì)破壞其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

 

      （3）作為壓差式流量計(jì)使用的文丘里管，其前、后兩靜壓測(cè)孔分別布置在文丘里管入口管壁處、喉管1/2長(zhǎng)度管壁處較為合理，流量計(jì)算截面應(yīng)選在喉管1/2長(zhǎng)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(jì)實(shí)際工況條件下的流場(chǎng)，從而得到反映實(shí)際工況的更為準(zhǔn)確的流量計(jì)算修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)提高測(cè)量精度的目的。