CFD流动调整器性能评价方法研究

万　勇，陈国宇，冯良锋，刘桂雄，黄乔蔚

（1.广州能源检测研究院，广东 广州 510170；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

CFD流动调整器性能评价方法研究

万勇1，陈国宇2，冯良锋1，刘桂雄2，黄乔蔚2

（1.广州能源检测研究院，广东 广州 510170；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

针对当前流动调整器性能评价依赖于具体管道系统，无法及时反馈、改进调整器结构等问题，提出一种基于CFD仿真技术的流动调整器性能评价方法。首先，建立流动调整器评价方法坐标系，并求解出各采样点坐标；然后，推导管道截面流速场充分发展性的判断依据，进而得出流动调整器整流效果评价指标；最后，采用CFD仿真技术对栅格式流动调整器进行验证实验。结果表明：提出的评价方法能快速、有效地对栅格式调整器下游流场充分发展性进行评判，有助于分析不同雷诺数下调整器性能的变化规律，并验证当5.84×106≤Re≤5.84×108，栅格式调整器下游不规则流场达到充分发展所需最少直管长度仅为不带调整器的0.5～0.6倍，对加速流动调整器设计、推动流体能源监测具有参考价值。

流动调整器；评价方法；CFD仿真技术；流速场

0　引　言

流动调整器是加速不规则流场稳定、消除漩涡等非正常流动对流体影响的重要器件，在流体能源计量与监控、流量监测系统、流量传感器等领域广泛应用［1］。常见的流动调整器包括管束式、栅格式、孔板式等［2］，由于调整器的形状结构、安装方式直接影响调整器的工作性能，因而工程应用中的调整器经常需针对特定的场合进行设计，因此造成流动调整器结构及性能参差不齐，此外，不合理的形状结构、不规范的安装方式会导致调整器下游流场紊乱，达不到整流效果［3］，故如何快速、有效地对整流效果进行评价是提高调整器设计效率、保证调整器工作性能的重要保障。当前流动调整器性能的评价需将调整器安装进管道并根据其下游流量计等器件的性能间接实现，该方法依赖于具体管道系统及流量计，操作繁琐、成本高，既无法在设计阶段及时反馈、改进调整器结构，也不能为合理选取流量传感器安装位置提供参考信息［4-6］。近年来，计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）技术被广泛应用于流量监测领域，但研究较集中在不同温度、压力、流量工况及弯管、阀门等扰流件影响下的流量计流场适应性分析［7-9］，或者用于研究换能器、反射板等流量计自身结构对流场的影响［10-11］，而单独通过CFD技术实现对流动调整器性能进行评价的研究较少［12-14］。本文提出一种基于CFD仿真技术的流动调整器性能评价方法，通过CFD仿真技术实现在设计阶段对流动调整器性能进行测评，并能依据仿真结构及时反馈优化调整器设计以及为流量传感器安装位置提供指导信息。

1　流动调整器评价方法

流动调整器整流目的是获得与相同工况下直管道内一致的充分发展的流场，故调整器下游流场的充分发展与否直接体现了调整器性能。首先通过CAD软件建立流域模型，并利用ICEM软件进行网格划分，然后根据不同实验组的边界条件分组对纯直管、带调整器双扭弯管、不带调整器双扭弯管进行数值模拟，接着提取仿真结果中采样点的流速，并计算采样点流速相对误差，进而判断截面流场是否达到充分发展，最后得出评价流动调整器的指标。

1.1采样点坐标建立

图1为流动调整器评价方法坐标系，图中O-XY面为调整器下端面，O点为截面中心。在距离O-XY面zi（zi＞0）的截面αi内建立平面随动极坐标系，并在截面αi中取NO（αi）个φj=d（j，αi）的圆，其中0＜j≤NO（αi），0≤d（j，αi）＜Dpipe，且d（j，αi）≠d（j+1，αi），Dpipe为管道直径。在φj=d（j，αi）的圆上均布NP（φj，αi）个采样点，则在平面随动极坐标系中采样点P（k，φj，αi）的坐标为，其中在坐标系O-XYZ中采样点P（k，φj，αi）坐标（x，y，z）为

图1　流动调整器评价方法坐标系

在截面αi内采样点总数为

1.2截面流速场充分发展性判断

流动调整器下游流场是否达到充分发展，由流场内流速分布规律体现。通过将调整器下游流场与相同压力、温度下的纯直管道内流场进行比较，可快速、有效地判断调整器下游流场的充分发展性。

若采样点P（k，φj，αi）流速为ν（k，φj，αi），相同工况下纯直管道同一位置处的流速为ν0（k，φj，αi），则采样点P（k，φj，αi）流速的相对误差为

考虑到CFD仿真存在系统误差，若截面αi内所有采样点流速相对误差均满足ε（k，φj，αi）≤0.05，则可认为截面αi处流场已达到充分发展。

1.3评价指标

要体现流动调整器整流效果，需求解出调整器下游流场最快达到充分发展所需的管道长度。对截面αi、αi+1，若满足：

则截面αi+1为流场最快达到充分发展的截面，且zi+1为调整器下游流场达到充分发展所需最少直管长度，即流动调整器整流效果评价指标，zi+1越小，表明调整器整流效果越好，流场充分发展越快；若zi+1相同时，则（k，φj，αi+1）越小，调整器性能越优。式（3）中Δz为截面距离准确度，本文取Δz=0.1mm。

2　仿真方案

2.1仿真系统结构

图2为仿真系统结构图。双扭弯管与流动调整器间隔5 Dpipe，同时双扭弯管上游设置10 Dpipe直管，流动调整器下游设置100Dpipe直管。实验采用栅格式AMCA流动调整器，图3为流动调整器结构形状，其中管道直径Dpipe=50mm，调整器长度lAMCA=0.45Dpipe= 22.5mm，栅格宽度为0.075Dpipe=3.75mm。

图2　仿真系统结构图

图3　流动调整器结构形状

2.2仿真条件

仿真实验运行压力P=0.6MPa，温度T=300 K，流体介质为水，水的密度ρ水=996.799 kg/m3，动力粘度μ水=8.54×10-4kg/（m·s），入口流速νinlet∈［0.1，0.5，1，3，5，8，10］m/s，则雷诺数分别为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，故实验采用k-ε模型。每一个Re对应一组实验，相同的工况分别在纯直管、带调整器双扭弯管、不带调整器双扭弯管进行实验。

3　仿真结果分析

表1为仿真实验结果，以Re为横坐标，最小直管长度z为纵坐标，得到AMCA性能对比分析图（见图4）。可以看出：1）在实验的任一Re下，带有AMCA调整器的最小直管长度zAMCA均远小于不带调整器的z′，表明AMCA调整器大大加速了调整器下游流场的充分发展，体现出本文的评价方法可有效反映调整器在实验中的整流效果；2）不管带不带调整器，随着Re的增大，两组实验的最小直管长度z均分别呈现对数函数式增长，当Re＜2×108时，z增长速率较大，当Re＞2×108时，z增速较缓慢，这也是本文评价方法反映出的调整器性能随雷诺数变化的规律；3）经过进一步计算发现，在雷诺数为5.84×106≤Re≤5.84×108，zAMCA基本为0.5z′～0.6z′。

表1　仿真实验结果

图4　AMCA性能对比分析图

4　结束语

本文提出一种基于CFD仿真技术的流动调整器评价方法，并研究了该方法在AMCA栅格式流动调整器上的应用。仿真分析表明本文所提出评价方法能快速、有效地对栅格式调整器下游流场充分发展性进行评判，有助于分析不同雷诺数下调整器性能的变化规律，并验证5.84×106≤Re≤5.84×108时AMCA调整器下游不规则流场达到充分发展所需最小直管长度为不带调整器的0.5～0.6倍，为加速流动调整器设计、推动流体能源监测提供参考。

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［13］刘桂雄，黄侨蔚.基于CFD技术的流动调整器整流效果评判方法：CN102750426A［P］.2012-10-24.

［14］FRATTOLILLO A，MASSAROTTI N.Flow conditioners efficiency a comparison based on numerical approach［J］. Flow Measurement and Instrumentation，2002，13（1）：1-11.

（编辑：李刚）

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

广州市质监局设备专项（2011SB028）；广州市质监局科技计划项目（2015KJ05）

万勇（1975-），男，吉林德惠市人，高级工程师，主要从事流量容量计量、能源测试、节能技术研究。