喷嘴流量计的流场数值模拟与取压位置优化

　　西安华恒仪表制造有限公司是主要生产流量计和变送器的仪表厂家，拥有自主的研发团队和生产线。可以自主研发设计满足各行业、各环境下的高精度流量计。今天和大家分享一下喷嘴流量计的流场数值模拟与取压位置优化。

　　我国稠油资源丰富，常规的开采方法很难开采稠油油藏，稠油热采主要运用一些工艺措施使稠油油层温度升高，也就是需要向地底下注入湿饱和蒸汽。用干度一词来表征湿饱和蒸汽的性质，干度影响着稠油采出效率，因此实时在线监测蒸汽干度十分必要。在计算蒸汽干度的过程中，压差的获取十分重要。将喷嘴流量计运用到稠油注汽测量过程中，在线实时监测蒸汽干度及蒸汽压力等参数的变化，实现蒸汽干度的连续测量。近些年来，孔板流量计因其技术成熟，结构简单等原因而被长期广泛应用在油田，但是孔板流量计测量范围窄，压力损失大，价格昂贵，并且流体流经孔板时在中心突然收缩，这些造成了孔板流量计的精度不高。而喷嘴流量计由于能克服标准孔板在测量中的问题而正。

　　逐渐受到越来越多的应用，流体流经喷嘴时不是像孔板那样突然改变流体的流动状态，在管道内放置一个开孔直径比管道内径还小的喷嘴，当管道内充满流体且流体流经喷嘴时会造成流速在喷嘴板附近局部收缩，使喷嘴上下游之间产生静压力差，利用该静压力差可对流体的流量进行实时在线监测。此外，喷嘴的阻力降小，压差大，使用喷嘴流量计可使流体的流动更加稳定，这使得喷嘴越来越受欢迎，其可替代孔板在油田开采时进行应用。喷嘴的结构性能很大程度上受到内部结构以及流场分布影响。

　　1建立数学模型

　　与其它节流元件一样，喷嘴流量计是建立在流动连续性方程与伯努利方程的基础上，通过测量流体流经节流元件时产生的压差而进行流量的测量，喷嘴流量计的结构原理图如图l所示。

　　流体从左方流入，喷嘴流量计同样基于伯努利方程与流体连续性方程，既遵守以下事实规律p一】：流体流经节流体时被加速，动能增加，同时根据能量守恒定律，在流体被加速时，静压力会降低一个相对应的值，且压力降的大小与流体的流量有一定的函数关系，压力降与流体体积流量呈线性增长关系，流量的公式如下所示。

　　式(1)参数△为流体流经喷嘴后的压力降．即喷嘴节流元件上下游的压力差，为实现压力差的在线监测，需在与喷嘴相接的前后管道适当位置开取压n，而实践表明，流体在流经喷嘴流量计时，南于与管道内径尺寸的不同会m现回流，从而造成在喷嘴口附近的压力和速度的不稳定，而想要获得稳定的压差，需要寻找合适的高低压取压n。同时，目前油田使用的喷嘴与管道配合的尺寸类型有种，而不同种类的管道所产生的回流强度并不相同，因而所取的低压取压n的位置也各不相同：为实现上述目的，本文对管道在不同流速下利用Fluent进行流体仿真，寻求合适的取压几。

　　2几何模型与网格划分

　　整个检测段分别由高压段简体、低压段简体、喷嘴部分组成。喷嘴流量计总长392mm，外直径89mm，内直径tp65mm高压段简体与低压段简体之间靠喷嘴流量计连接～流体从高压段简体流进，流经喷嘴流量计，从低压段简体流m。在模拟过程中，由于喷嘴流量计为轴对称模型，故进行了简化处理(计算域选取一半)，冈2仅给出了模型计算域的局部网格划分：为了模拟实际流动状态，利用meshing生成了结构化网格【6罐]，于喷嘴附近流场变化剧烈，在喷嘴附近将网格进行局部加密，边界采用膨胀层，有助于改善网格质量，为保持网格的光滑度、避免因邻近单元而积的快速变化而导致大的截断误差和节省计算时间等目的。使skewness中的数值小于0．9、入口边界设置为沿管道轴向均匀速度入rI，出口为压力m几，各求解变量收敛残差值没置为ll0～，求解器为瞬态求解，壁面无滑移。

　　3边界条件设置及结果分析

　　喷嘴流量计内部流动的介质为湿蒸汽，属于气液两相流。其T况性质如表1所示。入rI边界设置为沿管道轴向均匀速度人口mFl为压力出口，流体从管道左侧流入，右侧流出。

　　3．1压力分布

　　3、4币【】『殳15别为5、l0和l6MPa下流道内部截面力云，从中町以日J]显的看：流体从左侧进入僻道，力较均匀，随着流体流通积变窄，每个喷瞄m?)lh~itl、,f的后方都m现了旋流，l1．旋流的大体趋势桐近，rH：EH为漩流分离现象流仆从喷嘴喉部处两flJ!IJ脱离产生旋流，流体流过喷嘴，旋流强度『}]强变弱，最后慢慢趋于稳定随菥境的不断变化，喷嘴l-j倚道之问的缝隙处的旋流度不断变化CFI；、的，力也都是在旋流发声体附近较弱，达到一个最fEfi~，向下游的同时力l卫会逐渐加强，随爪力义随着流道的扩张而逐渐恢复

　　3．2速度分布

　　『殳16、7和8分别为5、10a和16MPa下的速度云I殳1，f皇19、冈10和罔l1分别为5、l0和l6MPa下的速度欠量从速度矢量I$1fj~够清晰地看到旋流，这是为根据流量守恒的要求，流体流过管道时．流入的量和流出的量卡开等，!J!Ij通道窄过流『百『积小时，流速较大：凶此，速度在喷嘴处突然变大，在，流体会小同程度的流往喷嘴下游丁僻道内壁缝隙处，[尺J此在喷嘴尾部会产生漩流，流过喷嘴后下降并逐渐jl=3于稳定12给ffI_r速度在喷嘴下游低压外轮廓与管道内壁的{问轴线处的分布曲线南可，大11，南于壁面的摩擦，流体进入管道产生能挝损火，压力缓慢下降，拊能量守恒，速度会有所提升随着流体断靶近IJ?、；Ih喷嘴，通流面积逐渐减小，速度在节流体处变化较大。流体在喷嘴H处形成旋流，并不同程度的向内蔓延。旋流主要体现在喷嘴后一定范，同时在喷嘴与管道内壁夹缝的最里端则会形成卡反力向的旋流．如速度矢量所爪，对应曲线276n31]l处也会产牛相应的波动歼H随着压力的增大，速度在此处也会增加的越快，随符流体离喷嘴越来越远，速度义逐渐达到半衡。

　　4取压位置的优化

　　根据模拟结，高压段简体I大J流体的JJ分和速度分伽比较均匀，同时高取管H觜的焊接置喷嘴入广l端帕ilk：保持一定距离，两者不离的太近，则安装小．f因此高取广_=I取住距离喷嘴入n端i~iHqR于1．6D处．选取低取』i-{『]时，南f低取处在喷嘴下游，在喷嘴喉部外表I自『管道『人】问张近广I端而处流休会牛旋流，如8、9和10流场速度矢所，J，他得低乐取压腔俸内局部压力发生变化，为避免漩流，以捩得稳定的筘，低压取乐开位置选择住低乐取乐腔内力卡f1埘稳定的地力～以喷嘴流汁流体人【]断而为起，m广l断而为终点，如衷2所，j选取低压取乐腔体内不同位置在5、10、l6MPa种不同]一况压力条什下低压端压力分值，此1『以看}I低取腔体内266mm位置至唢嘴术端而270mm化罱种厂况条件下压力降低变化郜很明显，这是为喷嘴末端旋流导致此，低压取乐【1轴线选择征离喷嘴{I1断面逆荇流体流动力向不小于0．09D处。

　　5结论

　　以流体力学为理沦研究基础，利用FLUENT仿真软件埘6．5nw11J1径不同J：况压力下喷嘴流fI-汁进行数值模拟，得沦：喷嘴附近流体力场以及速度场变化复杂，喷嘴喉部末端乐力急速下降，速度急刷I丌．产生旋流分离现象，造成低』取J怵内力小稳，此选取低压取广1位置时J、避免旋流，同时取管嘴的焊接位置j喷嘴入I1端而J保持一定距离，两并不要离的太近，则会加大炙装难度卡}5据模v~,Xf=-士H分析，商Jt{llkJfn取在离唢嘴入几端而不低于1．6D处，低JK．tt~压『1轴线选择在距离喷嘴ft1断而逆荇流体流动方向不小丁0．09D处。

　　虽然采用流场数值模拟实际测l~1．-jfi差一样仔卉误，fL【用本文所建、的流场数cf[模拟模型r以对喷嘴流量计流场分规律进i体形象的研究，并可根据具体的应用场合汁箅?棚心的参数，仿iLTH果与理论推导卡H符合高，则通过构建多室型MFC性能是更经济的。

　　MFC能够在处理废水的同时产电，未来发展的前景巨大，MFC构型优化可独立或协同促进其性能的提升，因此未来需要更多的研究人员投入MFC构型的研究，比如质子膜性能的提升L2。未来对新型MFC改进设计应以空气型单室MFC为基础，构建多个立体化的阳极室，再加以堆栈方式进一步有

　　效的提升MFC产电性能。

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