噴嘴流量計的流場數值模擬與取壓位置優化

　　西安華恒儀表制造有限公司是主要生產流量計和變送器的儀表廠家，擁有自主的研發團隊和生產線?？梢宰灾餮邪l設計滿足各行業、各環境下的高精度流量計。今天和大家分享一下噴嘴流量計的流場數值模擬與取壓位置優化。

　　我國稠油資源豐富，常規的開采方法很難開采稠油油藏，稠油熱采主要運用一些工藝措施使稠油油層溫度升高，也就是需要向地底下注入濕飽和蒸汽。用干度一詞來表征濕飽和蒸汽的性質，干度影響著稠油采出效率，因此實時在線監測蒸汽干度十分必要。在計算蒸汽干度的過程中，壓差的獲取十分重要。將噴嘴流量計運用到稠油注汽測量過程中，在線實時監測蒸汽干度及蒸汽壓力等參數的變化，實現蒸汽干度的連續測量。近些年來，孔板流量計因其技術成熟，結構簡單等原因而被長期廣泛應用在油田，但是孔板流量計測量范圍窄，壓力損失大，價格昂貴，并且流體流經孔板時在中心突然收縮，這些造成了孔板流量計的精度不高。而噴嘴流量計由于能克服標準孔板在測量中的問題而正。

　　逐漸受到越來越多的應用，流體流經噴嘴時不是像孔板那樣突然改變流體的流動狀態，在管道內放置一個開孔直徑比管道內徑還小的噴嘴，當管道內充滿流體且流體流經噴嘴時會造成流速在噴嘴板附近局部收縮，使噴嘴上下游之間產生靜壓力差，利用該靜壓力差可對流體的流量進行實時在線監測。此外，噴嘴的阻力降小，壓差大，使用噴嘴流量計可使流體的流動更加穩定，這使得噴嘴越來越受歡迎，其可替代孔板在油田開采時進行應用。噴嘴的結構性能很大程度上受到內部結構以及流場分布影響。

　　1建立數學模型

　　與其它節流元件一樣，噴嘴流量計是建立在流動連續性方程與伯努利方程的基礎上，通過測量流體流經節流元件時產生的壓差而進行流量的測量，噴嘴流量計的結構原理圖如圖l所示。

　　流體從左方流入，噴嘴流量計同樣基于伯努利方程與流體連續性方程，既遵守以下事實規律p一】：流體流經節流體時被加速，動能增加，同時根據能量守恒定律，在流體被加速時，靜壓力會降低一個相對應的值，且壓力降的大小與流體的流量有一定的函數關系，壓力降與流體體積流量呈線性增長關系，流量的公式如下所示。

　　式(1)參數△為流體流經噴嘴后的壓力降．即噴嘴節流元件上下游的壓力差，為實現壓力差的在線監測，需在與噴嘴相接的前后管道適當位置開取壓n，而實踐表明，流體在流經噴嘴流量計時，南于與管道內徑尺寸的不同會m現回流，從而造成在噴嘴口附近的壓力和速度的不穩定，而想要獲得穩定的壓差，需要尋找合適的高低壓取壓n。同時，目前油田使用的噴嘴與管道配合的尺寸類型有種，而不同種類的管道所產生的回流強度并不相同，因而所取的低壓取壓n的位置也各不相同：為實現上述目的，本文對管道在不同流速下利用Fluent進行流體仿真，尋求合適的取壓幾。

　　2幾何模型與網格劃分

　　整個檢測段分別由高壓段簡體、低壓段簡體、噴嘴部分組成。噴嘴流量計總長392mm，外直徑89mm，內直徑tp65mm高壓段簡體與低壓段簡體之間靠噴嘴流量計連接～流體從高壓段簡體流進，流經噴嘴流量計，從低壓段簡體流m。在模擬過程中，由于噴嘴流量計為軸對稱模型，故進行了簡化處理(計算域選取一半)，岡2僅給出了模型計算域的局部網格劃分：為了模擬實際流動狀態，利用meshing生成了結構化網格【6罐]，于噴嘴附近流場變化劇烈，在噴嘴附近將網格進行局部加密，邊界采用膨脹層，有助于改善網格質量，為保持網格的光滑度、避免因鄰近單元而積的快速變化而導致大的截斷誤差和節省計算時間等目的。使skewness中的數值小于0．9、入口邊界設置為沿管道軸向均勻速度入rI，出口為壓力m幾，各求解變量收斂殘差值沒置為ll0～，求解器為瞬態求解，壁面無滑移。

　　3邊界條件設置及結果分析

　　噴嘴流量計內部流動的介質為濕蒸汽，屬于氣液兩相流。其T況性質如表1所示。入rI邊界設置為沿管道軸向均勻速度人口mFl為壓力出口，流體從管道左側流入，右側流出。

　　3．1壓力分布

　　3、4幣【】『殳15別為5、l0和l6MPa下流道內部截面力云，從中町以日J]顯的看：流體從左側進入僻道，力較均勻，隨著流體流通積變窄，每個噴瞄m?)lh~itl、,f的后方都m現了旋流，l1．旋流的大體趨勢桐近，rH：EH為漩流分離現象流仆從噴嘴喉部處兩flJ!IJ脫離產生旋流，流體流過噴嘴，旋流強度『}]強變弱，最后慢慢趨于穩定隨菥境的不斷變化，噴嘴l-j倚道之問的縫隙處的旋流度不斷變化CFI；、的，力也都是在旋流發聲體附近較弱，達到一個最fEfi~，向下游的同時力l衛會逐漸加強，隨爪力義隨著流道的擴張而逐漸恢復

　　3．2速度分布

　　『殳16、7和8分別為5、10a和16MPa下的速度云I殳1，f皇19、岡10和罔l1分別為5、l0和l6MPa下的速度欠量從速度矢量I$1fj~夠清晰地看到旋流，這是為根據流量守恒的要求，流體流過管道時．流入的量和流出的量卡開等，!J!Ij通道窄過流『百『積小時，流速較大：兇此，速度在噴嘴處突然變大，在，流體會小同程度的流往噴嘴下游丁僻道內壁縫隙處，[尺J此在噴嘴尾部會產生漩流，流過噴嘴后下降并逐漸jl=3于穩定12給ffI_r速度在噴嘴下游低壓外輪廓與管道內壁的{問軸線處的分布曲線南可，大11，南于壁面的摩擦，流體進入管道產生能撾損火，壓力緩慢下降，拊能量守恒，速度會有所提升隨著流體斷靶近IJ?、；Ih噴嘴，通流面積逐漸減小，速度在節流體處變化較大。流體在噴嘴H處形成旋流，并不同程度的向內蔓延。旋流主要體現在噴嘴后一定范，同時在噴嘴與管道內壁夾縫的最里端則會形成卡反力向的旋流．如速度矢量所爪，對應曲線276n31]l處也會產牛相應的波動殲H隨著壓力的增大，速度在此處也會增加的越快，隨符流體離噴嘴越來越遠，速度義逐漸達到半衡。

　　4取壓位置的優化

　　根據模擬結，高壓段簡體I大J流體的JJ分和速度分伽比較均勻，同時高取管H觜的焊接置噴嘴入廣l端帕ilk：保持一定距離，兩者不離的太近，則安裝?。甪因此高取廣_=I取住距離噴嘴入n端i~iHqR于1．6D處．選取低取』i-{『]時，南f低取處在噴嘴下游，在噴嘴喉部外表I自『管道『人】問張近廣I端而處流休會牛旋流，如8、9和10流場速度矢所，J，他得低樂取壓腔俸內局部壓力發生變化，為避免漩流，以捩得穩定的筘，低壓取樂開位置選擇住低樂取樂腔內力卡f1塒穩定的地力～以噴嘴流汁流體人【]斷而為起，m廣l斷而為終點，如衷2所，j選取低壓取樂腔體內不同位置在5、10、l6MPa種不同]一況壓力條什下低壓端壓力分值，此1『以看}I低取腔體內266mm位置至嗩嘴術端而270mm化罱種廠況條件下壓力降低變化郜很明顯，這是為噴嘴末端旋流導致此，低壓取樂【1軸線選擇征離噴嘴{I1斷面逆荇流體流動力向不小于0．09D處。

　　5結論

　　以流體力學為理淪研究基礎，利用FLUENT仿真軟件塒6．5nw11J1徑不同J：況壓力下噴嘴流fI-汁進行數值模擬，得淪：噴嘴附近流體力場以及速度場變化復雜，噴嘴喉部末端樂力急速下降，速度急刷I丌．產生旋流分離現象，造成低』取J怵內力小穩，此選取低壓取廣1位置時J、避免旋流，同時取管嘴的焊接位置j噴嘴入I1端而J保持一定距離，兩并不要離的太近，則會加大炙裝難度卡}5據模v~,Xf=-士H分析，商Jt{llkJfn取在離嗩嘴入幾端而不低于1．6D處，低JK．tt~壓『1軸線選擇在距離噴嘴ft1斷而逆荇流體流動方向不小丁0．09D處。

　　雖然采用流場數值模擬實際測l~1．-jfi差一樣仔卉誤，fL【用本文所建、的流場數cf[模擬模型r以對噴嘴流量計流場分規律進i體形象的研究，并可根據具體的應用場合汁箅?棚心的參數，仿iLTH果與理論推導卡H符合高，則通過構建多室型MFC性能是更經濟的。

　　MFC能夠在處理廢水的同時產電，未來發展的前景巨大，MFC構型優化可獨立或協同促進其性能的提升，因此未來需要更多的研究人員投入MFC構型的研究，比如質子膜性能的提升L2。未來對新型MFC改進設計應以空氣型單室MFC為基礎，構建多個立體化的陽極室，再加以堆棧方式進一步有

　　效的提升MFC產電性能。

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