基于cfd灌溉机井管道液相流场的数值模拟-王萍.pdf

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1、基于D灌溉机井管道液相流场的数值模拟王 萍1，2， 杨 超1（1.天津工业大学电气工程与自动化学院， 天津 300387；2.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387）摘 要：为改善农用灌溉时差法超声波流量计的测量精确度， 利用Fluent软件中的标准k-模型对灌溉机井管道液相流场进行三维数值模拟，观察机井管道水平轴截面和竖直轴截面的压力云图以及速度分布图，分析管道内流体的速度分布特性，并在此基础上提出平均流速修正公式，对其进行实验验证.结果表明：受弯管G80G81流G82G83G84出水管流场G85G86，G87截面速度分布G88G89明G8A，G8BG8CG8D流量计

2、G8E量精确度.G8F修正G90流量计测量精确度提G91G8D4.9%.关键词：CFD数值模拟G92灌溉机井管G93G92弯管G80G94流G92液体流场G92标准k-模型G92流速修正中图分类号：TB937 文献标志码：A 文章编号：1671-024X（2018）01-0068-06收稿日期：2017-01-11基金项目：国家自然科学基金资助面上项目（61372011）；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2014AA093403）通讯简介：王 萍（1961），女，教授，主要研究方向为流量检测与计算机控制理论及应用. E-mail：DOI：10.3969/j.issn.1671-0

3、24x.2018.01.012umerical simulation of irrigation well pipeline liquid flow based on DWANG Ping1，2，YANG Chao1（1. School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2. Key Labo-ratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology，Tianjin Poly

4、technic University，Tianjin 300387，China）bstract：To improve the accuracy of the Jet lag ultrasonic flowmeter for the agricultural irrigation， the continuous flow fieldwithin pipeline of irrigation well is simulated with the standard k- model in Fluent software， the pressurenephogram and the velocity

5、distribution in horizontal and vertical cross-section are observed to analyze thecharacteristic of fluid velocity distribution in pipeline. The average velocity correction formula of the pipeline isestablished and proved by the experiment. The results show that the pipe flow field is disturbed by th

6、e secondaryflow of elbow， the velocity distribution of each section is obviously different and the measuring accuracy of themeter is reduced. After velocity correction， the measurement accuracy of the meter increases by 4.9%.Key words：CFD numerical simulation；irrigation well pipeline；secondary flow

7、of elbow；liquid flow；standard k- mod-el；velocity correction随着仪表技术的发展，超声波流量计开始广泛应用于农用灌G80G81G82，G83G84点G85于G86G87G88G89，计量G8AG8BG8C高，G8DG8EG8FG90G91，G92G93能G94G95G87G96G97G98测量1.G99G9A，超声波流量计研究G81G82的重G9B方向为G9CG9DG9EG9FGA0制GA1工GA2GA3 GA4GA5GA6GA7与GA8理的GA9G8BGAAGAB及GACGADGAE.GAFGB0GB1GB22GA6GB3GB4GB5G

8、B6GB7技术GB8GB9测量GBA波GA4GA5GBBGBCGBDGBE，GA6高测量G8AG8C；GBFGC0GC13GC2GC3超声波流量计GC4GC5G84声GC6GC7GC8GC9GA7G95G87研究.GCAGC3于流GCB流GCC的GCD化与GCEGCFGC3流量计测量G8AG8C的GD0GD1研究GD2GD3.实GD4GD5GD6GD7，灌G80机GD8GB3GD9GDAGDBGDC于G96GDDGCE发展流GCC，GDEGC3GDFGE0GE1超声波流量计的测量G8AG8CGD6GD5GE2GE3GE4GE5.GE6GE7GE8理论上GCEGE9机GD8GDAGDBG96GD

9、DGCE发展GDA流GEAGEBGEC的流GCBGEDG8CGCEGCFGEEGAA，GEF用计算流GCBG8F学GB4GF0GF1GF2与实流测GF3GF4GF5GF6的方GE1，G8BG89GF7GF8流GCC的GB4学GF1GF9，G9F究流GCCGCEGCFGFAGFB，G95GFCGA6GB3GB6GB7流GEDGFDGFEGFF式，通过实验验证，GA6高流量计的测量G8AG8BG8C.1 时差法流量测量原理GDFGE0GE1测量的原理是利用超声波脉冲G85流GCBGD7顺流和逆流传播过程GD7的GDF间GE0来计算流GCB流GED，再将流GEDG95一步换算成流量，如图1所示.2个

10、超声波换能G9E被斜向GC3称安装G85被测量GDAGDB两侧，换能G9EAGA3B同GDFGA1为发GD5G9E（T1，T2）和G97收G9E天津工业大学学报 第 37卷 第 1期2018年 2月Vol.37 No.1February 2018万方数据第 1期（R1，R2）交替工作，超声波声速为C，水流速度为u.设超声波顺流传播时间为t1，逆流传播时间为 t2，流体流速的超声波束传播方向分量为ucos ，W为截面宽度， 在本例中即为圆管直径D.由此导出t1与t2的表达式为：t1= L/（C + ucos ）t2= L/（C - ucos !）（1）进而推导出流体流速表达式为：u =Wsin

11、21t1-1t2 # （2）管道内流量等于流体平均流速乘以管道截面积，计算表达式为：Q =W34sin 21t1-1t2 $ （3）由于W等于直径D，所以流量进一步表示为：Q =D34sin 21t1-1t2% $ （4）在天津工业大学工程实训中心流量测量实验室采用既有时差法流量计进行实际流速测量，通过调节变G80G81G82的G83速G84水流G85G86速度设G87为2.5 m/s，G88G89测量管道为90G8A管的G82G8B出水管道G8CG8D.表1所示为出水管G8EG876DG8F测量速度的3G90G91G8DG92.由表1G93以G94出，在实际工G95G96G97中，G98G9

12、9G9AG9BG9C的流体流G9D90G8A管G9E， 在流量计传G9FGA0GA1GA2G8EG87G8F测GA3流体流GA4速度变GA5.为GA6GA7时差法流量计的测量GA8度，本GA9GAAGAB管道内GACGAD流GAE的GAF学G8CG8D，GB0G82G8B管道GB1GB2分GB3GB4管流GB5G95G9C的流体速度分GB6GB7GB8进行分GB9.2 流体力学求解2.1 几何模型的建立本GA9G88G89GBA水GBBGBCGBDGBAG8DGBEGBF水GBB为GC0GC1GAAGABG8CG8D，GC2流量为70 m3/h，GC3程 22 m，GC4水管径为 100mm，

13、G9D计算流速GC5为2.5 m/s.GC6用GambitGC7GC8GAAGABGC990G8A管的G82G8B出水管道G8CG8D，G8CG8DG89GCA直方向GCB度为20GCC管径， 水平方向GCB度为10GCC管径， G8A径GCDGCE为1.5，所GAAG8CG8DGCFGD02所示.为GD1GA3GD2GD3GD4的GD5GD6GB8与GA8GD7度，面GD8GD9采用GDAGDBGDC法，在G8A道G8FGDDGDEGD8GD9，GD8GD9GDFGAF量为9.63 105GE0.2.2 设定边界条件和流动区域G88GE1GE2GE3GE4G8D为VELOCITY_INLET

14、，出GE3设G87为OUT_FLOW，GC2GE5管道GE6面GE7GE8为GE9GE6WALL.设G99流GA4GEAGEB为G82G8B出水管道的GECGE0GEDGEE实体， GE4G8D为GEFFLUIDGF0.GF1G9E，G84GD8GD9GA9GC8GF2GF3GC4出.2.3 利用luent求解器求解G84GD8GD9GA9GC8GF4G89GD2Fluent GC7GC8中进行GACGADGF5GF6计算.由于流体为GF7G93GF8GF9GFAGB8流体， GFBGF5GF6GA0G88GE1GB1GFCGFDGFE式算法.通过GB0GFF续方程和N-S方程进行时均化G8F

15、理，GA3GD2在笛卡尔坐GC0G9C的G99常、绝热、GFAGB8、GF7G93GF8GF9流体流GA4的控制方程4.GFF续GB8方程：鄣ui鄣xi= 0 （5）运GA4方程：鄣鄣t（ui）+鄣鄣xi（uiui）=-鄣p鄣t+鄣鄣xi鄣鄣xi- uiui! ）+ Si（6）式中：ui为空气的平均速度；p为平均GF8强；Si为源项；uiui为雷诺应力， G93由Boussinesgue等GFA涡黏GB8G8CG8D来计算.湍流GAFG92G8C拟采用GC0GC1k- 湍流G8CG8D来描述流体流GA4，该G8CG8D的湍GA4能k和耗散GCE的运GC4方程为：图1 超声波流量检测原理图ig.

16、1 ltrasonic flow detection schematicsAT1，R1ut2t1LWBT2，R2表1 位置6D处水平轴截面的速度数据ab.1 elocity data of 6D horizontal axis section测试G90序 1 2 3速度G91G8DG92/（ms-1） 2.35 2.37 2.35（a）G8CG8D正视GD0图2 网格划分图ig.2 Diagram of meshingzxyzxy（b）管道截面GD0王 萍，等：基于CFD灌溉G82G8B管道液相流GAE的GAFG92G8C拟69 万方数据第 37 卷天 津 工 业 大 学 学 报DkDt=鄣鄣

17、xi+tk #鄣k鄣xi! +Gk+Gb-YM （7）DDt=鄣鄣xi +tk #鄣鄣xi! +C1K（Gk+ C3Gb）- C22k（8）式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生项；Gb为由浮力引起的湍动能产生项；YM为可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响.湍流黏性系数t=Ck2/，模型常数C1= 1.44，C2= 1.92，C= 0.09，k=1.0，= 1.35-6.本次试验所选流体为液体，给定初始速度为2.5 m/s，温度设定为20 ， 密度为998.2 kg/m3， 运动黏度为1.003 g/（ms）.经计算，管道雷诺数大于临界值2 000，流体流动属于湍流， 由经验公式计算出湍

18、流强度为0.033 8%， 圆柱管道水力直径即为管径DH= 0.1 m.考虑到潜水泵电机在持续做G80G81G82G83力，所G84G85G86考虑G83力G87G88.2.4 残差图分析初始G89流G8AG8B， 对流G8A模型G8CG8DG8EG8F计算， G903所G91为模G92系G93G94G95G90.由G903可G84G96出，G8EG8F次数G97到195次G98模型G99本G9AG9B，G9CG9D在G9E雷诺数G9FGA0GA1GA2GA3的G9AG9B速度GA4GA5GA6，计算所G86的G98GA7GA5GA8，G99本G97到设定G9FGA0.2.5 图形仿真结果在模

19、型GA9GAAGABGAC中， GAD散GAEGACGAFGB0G88SIMPLE算GB1， 选GB2GB3GB4GB5GB6GA3式G8CG8DGA9GAA.由于GB7GB8的模G92GB9GBAGBBGBC于GBDGBE， 所G84GBFGC0GC1GC2XYGC3GC4G90GC5GC6G96计算GB9GBA， 选GB2GB7GC7GBFGC0GC8值GC4的GAE式GC5GC9GC0GBDGBEGC4.设定GCAGCB水流速度为2.5 m/sG98，管道GCC直GCDGC3GC4的模G92GCEG90GCFG904所G91.由G904可GD0：（1）在GD1管GCC直GAEGD2流体G

20、CAGCBGD3，由于流体GD4GD5GD6到GD1GD7GD8的影响，G904（a）所G91压力始GD9平GDA，G904（d）流GDBGDCGDDGDEGDF，流体速度均GE0，由于GE1界GE2GE3GE4力的GE5在，G904（b）GE6GE7管GE8GD3GE9GEAGEBGEC流体速度GEDGEE.GEF流体GF0续GD2GF1运动到GD1管GF2GE7G98，管道GF3GF4的流速GF5始GF6GF7GEDGEE，GF8GF9GFAGE6GE7GF3GF4GA1GEDGFB度GFA大；在管道GC1GE8速度GFCGFDGFEGFF，在GD1管最GC1GF4最大速度G97到4.08

21、m/s， 是初始速度的1.63 倍. GBDGBEGD1管GF2GE7的压力GCEG90，GD1管GF3GF4压力G9DGF6大于GC1GF4，这是由于流体G8CGCAGD1管的GAD心力所致.由于GAD心力的G87G88， 在GD1管横GD2GD8出现GB3次流，GB3次流的扰动G87G88使流体速度提G9E7.（2）GBDGBEGD1管出GCBGD3的速度GCEG90和压力GCEG90可GD0， 流体速度出现分GE2现象GF8由GC1GF4到GF3GF4GFCGFD升G9E，紧GE6管GE8GC1GF4最GEE速度GED至1.41 m/s，是初始速度的0.56 倍. 这种现象是由GD1管的

22、特殊GB9GC9导致的，流动GAEGD2的骤GEB使管GE8GC1GF4流体动能损耗， 速度GEDGEE，随着相GE7流体的带动速度GFCGFDGFEGFF.由G904（b）、（c）、（d）可G84G96出，GC1GF4流速始GD9小于GF3GF4，呈现出GBB同流速流体共流的现象8-9.由于实际生产中流量计的安装位置位于GD1管末端横GD2管道GF1， 所G84取横GD2管道GF1GD1管90GC3GC4G84及2D、4D、6D、8D 4个位置的GCDGD2GC3GC4G87为GBDGBE对象，为了GBC于GBDGBE直接GB0G88 isometric 视角GC3取GF1述 5 个GC3G

23、C4的速度GCEG90G8CG8D对GA4，GCFG905所G91.由G90 5 可GD0，随着流体GD2前流动，GB3次流现象GFCGFD减弱，GF1GE2速度GA5G9E的区域GC4积GFCGFD减小，GEF流体运动到4D长度G98中心GF6G91速度最接GE7初始速度 2.5m/s，但是速度分布仍然GBB均GE0，GCEG90GE5在GA5为G9DGF6的漩涡，只是强度减弱.对GA4G8B4个GC3GC4的速度矢量G90，GCFG906所G91.图3 系统残差图ig.3 ystem residual plots101110-1110-2110-3110-4110-5110-60 2002

24、0 40 60 80 100 120 140 160 180G8EG8F次数剩余误G95连续性X-速度Y-速度Z-速度K值值图4 竖直轴截面的流体运动模拟云图ig.4 luid motion simulation nephogram ofvertical cross-section（b）速度GCEG90（m/s）（a）压力GCEG90（Pa）（d）速度流GDB（m/s）（c）速度矢量（m/s）XZYG94G95值XZYXZYXZY70 万方数据第 1 期由图6可知，2种不同流速的区域在相互融合，上层速度逐渐降低，下层速度逐渐升高，并同时向中心区域的初始速度靠拢.为了更直观对比，分别取横向出水管

25、道竖直轴截面1/4、1/2、3/4处由上及下3条直线上的点绘制出坐标图显示速度的变化，如图7所示.由图 7 可以看出：在横向管道中轴线上，流体在经过弯管达到最大速度峰值后呈下降趋势， 在0.4 m附近处达到最小值并逐G80上升G81初始值2.5 m/s附近.在竖直轴截面上G82G83出水管道的G84同层面以及G84同G85G86的流速G87别G88大，流体速度分层G89显，G8A值G8BG8C，对G8DG8E的流G8FG90G91G8FG92G93G94G87.G95G96，G97G98在G82G83出水管道的水G99轴截面G9AG9B流G8FG90，下面G9CG9DisometricG9EG

26、9FGA0GA1分GA2水G99轴截面的流体GA3GA4GA5GA6，如图8所示.由图8可知，流体流经弯管，在水G99轴截面中心区域的流速低GA7GA8GA9流速， 在速度GAA图上呈GAB低速GACGADGAEGAFGB0流体GB1GB2向GB3GA3GA4，中心区域流速逐渐升高， 并GB4GA8GA9融合GB5近.分GB6取水G99轴截面由GB3向后1/4、1/2、3/4处的3条直线GB7绘速度变化，如图9所示.由图9可知，在水G99轴截面管道GA8GA9的流体速度变化趋势GB8GB9GBA合.中GBB区域的流体速度GB4GB3GBC竖直截面分GA2GBDGBE相同，流体速度在流经弯管GB

27、FGC0最大值后下降G81最小值GB1GC1逐渐上升GB4GA8GA9速度融合，显GC2GC3GC4GC5到GC6GC7流的GC8GC98-9.2.6 数值模拟计算流速GCA过上GCB分GA2，相对GA7竖直轴截面的流体速度分图8 水平轴截面的流体运动模拟云图ig.8 luid motion simulation nephogram of horizontalcross-sectionGCCdGCD速度流线GCCm/sGCDGCCcGCD速度GCEG8FGCCm/sGCDGCCbGCD速度GAA图GCCm/sGCDGCCaGCDGCFGD0GAA图GCCPaGCD图5 典型位置截面速度云图（m

28、/s）ig.5 elocity nephogram of section at typical positions（m/s）XZY图6 截面速度矢量图（m/s）ig.6 elocity vector of different section（m/s）GCCdGCDG85G868DGCCcGCDG85G866DGCCbGCDG85G864DGCCaGCDG85G862DXZYXZYXZYXZYXZYXZYXZYXZY3.253.002.752.502.252.001.751.501.251.000.750.50速度/GCCmGD1s-1 GCD0 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0

29、.6 0.7 0.8 0.9G85G86/m1/2处1/4处3/4处图7 竖直截面速度曲线ig.7 elocity curves of vertical cross-section3.002.802.602.402.202.001.801.60速度/GCCmGD1s-1GCD0 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9G85G86/m1/2处1/4处3/4处图9 水平截面速度曲线ig.9 elocity curves of horizontal cross-sectionGD2 GD3，GD4GD5GB8GA7CFDGD6GD7G82G83管道GD8相流GD

30、9的G8A值GDAGDB71GDC GDC万方数据第 37 卷天 津 工 业 大 学 学 报层且速度不对称分布的情况，水平轴截面的速度分布更适合作为流量计探头安装位置进行流量检测.选取入口速度为2.5 m/s时，在流速相对稳定的6D位置处对水平轴截面进行3点数据统计.在该截面上取一条与管道夹角成60的切线，将该切线四等分，测量每一段上的3点速度值. V1方向为水流流动方向， 将速度矢量投影到水平和垂直2个方向上，如图10所示.在Fluent软件中输入几何模型6D位置处的切线上G80数值G81G82点的X轴G83Y轴和Z轴的G84G85值， 模G86G87的流速数据如G882所示.G88 2 中

31、的数据为G89 Fluent 软件G8A处G8BG8AG8CG87的数据，如图10所示将G8DG8EG8FG90G91G92等分成4段，分G93为abG83bcG83cdG83de段，G94G8AG95将每一段分G93取G941/4G831/2G833/4点位置计G96G87G94速度值vG97G98水平方向速度值v1，G9912个G9A的数据将作为数值模G86数据， 与G9BG9CG9DG9BG9E测量流速值进行G9FGA0GA1GA2GA3成流速数值的GA4GA5GA6GA7.3 流量补偿计算在G9BG9E测量时，GA8G8DG8EGA9GAA装置安装在GABGACG87水管水平轴截面的G

32、ADG8AGAEGAF，GB0GB1对GB2GB3GB4面的流量GA6GB5GB6数的GB7GB8计G96GB9GBAGBB的GA6GA7GB6数10-15.GA8G8DG8EGBC流与GBD流GBEG90时GBFGB2GB3GC0GC1GC2GC3GC4t为GC5t=t2-t1=2Lu cos C2- u2cos2GC69GC7GC8GC9u cos CGC0GCAGCBGCCGC69GC7GCDG97GCEGCF为GC5t2Lu cos C2GC610GC7G882统计GD0Fluent模G86条件GD1GD2流速度为2.5 m/s时GC0 G87水管GD3水平轴截面上位置6D处测量切线G

33、80点水平方向的速度数据.为GD0GD4GD5测量GD6度GC0 GD7合GD8GD9时GC4GDA流量计G9BG9CG9DG9B流测GDB数据GC0 分G93对该切线4段的中点G831/4 点G97G98 3/4 点处的速度值进行GA6GA7计G96GC0进GDCG81GDDGBAGBB管GD3流量GA6GA7值14. 4段中点处的时GC4GC3和G97G98G9B流测GDB时G8FGDEGDFGA9GAAGE0GE1所GE2时GC4G88GE3GCC为GE4T =4i=1ti =4i=12Luicos 60C2GC611GC7T =2Lnu cos 60C2GC612GC7GE5GE6G8

34、7中点处的GA6GA7GB6数与速度GA6GA7值GE4E1/2=TT=nu4i=1ui=4 2.352.662 + 2.304 + 2.305 + 2.6480.947 GC613GC7u =C2T2L cos =144i=1ui = 2.480 GC614GC7K1/2= u - u = 0.13 m/s GC615GC7GB3G8BGC0 GDDGE7G881中每段1/4点处和3/4点处的GA6GA7GB6数GE4E1/4=TT=nu4i=1ui=4 2.372.703 + 2.347 + 2.287 + 2.5640.956 GC616GC7K1/4= u - u0.11 m/s GC

35、617GC7E3/4=TT=nu4i=1ui=4 2.352.549 + 2.286 + 2.351 + 2.6740.950 GC618GC7K3/4= u - u0.12 m/s GC619GC7GC8上GE8 3 GE9GEAG96GD7GEBGCD计G96GDDGE7平GECGA6GA7GB6数与速度GA6GA7值GE4E =GC6E1/2+ E1/4+ E3/4GC7/30.951 GC620GC7K =GC6K1/2+ K1/4+ K3/4GC7/30.12 GC621GC7G89GB1GA4GA5GA6GA7G8A管GD3GED流GEE流量为GE4Q =D34Esin 21t1-

36、1t2 #= 69.8 m3/h GC622GC7GB0GB1上GE8计G96GCDGEFGC0 GF0入水速度为2.5 m/s时GC0G9B图10 水平轴截面速度矢量俯视图ig.10 elocity vector planform of horizontal cross sectionabcdeV2VV1表2 水平轴截面的速度数据ab.2 elocity data of horizontal axis section分段 a-b b-c c-d d-e中点v值 2.667 2.309 2.310 2.652中点投影v1值 2.662 2.304 2.305 2.6481/4处v值 2.710

37、 2.348 2.298 2.5671/4处v1值 2.703 2.347 2.287 2.5643/4处v值 2.552 2.297 2.352 2.6823/4处v1值 2.549 2.286 2.351 2.67472GF1 GF2万方数据第 1期验室传感器所测得的流体速度为2.35 m/s， 平均流量为66.4 m3/h， 约为CFD模拟所得速度的0.951倍，补偿速度大约为0.12 m/s， 即真实流速需要在传感器实测值的基础上增加0.12 m/s.补偿后平均流量为69.8m3/h，经修正补偿公式计算，测量精确度提升了4.9%.4 结 语本文通过建立农用灌溉机井出水管道流体模型，完成

38、了流场分布计算的理论推导， 分析得出流体经90弯管产生的二次流使出水管流场分布急剧紊乱，经对比，G80G81G82G83分布对G84G85的水平G86G87G88G89为G8AG8BG8CG8DG8EG8FG90G91G92.为G93G94G95均G96G97G98的弯管二次流流场对G99G9AG9BG8AG8BG8C流量计测量精确度的G9CG9D，基G9E本文提出的G9F型GA0水GA1，GA2GA3CFDGA4真GA5GA6GA7实验室实GA8测量GA5GA6，提出平均流速修正公式，GA9GAAG82体GABGACGAD的流速GA7流量补偿GAEGA5.GA2GAFGB0GB1， 经补偿后

39、流量计测量精确度提升4.9%.本GB2GB3在GB4GB5GB6度上G93G94了流场分布GB7均对流量计测量精确度的G9CG9D，对GB8G83GB9GBAGBB用在G95GBC分G97G98流场的G99G9AG9BG8AG8BG8C流量计的GB6GBDGBEGB6GBF流量修正G82G83GC0GC1GC2值.参考文献：1 GC3GC4，GC5GC6GC7，GC8GC9GCA，GCB.GCC用农GCD灌溉水GB0精确G85GBFGCEGCFGCEGD0测GD1GD2GC2J.灌溉GD3水GD4GD5，2015，34GD610GD7GD819-24.CHEN Z， FAN Y S， ZHOU

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