[导读] 采用RSM雷诺应力湍流模型，应用SIMPLE算法，数值模拟了入口马赫为0.105 时的文丘里管流场结构。
文丘里管流量计以其结构简单、适用工况范围广、易于实时监控等优点在诸如煤气、电力、水泥等众多能源动力工业领域被广泛的应用，随着工业信息化技术的飞速发展，人们对其测量精度、实时监控等性能提出了越来越高的要求，许多单位和学者对其进行了深入的研究。就目前研究现状而言还主要停留在针对某一具体的流量计通过试验及经验公式标定其流量修正系数的水平上，对文丘里管的流场缺乏全面的研究，尤其是采用数值模拟手段来研究其流场的还很少见到；另一方面，通过试验得到的流量修正系数又会因为流量计的实际工作的工况条件同试验室测试的工况条件存在较大的差别而同实际工况的流量修正系数存在一定的误差，从而造成测量精度的下降。数值模拟技术以其高效、低成本、能适应多种可变因素等优势在越来越多的领域得到推广和应用，并得到了实践的证实。水泥烧成系统的工况流场由于高温、化学反应、外形庞大等多种可变因素的原因使其很难完全通过试验来研究其流场结构，但采用数值模拟手段可以较为容易克服这些因素，实现对文丘里管流量计的流场的研究，并将研究结果应用于中材建设有限公司的国外工程项目中。
1 数学模型及算法
根据工程应用中提供的二次风管的文丘里管、三次风管的文丘里管（以下简称风管二、风管三）结构图纸建立三维几何模型，采用完全结构化六面体网格，风管二、风管三分别生成525150、452996个计算网格，风管三计算网格如图1所示：
风管二、三工况最大气体流量分别为320000m3/h、490000m3/h，气体温度为900～1000℃，直径分别为2.344 m、2.2 m，喉管直径分别为1.278 m、1.083 m，喉管入口锥角、出口锥角分别为21°、11°，喉管长度分别为2.5 m、2 m。为了研究入口锥角、出口锥角、喉管长度、喉管直径等主要结构尺寸对文丘里管性能的影响，对风管三采用改变其中一个结构尺寸，同时保证其余结构尺寸不变的方案，分别建立几何模型，生成计算网格。
根据风管二、风管三的工况条件及其结构尺寸，计算二者的入口马赫数分别为0.105、0.068，人口常温雷诺数分别为3577.5、5188（工况条件下由于空气动力粘度的数量级10-6，而密度的数量级仅为10-1 ，使工况雷诺数要远远大于常温雷诺数），再根据计算流体力学的相关理论及大量的工程实践可以判定该文丘里管的流动状态为不可压缩湍流流动。湍流模型选用雷诺应力模型，模型方程如下：
（1）连续方程
（2）雷诺平均N-S方程
（3）雷诺应力输送方程
上述各微分方程连同方程（3）的模型封闭方程（限于篇幅的关系这里不再给出.）组成的湍流运动方程组采用CFD通用软件包Fluent6.1.22进行求解：控制容积法化微分方程为差分方程，差分格式均采用一阶迎风差分格式，对离散方程组的压力速度耦合采用经典的SIMPLE算法求解，求解代数方程采用三对角矩阵TDMA逐线迭代及低松弛因子联合求解，收敛标准均取各因变量相邻2次迭代残差<10-4。
2 数值模拟结果
从表1、表2 的计算结果可以明显看出文丘里管的阻力同其结构参数等因素存在以下规律性：① 喉管长度、喉管直径、入口风速是影响其阻力的主要因素，减小喉管长度、增大喉管直径度可大幅度降低阻力，尤其是流量较大的工况条件；② 在其它条件不变的条件下，前角从21°～30°。的变化范围内，阻力先减小后增大，在22°取得最小值；③ 在其它条件不变的条件下，后角从10°～12°的变化范围内，阻力先减小后增大，在11°取得最小值；因此，在不改变喉管长度及直径的条件下，建议将前角设计为22°，后角设计为11°。
限于篇幅的关系，这里仅给出优化设计后风管二的文丘里管模拟流场图。图2～图5为风管二改变入口角、出口角分别为22°、11°后的压力云图、速度矢量图，风管三的流场结构同风管二基本上是相同的，这里就不再给出其流场图。从速度矢量图中可以看出以下特征：① 喉管流场结构均匀，除喉管进出口附近区域外，其余喉管流场可以认为理想的均一流场结构；② 出口角的大小影响着气流流出喉管后的管道速度均匀性，从总压图和速度矢量图上可以明显看出这一特征；③ 喉管处的静压值远低于其余各处的静压值，且整个喉管长度范围内静压基本上呈均匀分布；④ 喉管处的气流速度要远大于入口风速，且在整个喉管长度范围内速度也基本上呈均匀分布。
3 结论
（1）喉管长度、喉管直径、入口风速是影响文丘里管阻力的主要因素，减小喉管长度、增大喉管直径度可大幅度降低阻力，尤其是流量较大的工况条件；在其它条件不变的条件下，入口锥角、出口锥角分别取22°、11°时阻力取得最小值；
（2）文丘里管喉管流场结构均匀，且整个喉管长度范围内的静压值远低于入口静压值，使得气流通过整个文丘里管的阻力要远低于通过入口锥、喉管的局部阻力，从而使其成为理想的压差流量计（在不增加系统阻力的条件下，提高压差信号的相对测量精度）；喉管气流速度也基本呈均匀分布，且远高于入口速度，从而造成文丘里管的阻力主要产生在喉管长度范围内，因此从降阻的角度考虑，喉管长度不宜设计过长，从压力云图上可以看出将喉管长度取喉管直径的大小基本不会破坏其流场结构。
（3）作为压差式流量计使用的文丘里管，其前、后两静压测孔分别布置在文丘里管入口管壁处、喉管1/2长度管壁处较为合理，流量计算截面应选在喉管1/2长度轴截面。
（4）数值模拟可以很容易地模拟文丘里管流量计实际工况条件下的流场，从而得到反映实际工况的更为准确的流量计算修正系数，实现提高测量精度的目的。