为提高对内外管压差流量计压力损失的认识，为流量计的优化设计提供一个重要基础，进行了关键因素对内外管压差流量计压损影响的 Fluent 仿真试验研究。 定义了内外管压差流量计的等效直径比。 在水为介质的情况下，设计了不同参数（等效直径比、异径比、雷诺数）下共计 20 组模型，从永久压损和压损比 2 个角度进行分析对比。

0.引言

内外管差压流量计是一种新型差压式流量计。

该流量计设计的取压位置为管的同一截面上，消除了节流件前后摩阻压降对压差信号的影响，相同的流量下， 获得的压差信号较传统的压差流量计大，提高了信号的灵敏度， 其节流方式较传统流量计对流体的扰动减小， 提高了压差信号的稳定性；在相同的压差信号下，其压力损失比内锥式流量计要小很多，符合作为煤层气测量的要求。 但是，目前对影响内外管压差流量计压力损失的具体因素研究较少，而研究关键因素对该流量压损的影响有助于该流量计优化设计，为其设计提供一定的指导意义。

1.基本结构及理论

（1）基本结构

内外管压差流量计结构如图 1 所示，流量计以道轴线定位安装， 主体结构由前直管段 （大径d1）、梯形段、后直管段（小径 d2）组成，外取压口在管道壁上取流道 2 的压力，内取压口在支架中空取流道 1 的压力，内外取压口为前直管段同一截面的中分水平面两侧； 前取压口在距流量计前端面 2D（D为管道直径）的管道壁面上，后取压口距流量计后端面 1D。 前后取压口压差是本文要研究的压力损失。

（2）理论基础

与其他类型的压差式流量计相同，内外管压差量计的工作原理同样是基于流体连续方程和伯努利方程。

对于不可压缩流体，体积流量为

式中 C—流出系数；K1、K2—流道 1 和流道 2 的压缩比；

A—管道的截面积。

（3）影响压损的关键因素根据内外管压差流量计的结构分析，忽略沿程压损，前后直管段长度适当取值；流量计形状参数中， 梯形段倾角 θ 取流体与壁面即将分离的角度时压损最小，取 θ＝7°。 为了消除大径、小径的具体数值对该流量计压损的影响，本文选用异径比 k 和等效直径比 β 进行试验研究。 定义异径比为小径与大径之比，类比于孔板流量计和 V 锥流量计，定义内外管压差流量计的等效直径比 β 为通流面积

雷诺数是影响液压元件压损的一个重要因素，本文从异径比、等效直径比和雷诺数 3 个方面研究对内外管压差流量计的影响。

2.流量计的流场仿真

为方便参数化建模，本文采用 UG 进行三维实体建模，然后导入 Fluent 进行仿真。 建模中管道内径为 DN20 的标准直径 准27.2 mm，流体采用常温水。

（1）建立模型

为了得出异径比和等效直径比 β 与压损之间的关系， 在雷诺数 Re 相同的情况下， 分别取 β ＝0.9，0.85，0.8，0.7 四组；在 4 组等效直径比下分别取k=0.3，0.4，0.5，0.6 建立模型，共 16 组。

为了解雷诺数 Re 与压损的关系，在相同等效直径比下，建立 4 组不同雷诺数模型，进行比较分析。

由于所建模型较多，采用 UG 参数化建模，缩短三维建模时间。 建立三维模型后，导入 Fluent 进行网格划分，本文中模型采用非结构四面体网格划分，3 为 β=0.8，k=0.5 的网格划分结果，有 9 521 个节，44 115 个单元。

（2）仿真设定与数据提取

本文所涉及的流动均为湍流流动，选择 RNG k-ε 湍流模型，亚松弛因子采用默认值，残差收敛精度设为 1E-6。参数控制器设置中，压力选择 2 阶，其他为默认值。 以进口速度进行初始化，进口速度设置中，选用湍流强度和水力直径进行设置，水力直径为管道直径，湍流强度数据提取：前取压点为流量计前 2D 中心，后取压点为流量计后 1D，内外取压点分别为流量计前直管段中段的内外侧。

3.仿真结果及数据分析

对于压差式流量计，压损一般分为永久压损和相对压损。 永久压损是指流体由平稳流动流经流量计节流件后产生压差，再到平稳流动，在这个过程中因节流件产生的永久压力损失，本文的绝对压损为前后压差值；相对压损是指绝对压损与压差信号之比，本文定义压损比 σ 为内外管压差流量计的相对压损

从表 1 中可以看到，在相同雷诺数、相同等效直径比、不同异径比的情况下，内外管压差流量计的永久压损值变化很小，最多不超过 4%；而相同雷诺数、不同等效直径比，该流量计的永久压损值变化很大，随着等效直径比的减小而增大；从表 2 中可以看出相同雷诺数、相同异径比下，压损比随着等效直径比的减小而增大；从表 3 中可以得到在相同等效直径比、相同异径比下，永久压损值和信号值都随着雷诺数的增大而增大，且其增大的倍数约等于雷诺数增大倍数的二次方，但是压损比并没有随雷诺数增大而有明显变化。

4.结语

本文定义了内外管压差流量计的异径比、等效直径比，并通过 Fluent 对影响内外管压差流量计的等效直径比和雷诺数分别作了仿真，结论如下：在一定范围内，相同雷诺数、相同等效直径比下，异径比对内外管压差流量计的永久压损影响很小；内外管压差流量计的永久压损不仅与等效直径比有关，而且与雷诺数有关，当雷诺数相同时，永久压损随着等效直径比的减小而增大，当等效直径比相同时，随着雷诺数增大而增大，永久压损值增大倍数约为雷诺数增大倍数的二次方；内外管压差流量计的压损比与雷诺数无关，它随等效直径比的减小而增大。