摘 要：以50 mm口徑旋進旋渦流量計為研究對象，利用計算流體動力學軟件FLUENT,采用歐拉- 歐拉模型，結合RNG k-ε湍流模型與SIMPLEC算法對流量計內部進行氣固兩相數值模擬和實驗研究，對旋進旋渦流量計氣固兩相流動中固相的體積分布規律、速度場分布、壓力場分布進行了探討，并做了相應的實驗研究。結果表明：顆粒濃度越大,監測點的壓力頻率越小，流量計讀數越小，流體流動越復雜，在流道壁面上的固體顆粒分布越多。

  多相流廣泛地存在各大工業領域與自然界，而氣固兩相流動是其中重要的組成部分，有很多的中外學者對氣固兩相流現象進行了大量的研究[9]。林金賢等[10]利用數值模擬的方法，分析了彎管內的氣固兩相流現象，指出了顆粒大小與顆粒濃度對固體顆粒在彎管內分布及單位管長壓力損失的影響。楊鈺辰等[11]利用CFD方法對電除塵器進行數值模擬研究，比較全面地分析了氣固兩相流動對電除塵器效率的影響。蔣夢婷等[12]利用數值模擬計算與實驗驗證的方法對旋風分離器內部流動及顆粒運動特性進行了研究，并分析了顆粒的受力情況對旋風分離器性能的影響。

1、數學模型與計算方法：
1.1、物理模型：
  本次研究的對象是口徑為50 mm的旋進旋渦流量計，流道的二維幾何模型以及消旋器的二維圖如圖1所示；起旋器、消旋器以及全流域幾何三維模型如圖2所示。
1.2、網格劃分：
  本文利用ICEM軟件對流量計模型進行網格劃分，入口延伸段、收縮段、喉部及出口延伸段采用結構網格劃分，由于起旋器部分結構比較復雜，故采用非結構網格劃分，如圖3所示。各部分網格數與節點數分別為：入口延伸段45 623、128 600，起旋器部分297 244、74 898，喉部74 377、186 428，出口延伸段384 903、1 029 028。

1.3、計算方法：
  進口邊界條件選擇速度進口（velocity），出口邊界條件設為壓力出口，其值設為1個標準大氣壓；壁面邊界條件采用無滑移邊界條件，在流量計管道近壁面處采用標準壁面函數。本次計算采用的是歐拉-歐拉方法，選取RNG k-ε湍流模型與SIMPLEC算法相結合的計算方法。計算中的湍流模型采用默認的混合湍流模型，該模型中的常數項均采用默認的數值。在計算方法中各動量參數與體積分數計算均采用一階迎風格式。

圖 3 網格劃分

  流量計對流量Q=10 m3/h、Q=22.5 m3/h、Q=37.5 m3/h、Q=60 m3/h、Q=105 m3/h、Q=150 m3/h六個工況點進行了標定實驗，實驗結果與數值模擬結果如圖4所示。由圖4可以看出，在誤差允許范圍內，模擬結果與實驗結果是吻合的，說明本次模擬采用的模型是正確的。

圖4 標定結果

2.2、氣體單相的數值模擬：
  本次模擬對工況點Q=60 m3/h、Q=45 m3/h、Q=37.5 m3/h進行了數值模擬，模擬采用RNG k-ε湍流模型與SIPPLEC算法相結合的數值計算方法，監測點P點的壓力脈動如圖5所示。

圖 5 P 點壓力脈動
  在Q=60 m3/h時，流量計橫截面與監測點截面一個周期的壓力云圖如圖6、圖7所示。由圖5可以看出隨著工況點的增大流量計產生的壓力脈動頻率增大，流量越大，氣體的速度就越大，在監測點的壓力值就越大。從流體壓力云圖6、圖7可以看出，流量計渦核的壓力是***小的，沿著壁面逐漸增加。橫截面在t=0.05 s時的速度云圖如圖8所示。

圖8 一個周期內速度云圖（m/s）圖9 一個周期內流線圖

2.3、氣固兩相數值模擬：
  本次模擬計算的固相為玻璃粉，平均粒徑d=0.104mm，密度ρ2=2600 kg/m3，固氣質量比濃度為C=0.21、C=0.42、C=0.63、C=0.84四種。當Q=60 m3/h時，監測點的壓力脈動如圖10所示。

圖10 Q=60 m3/h時P點氣體壓力脈動

圖11 各工況點頻率變化圖圖 12 橫截面壓力云圖（Pa）
  當Q=60 m3/h時，監測點P點在t=0.035 64 s時刻截面氣體單相模擬與氣固兩相模擬的氣相壓力云圖如圖14所示，由于固體顆粒對流量計管道壁有碰撞作用，氣固兩相流對監測點的壓力要大一些。由云圖可知，在旋進旋渦流量計的喉部與擴張段的管道中心氣固兩相氣流的壓力要比氣體單相的壓力整體偏大，氣流的低壓區要比氣體單項時更多，氣流的壓力梯度更為復雜。當Q=60 m3/h，固氣體積比C=0.01時在一個周期內氣體在旋進旋渦流量計流道內的體積分布與監測點橫截面的體積分布情況如圖15、圖16所示。由圖15、圖16可知，氣體的體積分布跟氣體的流動規律一樣，在流量計收縮段與喉部的旋渦流旋渦中心分布

圖13 P點截面壓力云圖圖14 t=0.035 64 s時刻P點截面的壓力云圖（Pa）圖15 橫截面氣相體積分布圖圖16 P點截面氣相體積分布云圖
***高。固體顆粒由于與流量計流道壁面以及起旋器壁面之間相互力的作用，有很大一部分固體顆粒分布在流量計流道壁面與起旋器壁面。

3、實驗研究：
  為了與數值模擬計算進行對比分析，本文對流量計進行了氣固兩相實驗，本次是在一個氣力輸送的管網系統中進行的，固體顆粒為玻璃粉。數值模擬與實驗結果對比分析結果如圖17所示。由圖17可知，隨著顆粒濃度的增大，顆粒對實驗結果的影響越大，數值模擬結果與實驗結果之間的差值有增大的趨勢，但在誤差允許范圍內，數值模擬結果與實驗結果是相符合的。

4、結論：
1）隨著顆粒濃度的增加，旋進旋渦流量計各工況點在監測點P點的壓力脈動頻率呈現線性下降的趨勢。當固氣質量比濃度C=0時（氣體單相時）氣流的脈動頻率值***大。
2）當氣流流入旋進旋渦流量計的收縮段時，氣流流速會增大，并形成旋渦流，經過擴展段時氣流流速會急劇減小，旋渦流渦核繞著流量計軸線做順時針運動，此時旋渦流的流動***為復雜，當流過消旋器后，旋渦流的流動逐漸平穩，旋渦逐漸消失，***后氣流平穩地流過流量計出口。
3）流量計的氣固兩相流動中，氣體的體積分布與氣流的流動規律一致，在收縮段與喉部主要分布在旋渦中心，有很大一部分固體顆粒分布在流量計流道壁面以及起旋器壁面。