基于FEA和CFD的燃气调压器辅助设计及应用探究.PPTVIP

* 作者：刘剑 穆宁 燃气调压器流量计算及相关讨论 一、前言 二、燃气调压器流量计算公式的推导 三、几点讨论 目录 四、总结 一、前 言 随着国内燃气行业的发展，燃气调压器的需求逐渐增多，燃气调压器的生产厂家也越来越多。作为设备生产厂家，在依据国家标准抑或欧洲标准生产燃气调压器时，将标准中的内容应用到实际设计和生产过程中，但就标准中的某些内容，比如调压器的流量计算，许多厂家只是“拿来用”，并没有“知其然并知其所以然”。 因此本文针对调压器的流量计算公式进行了相关推导，以此来描述调压器流量系数的“前世今生”，并对调压器流量计算和测试及相关问题提出几点建议供大家讨论。 前言 二、燃气调压器流量 计算公式的推导 假设条件 绝热可逆（等熵） 一维定常流 非黏性流体 进口为滞止状态（V=0） 绝热可逆（等熵）：理想的过程，指在过程中没有发生熵变，熵值保持恒定 绝热：系统与外界间无热量交换； 可逆：指热力学系统在状态变化时经历的一种理想过程。热力学系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态后，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，即使系统回到原来状态，同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。 一维定常流 一维流：流道的每个横截面上，所有流动参数都是均匀的，且在该截面上为常数。其有两个含义：1、流道的横截面积不沿流动方向变化或者变化缓慢；2、流道的曲率很小。 定常流：流场中所有流动参数均不随时间发生变化； 进口为滞止状态（V=0） 滞止状态：为了达到给定流体的实际流动状态，从无限大容积中流出的流体必须从这个滞止状态开始加速。 理论方程 动量方程：动量守恒定律在流体力学中的表达式 伯努利方程 （1） 理论方程 连续性方程：流体质量守恒定律的数学表述 A为当量流通面积 （2） 理论方程 能量方程：不考虑流体对外做功，以及无外功和传热 h为焓 （3） 公式推导 流体流经节流孔 ISA流量测试管路配置图 公式推导 根据前面的假设条件和理论公式，可以得出流经节流孔的液体流速和压力差的平方根是成正比的（不考虑空化和汽蚀）。 体积流量 （4） 公式推导 令： G为相对密度， 为水的密度， 为流量系数 体积流量 上式即为控制阀的基本流量方程，压力单位为磅每平方英尺，流量单位为加仑每分钟 （5） 公式推导 由上式可得控制阀流量系数的计算公式： 由此可得出控制阀的流量系数 的定义：压力降1psi的情况下，在1min内流经阀门的水（40°F-100°F）的加仑数。 （6） 公式推导 如果考虑到不同的流体（如气体）以及其他变量（如压力，密度，温度等），需要通过引入转换因素，并将流量的单位从加仑每分钟转化为标准大气压下60°F立方英尺每小时。在兰氏绝对温标下，60°F对应520°R，且60°F空气的密度为1，考虑不同气体时，还要考虑和60°F空气的相对密度（G）和绝对温度（T）。 （7） 公式推导 由于是从液体流体导出的，因此在非常小的 下（即此时气体流体不用考虑可压缩性），7式才是有效的，但当 （压力降与进口压力的比值）超过0.02时，该式误差会比较大。由于未考虑气体的可压缩性和增大压降可能会到达临界流，按7式计算出的流量曲线和实际的流量曲线出现如下图所示的差异。 公式推导 如果考虑到临界流（在节流截面上由于气体流速增加引起的柱塞流），节流截面的气体流速达到音速（1马赫）时，通过降低出口压力来增大 并不能使流量增加。因此，当达到临界流条件后，通过7式计算出的流量和实际流体差别非常大，也即7式不再适用。 公式推导 为了解决上述问题，需要在基于 的流量计算公式中引入阀门的气体流量系数。因此引入 。在考虑不同气体相对于60°F的空气的相对密度以及不同的温度条件，临界流条件下的阀门流量方程可表述为： （8） 公式推导 9式即为调压器流量系数的计算公式。由此可以从数学上推导出调压器的流量系数 的定义：进口压力为1psi，温度为60°F的情况下，在临界状态下，调压器全开在1h内流过的空气的立方英尺数。 将8式变换为： （9） 公式推导 现在用9式推导非临界状态时的流量计算公式。 令： （10） C1为气体流量系数和液体流量系数的比值，其表征阀门压力恢复能力。 公式推导 由于 则可认为 又 则： 即： （11） 公式推导 11式即为燃气调压器的非临界条件下的流量计算公式（单位为英制单位） 令 （12） 则11式可改写成： （13） 13式为EN334中燃气调压器的非临界条件下的流量计算公式（单