基于文丘里管的实训教学改革.pdf

基金项目:年甘肃省高等学校创新基金“先进工业数值仿真软件在流体输送模块化教学的应用研究”(基金编号:A )作者简介:韩雅妮,女,硕士,讲师,主要从事化工单元实验过程的开发与研究.基于文丘里管的实训教学改革韩雅妮,刘哲(兰州石化职业技术大学 应用化学工程学院,甘肃 兰州 )摘要:流体输送单元是研究流体流动基本理论及流体输送机械的一个模块化课程,是高等职业教育本科化工技术专业开设的一门核心课.为了提高本课程实训教学的质量,本文将数值仿真软件应用到文丘里管的实训教学中,首先通过参照流量测量节流装置国家标准对文丘里管进行参数化结构设计,并使用数值仿真软件对其内部流场进行分析求解,验证数值模型的有效性,然后通过数值仿真软件探讨文丘里管结构、入口速度和介质变化对压降和速度的变化趋势,并组织小组合作讨论分析数值实验结果,弥补现有压差式流量计实训的不足,有利于在实训教学中推广使用.关键词:数值模拟;文丘里管;实训教学;参数化设计中图分类号:T P P r a c t i c a lT e a c h i n gR e f o r mB a s e do nV e n t u r iT u b eH a nY a n i,L i uZ h e(F a c u l t yo fA p p l i e dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,L a n z h o uP e t r o c h e m i c a lU n i v e r s i t yo fV o c a t i o n a lT e c h n o l o g y,L a n z h o u ,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:T h e f l u i d t r a n s f e ru n i t i s am o d u l a r c o u r s e f o r s t u d y i n g t h eb a s i c t h e o r yo f f l u i d f l o wa n d f l u i dc o n v e y i n gm a c h i n e r y,a n di sac o r ec o u r s eo f f e r e db yt h eu n d e r g r a d u a t ec h e m i c a l t e c h n o l o g ym a j o ro fh i g h e rv o c a t i o n a l e d u c a t i o n I no r d e r t o i m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h ep r a c t i c a l t e a c h i n go f t h i sc o u r s e,t h i sp a p e r a p p l i e sn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e t o t h ep r a c t i c a l t e a c h i n go f v e n t u r i t u b e F i r s t l y,b y r e f e r r i n gt o t h en a t i o n a l s t a n d a r do f f l o wm e a s u r e m e n t t h r o t t l ed e v i c e,t h e v e n t u r i t u b e i s p a r a m e t r i c a l l yd e s i g n e d,a n d t h e i n t e r n a l f l o wf i e l d i s a n a l y z e d a n d s o l v e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e t ov e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s so f t h e n u m e r i c a lm o d e l T h e n,t h e t r e n do f p r e s s u r e d r o p a n dv e l o c i t yo f v e n t u r i t u b e s t r u c t u r e,i n l e tv e l o c i t ya n dm e d i u mc h a n g e i sd i s c u s s e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e,a n d t h eg r o u p i so r g a n i z e d t od i s c u s sa n d a n a l y z e t h e n u m e r i c a l e x p e r i m e n t a l r e s u l t s,w h i c hm a k e s u p f o r t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e e x i s t i n gd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef l o w m e t e rt r a i n i n g,w h i c hi sc o n d u c i v et ot h ep r o m o t i o na n du s eo fp r a c t i c a lt r a i n i n ga n d t e a c h i n g K e y w o r d s:n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;v e n t u r i t u b e;p r a c t i c a l t e a c h i n g;p a r a m e t r i cd e s i g n 引言流体流动现象普遍存在于城市供水、供热、化工物料输送等过程中,流体流动过程中必不可少地会使用到流量计,其中以文丘里管为节流元件的差压式流量计因其结构简单,性能稳定,压力损失小,不易被堵塞的优点,广泛在流量测量、调节和控制过程中得到应用.为了增强流量计教学活动的针对性和有效性,提高课堂教学的质量和学生的获得感,采用各种教学手段加强学生协作并开展探究类活动已成为一种新的教学手段.例如:闫乐乐等为避免文丘里管设计过程中因压差传感器量程而导致的大量重复迭代工作,开发了文丘里管设计仿真一体化平台,实现了文丘里管自动优化设计,极大地提高了工作效率.K I T ANA等在流体力学课程中,通过应用可动手操作的小型文丘里管低成本桌面学习模块,帮助学生直观地观察到压力变化趋势,并对流体力学教学效果进行了有效评估.J K B u r g h e r等用I C A P评估学习模式,对流体力学课程中文丘里管进行教学研究,研究结果表明,交互式学习比被动学习能获得更高的学习收益,有助于学生的长期记忆.J K B u r g h e r等将D LM s融入实践课堂,通过开发低成本的文丘里管模型,让学生观察、分析并积极参与教学内容的讨论,加深了学生对相关概念的理解.李玲等对文丘里管局部水头损失和动能修正系数取值范围进行探讨,深化学生对文丘里管流量系数的理解,强化对实验误差来源的认识,提高实验教学质量.李泊文等针对当前流量计教学中存在的理论讲解过于抽象化、实物演示教学设备成本太高的问题,设计了流量计三维教学仿真系统.上述学者用各自的方式进行了与文丘里管相关的教学研究,使用方法各有不同,但均未涉及将文丘里管的数值仿真与实训教学相结合.本文在压差式流量计实训教学中引入数值仿真实验环节,利用数值仿真软件高精度、可视化、高效、低成本、能适应多种可变因素的优势和特点 ,将传统实训教学过程中学生看不到的实验现象图像化,测不准的实验数据精确化,应用数值仿真软件生成现有实训设备无法绘制的压力分布图、速度分布图等可视化图像,通过小组对仿真结果的讨论,强化学生应用所学知识分析和理解数据的能力,同时,数值仿真结果真实可靠,还可作为分析现有实验装置测量误差的一个重要参考.通过真实的实验与虚拟的数值仿真互相补充,锻炼学生独立思考的能力,培养学生的工程应用思维,降低教学成本,弥补了传统实训的不足,有利于推广使用.文丘里管的结构及工作原理充满管道的流体流经管道内的节流装置,流束在节流元件处形成局部收缩,使流速增加,静压力降低,流体在截流件前后产生了静压力差.流体的流速越大,在节流件前后产生的静压力差也越大,所以可通过测量差压图文丘里管三维模型来确定流体流过节流装置时的流量大小,这种测量方法是以能量守恒定律和流体流动连续性方程为基础的.经典文丘里管由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E共个部分依次连接构成,其结构如图所示.经典文丘里管收缩段B为圆锥形,并有 的收缩锥角,收缩段B的直径长度为D,圆筒形喉部C处直径为d,入口圆筒段A与圆锥收缩段B面之间的距离为(Dd),下游终端截止于喉部C与扩散段E相交线的所在平面,其中喉部C的长度等于d,扩散段E为圆锥形,并具有 之间的扩散角.具有机械加工收缩段的经典文丘里管在下述规定条件下使用:mmD mm;(d/D称为喉径比);R e ,在上述条件下,按照国家标准查得孔流系数C .文丘里管的上游取压面位于需要测定流量的管道上距离收缩段进口断面(D/)处,下游取压面位于喉道断面(d/)处(如图所示),两取压面连接有压差计,通过测量个测压面的压差p,通过公式()就可计算管道内流体的体积流量Vs,再经修正即可得到实际体积流量.高校实验室科学技术VsAuCA(pp)p()式中:Vs为体积流量,m/s;C为孔流系数;A为喉径的面积,m;u为喉径处的体积流速,m/s;p为上游圆筒段取压面的压力,P a;p为下游喉径处取压面的压力,P a;为被测流体密度,k g/m.文丘里管流量计数值模拟过程 物理模型的建立本实训课程参照国家标准流量测量节流装置中具有机械加工收缩段的经典文丘里管结构,使用C OM S O LM u l t i p h y s i c s软件中计算流体力学(C F D)模块进行文丘里管结构的参数化数值分析.根据文丘里管流量计结构的对称性,为了简化分析,建立 D轴对称模型,其数值模型如图所示.针对文丘里管结构进行数值分析时作如下假设,:被测流体是不可压缩的牛顿型流体,忽略重力因素影响;流体的物性参数为常数,不随压力和温度发生变化;流体在文丘里管中作稳态流动;采用湍流k 方程模型,并且流体在流经文丘里管时不发生相变.初始边界条件设置流体与管壁面无滑移,固体与流体界面采用了标准壁面函数,管壁处边界设置为边界层,流体入口段使用速度入口边界条件,设置为m/s,流体采用自由流出口,并设置出口压力为P a.图文丘里管网格模型 数值仿真过程流体流动过程遵循质量连续性方程和能量守恒方程,在网格划分时,对文丘里管喉部采用网格加密处理,采用三角形网格,划分后的网格如图所示,网格数量为 ,网格质量 ,然后进行数值计算和分析.图(a)和图(b)分别为实验装置中文丘里管中间剖面的压力分布云图和速度分布云图,从图(a)压力分布云图可见,文丘里管入口段的压力较高,经过圆锥收缩段后,流体的速度增加,相应地压力降低,在喉径处存在一个最低压力区域,随后经过圆锥扩散段后压力逐渐回升,由于喉部的节流作用,流体流经文丘里管进出口后有一个明显的压降值.从图(b)速度分布云图可以看出:在文丘里管喉部有明显的加速现象,经过圆锥扩散段时速度缓慢下降,这是由于流体在通过文丘里管喉部时,压力势能转化为动能,静压减小到最小,速度达到最大值,通过喉部后,速度势能又逐渐转化为压力势能,仿真结果能够比较形象地反映流体在实验技术与方法(a)文丘里管压力分布云图(b)文丘里管速度分布云图图文丘里复制面压力、速度分布云图文丘里管内的流动状态和能量相互转换的关系.结果与讨论 不同流速对流动的影响取D mm,收缩锥角为 ,扩张角为,喉径比,介质为水(温度为 K),考察不同流速m/s m/s变化时,文丘里管内部不同位置流速对压降的影响.图(a)表明在文丘里管结构一定时,不同流速沿程的压力分布图,从图中可以看出随着流速的增加,入口圆筒段测压点与圆筒形喉部测压点之间的压差增加,流速越大,流体流动过程中两个测压点之间的压差越大,符合流量测量计算公式,同时,随着流速的增加,流体通过整个流量计的阻力损失也相应增加.将孔流系数C 和测压管两端的压差代入到文丘里管的流量计算公式()中,并用公式()将数值仿真结果与理论计算出的体积流量进行对比,计算结果如图(b)所示,结果表明,随着流速的增加,体积流量相应地线性增加,将数值计算得到的体积流量与理论(a)不同速度时沿程的压力分布(b)不同流速时的体积流量图不同位置流速对压降的影响高校实验室科学技术计算结果进行对比分析,数值仿真结果误差小于,说明数值仿真结果可靠,可以用数值仿真来代替真实的实验,数值结果满足精度要求.VsA u()式中:Vs为体积流量,m/s;u为管道内流体流速,m/s;A为入口圆筒段横截面积,m.不同扩张角对压降的影响取D mm,流速为m/s时,收缩锥角为 ,喉径比,被测介质为水,讨论扩张角在 变化时对流动的影响,得到数值仿真的计算结果如图所示,从图(a)中可以看出,在相同的流动速度下,入口圆筒段到喉径处的压力逐渐降低,之后逐渐恢复,两个测压面之间的压差变化很小,这说明,在合理区间范围内仅单纯改变扩张角不会对流量测量结果产生影响.图(b)反映了两个测压面的压降及流体流过流量计的永久压损,可以看出流速不变,扩张角改变时,随着扩张角的增大,两个测压口的压降保持不变,对流量的测量精度影响不大,但是随着扩张角的增大,进出流量计的永久压损有所增加,这表明在国标要求的扩张角范围内()都可以很好地保证流量计的测量精度,但是随着扩张角增大,流体通过文丘里管的永久压降会有所增加,但是扩张角太小会给流量计机械加工增加难度,所以,扩张角的大小应该从结构加工和永久压损的角度综合考虑.(a)不同扩张角时沿程的压力分布(b)不同扩张角时的压降图不同扩张角对压降的影响 不同的喉径比对压降的影响取D mm,流速为m/s时,扩张角为 ,喉径比为 时,考察被测介质为水(T K)时,不同喉径比的速度分布,从图(a)、图(b)中可以看出,入口流速不变时,随着喉径比的增加,流体流经喉孔处的速度减小,这是因为保证D不变,随着喉径比的增加,实际增加了喉径d的直径,所以会带来喉径处流速的减小.不同圆筒段直径对流动的影响被测介质为水时,流速为m/s,收缩锥角为 ,扩张角为 ,喉径比为 时,圆筒段直径D取 mm至 mm的速度分布云图,从图(a)、图(b)中可见,不同圆筒段直径时,保持喉径比和流速不变,流实验技术与方法(a)不同喉径比时沿程的速度分布(b)不同喉径比时的速度分布图图不同喉径比时压降的影响(a)不同喉径比时沿程的速度分布(b)不同喉径比时的速度分布图图不同圆筒段直径对流动的影响体在文丘里管的喉径处的流速相同,这表明维持流速不变,改变圆筒段直径间接改变了体积流量.不同介质对流动的影响除此之外,还可考虑不同介质对压降的影响,D mm,流速为m/s时,收缩锥角为 ,扩张角为 ,喉径比为 时,图表示内部介质为 K的水和润滑油时,沿程的压力分布,从图(a)可见,改变被测介质,流量计可以准确地测量出流量的大小,同时,流量计的测量结果不随介质的变化而产生变化,数值计算的结果与理论值吻合较好,但是在流经文丘里管时油的永久压降远大于水的永久压降,这是因为油的黏度大于水造成的,流动介质的黏度增加,流动带来的永久压降越大,阻力损失越大.从图(b)可见,在喉径处油的流速大于水,这是因为在相同的体积流量下,由于油的黏度远大于水,使得在喉径产生了缩脉,缩脉的面积小于喉径造成了喉孔中心的流速大于水的流速.高校实验室科学技术(a)不同流动介质时沿程的压力分布(b)不同介质时的沿程的速度分布图不同介质对流动的影响 结论()数值模拟结果可以直观地描绘文丘里管内部速度场和压力场的分布,帮助学生全面理解文丘里管内部压力和速度分布情况,为学生理解文丘里管结构参数和内部能量转换过程提供可靠依据.()符合国标使用范围内的文丘里管,被测流体的流速越大,流体流动过程中两个测压点之间的压差越大,增加扩张角、减小喉径比、增加圆筒段直径对测量精度的影响都很小,但以上因素变化会增加流体通过流量计的永久压损,改变流动介质不会带来测量结果的改变,但是流动介质的黏度增加,会一定程度地增加永久压损.()利用数值仿真的结果,可以引导学生应用所学知识讨论分析结果产生的原因,让学生从结果出发,利用已有知识通过主动学习对现象进行合理解释,提升数据分析的能力.()数值仿真结果相比操作实训的测量结果更加准确可靠,是学生课下分析讨论实训装置实验误差的一个重要参考依据,通过小组讨论解决减小装置测量误差的原因,为现有实训装置提出二次改造建议,提高学生应用知识解决问题的能力,同时激发学生主动学习数值仿真软件的兴趣,拓展解决问题的思路.()数值仿真可通过数值计算解决现有实训装置改变测量介质和流量计结构的难题.通过数值仿真,用数据说话,保证学生能够更有效地掌握流量计结构、流速、介质等因素对流量测量结果的影响,培养学生精益求精的学习态度,减少了教学培训成本,节约实训时间,同时也是疫情防控期间开展教学实训的一种可行方式.参考文献刘馥瑜,胡效东,梁之西,等基于F L U E N T的文丘里管稳流性能数值模拟J系统仿真学报,():闫乐乐,李楠,王俊莉,等文丘里管设计仿真一体化平台的设计J内燃机与动力装置,():K a i p h a n l i a m K M,N a z e m p o u rA,G o l t e rPB e ta l E f f i c i e n t l ya s s e s s i n gh a n d s O nL e a r n i n gi nf l u i dm e c h a n i c sa tv a r i e db l o o m s t a x o n o m y l e v e l sJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fE n g i n e e r i n gE d u c a t i o n,():B u r g h e r JK,F i n k e lD M,A d e s o p e,e ta l I m p l e m e n t i n ga n da s s e s s i n gi n t e r a c t i v ep h y s i c a lm o d e l si nt h ef l u i dm e c h a n i c sc l a s s r o o mJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fE n g i n e e r i n gE d u c a t i o n,():实验技术与方法N a z e m p o u rA,G o l t e rPB,R i c h a r d sCD,e ta l A s s e s s m e n t so fu l t r a l o w c o s tv e n t u r in o z z l e i nu n d e r g r a d u a t ee n g i n e e r i n gc l a s s e sJ Am e r i c a nS o c i e t yf o rE n g i n e e r i n gE d u c a t i o n,:李玲,陈永灿,谭谦水力学文丘里管实验教学的改进J实验技术与管理,():李泊文,吴冰,黄陈流量计仿真教学系统开发J电子测量技术,():J i a nMZ,J i eL,Z h iLH,e t a l N u m e r i c a l S i m u l a t i o nS o f t w a r eo fC a s t i n gP r o c e s su s e d f o rC o m p u t e rA i d e d I n s t r u c t i o nJA d v a n c e dM a t e r i a l sR e s e a r c h,:LP a l l i n i,SP i r o l i,FZ i r i l l i C o m p u t e r a i d e d i n s t r u c t i o n i nw a v ep r o p a g a t i o np h e n o m e n aJ P h y s i c sE n g i n e e r i n gS c i e n c e a n dE d u c a t i o nJ o u r n a l,():程子霞,王晨辉,务经纬,等变压器可视化教学仿真设计J实验技术与管理,():卢艳,李劲松,程家齐线圈自感互感问题的数值仿真教学案例研究J物理与工程,(Z):张雪松,陈金平,周鹏基于数值模拟的占压管道力学响应虚拟仿真实验J实验技术与管理,():中华人民共和国国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第部分:文丘里管M北京:中国标准出版社,赵二雷,李林坤,王广金,等基于C F D分析的文丘里流量计设计优化J原子能科学技术,():张阳,李杰可调文丘里管水力空化发生特性研究J流体机械,():高校实验室科学技术