一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法。传统汽、水管道压力测点取压孔开孔位置位于管道壁面竖直方向或水平方向中心点，由于管道内部流动复杂，开孔处压力并不能准确反映出流体的平均压力。本发明专利技术方法的研究内容为：如何在复杂汽、水管道壁面确定压力测点最佳开孔位置。本发明专利技术的方案为：采用CFD软件对管道流动情况进行模拟，在获得管道内部详细流场压力分布数据后对数据进行分析、计算，最终在管壁上获得一条或多条推荐开孔位置曲线，在曲线上任意位置开孔，其压力都等于其所在截面的平均压力。与传统方法相比，本发明专利技术所确定的管道开孔位置能够更为准确的反应管道内部压力，基本消除了由于开孔位置不当导致的压力数据测量误差。

Method for determining pressure sampling position of complex steam and water pipe

The invention discloses a method for determining the pressure sampling position of a complex steam pipe. Take the pressure holes in the pipe wall of vertical or horizontal direction at the center of the traditional steam pipe, measuring pressure, because of the complex flow, opening pressure and can not accurately reflect the average fluid pressure. The method of the present invention is as follows: how to determine the optimal opening position of the pressure measuring point on the wall of the complex steam and water pipeline. The solution of the present invention for pipe flow was simulated by CFD software, in the pipeline with internal flow field pressure distribution data for data analysis and calculation, obtain one or more recommended on the pipe wall hole position curve, any position openings in the curve, the pressure is equal to the average pressure the section. Compared with the traditional method, the pipe opening position of the invention can more accurately reflect the internal pressure of the pipeline, and basically eliminate the error of the measurement of the pressure data caused by improper opening position.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于流体动力学
，具体涉及一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法。
技术介绍
：AMSE PTC6《汽轮机性能试验规程》是美国机械工程协会颁布的用以作为汽轮机设备性能试验和考核验收的标准。该标准详细叙述了汽轮机性能试验的操作流程、试验需要的测点种类及数量、规定了相应测试仪表的精度的测量方法，并阐述了各主要测点测量误差对试验结果的不确定度影响。其中，诸如主蒸汽压力、高压缸排汽压力、再热蒸汽压力等测点对性能试验结果具有至关重要的影响。例如，典型燃煤机组汽轮机性能试验中，主蒸汽压力测量误差对汽轮机热耗率的影响量约为：0.05％/％。除上述主要压力测点外，其余汽、水侧压力测点测量的准确性均对性能试验结果有一定的影响。AMSE PTC6中规定：压力测点取压孔都应安装在直管段上且要尽可能远离上游的弯管或其他障碍物。但是，由于某些机组场地有限，管道布置较为紧凑，许多管道无法完全满足规程中对于压力取样开孔位置的要求。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，该方法能够有效解决如何在复杂汽、水管道壁面确定压力测点最佳开孔位置的问题。利用该方法对某一具体的汽、水管道进行研究分析，将在该管道壁面获得一条或者若干条最佳开孔取压位置曲线，并将获得组成该曲线的所有离散点的详细坐标数据。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现：一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，包括以下步骤：1)利用数值计算方法对管道内部流场进行预测，获得管道内部的压力分布数据；2)将汽、水管道沿中心轴线截取一系列截面，根据步骤1)得到的管道内部压力分布数据，求取各截面流量平均压力值；3)根据步骤3)沿中心轴线截取得到的一系列截面，将所有截面与管壁相交所得环形上压力分布数据从数值计算结果中导出，得到圆环上的压力分布数据；4)比较步骤2)及步骤3)得到的各截面平均压力值与圆环上的压力分布数据，找到各截面圆环上的压力等值点位置坐标；5)根据步骤4)得到的各截面圆环上的等值点位置坐标，从管道入口开始将各截面圆环上的等值点连接成光滑曲线，并通过计算区分适合开孔的等值点结果曲线及不推荐开孔的积点曲线；6)将步骤5)计算得到的等值点结果曲线及积点曲线在三维型体建模软件中进行绘制，并最终给出等值点结果曲线离散点数据列表。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：101)对管道进行型体建模，由于数值计算边界条件的局限性，对管道入口及出口直管段进行延长，进、出口均延长2倍以上管径；102)将建模完成的管道模型导入Ansys-CFX自带网格制作软件ICEM中进行网格制作，建立结构化六面体网格，为了对管道近壁面流体边界层进行准确模拟，对近壁面流体边界层网格进行加密；为了更加准确地捕捉弯头处的流场细节，对各弯头处网格节点数沿轴向进行加密；为了获得高质量网格，在整个管道内部，采用O型网格拓扑结构；按照网格节点数量不同制作5种网格，从而对计算结果进行网格无关性验证；103)在Ansys-CFX软件中对数值计算方法进行设定，首先，设定计算模型：采用三维、定常的湍流流动模型，考虑到蒸汽的物性会随着流动过程中受到的摩擦阻力等发生变化，所以计算模型对蒸汽能量的变化也进行了考虑；其次，给定边界条件：入口边界给定为质量流量入口，即给定入口质量流量、流动速度分布、入口静温分布，出口边界给定为压力出口，即给定出口静压分布，固体壁面设定为无滑移的边界条件，采用标准壁面函数法；最后，进行求解设置：工质给定为水蒸汽，物性参数根据IAPWS-IF97公式计算，选用标准k-ε模型，应用SIMPLE算法，通过压力-速度耦合对公式(1)～(5)进行迭代计算：连续性方程 ∂ ( ρu i ) ∂ x i = 0 - - - ( 1 ) ]]>动量方程 ∂ ( ρu i u j ) ∂ x j = - ∂ p ∂ x i + ∂ ∂ x j [ μ e f f ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) - 2 3 μ e f f ∂ u k ∂ x k ] - - - ( 2 ) ]]>能量方程 ∂ ∂ x 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用数值计算方法对管道内部流场进行预测，获得管道内部的压力分布数据；2)将汽、水管道沿中心轴线截取一系列截面，根据步骤1)得到的管道内部压力分布数据，求取各截面流量平均压力值；3)根据步骤3)沿中心轴线截取得到的一系列截面，将所有截面与管壁相交所得环形上压力分布数据从数值计算结果中导出，得到圆环上的压力分布数据；4)比较步骤2)及步骤3)得到的各截面平均压力值与圆环上的压力分布数据，找到各截面圆环上的压力等值点位置坐标；5)根据步骤4)得到的各截面圆环上的等值点位置坐标，从管道入口开始将各截面圆环上的等值点连接成光滑曲线，并通过计算区分适合开孔的等值点结果曲线及不推荐开孔的积点曲线；6)将步骤5)计算得到的等值点结果曲线及积点曲线在三维型体建模软件中进行绘制，并最终给出等值点结果曲线离散点数据列表。

【技术特征摘要】
1.一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用数值计算方法对管道内部流场进行预测，获得管道内部的压力分布数据；2)将汽、水管道沿中心轴线截取一系列截面，根据步骤1)得到的管道内部压力分布数据，求取各截面流量平均压力值；3)根据步骤3)沿中心轴线截取得到的一系列截面，将所有截面与管壁相交所得环形上压力分布数据从数值计算结果中导出，得到圆环上的压力分布数据；4)比较步骤2)及步骤3)得到的各截面平均压力值与圆环上的压力分布数据，找到各截面圆环上的压力等值点位置坐标；5)根据步骤4)得到的各截面圆环上的等值点位置坐标，从管道入口开始将各截面圆环上的等值点连接成光滑曲线，并通过计算区分适合开孔的等值点结果曲线及不推荐开孔的积点曲线；6)将步骤5)计算得到的等值点结果曲线及积点曲线在三维型体建模软件中进行绘制，并最终给出等值点结果曲线离散点数据列表。2.根据权利要求1所述的一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：101)对管道进行型体建模，由于数值计算边界条件的局限性，对管道入口及出口直管段进行延长，进、出口均延长2倍以上管径；102)将建模完成的管道模型导入Ansys-CFX自带网格制作软件ICEM中进行网格制作，建立结构化六面体网格，为了对管道近壁面流体边界层进行准确模拟，对近壁面流体边界层网格进行加密；为了更加准确地捕捉弯头处的流场细节，对各弯头处网格节点数沿轴向进行加密；为了获得高质量网格，在整个管道内部，采用O型网格拓扑结构；按照网格节点数量不同制作5种网格，从而对计算结果进行网格无关性验证；103)在Ansys-CFX软件中对数值计算方法进行设定，首先，设定计算模型：采用三维、定常的湍流流动模型，考虑到蒸汽的物性会随着流动过程中受到的摩擦阻力等发生变化，所以计算模型对蒸汽能量的变化也进行了考虑；其次，给定边界条件：入口边界给定为质量流量入口，即给定入口质量流量、流动速度分布、入口静温分布，出口边界给定为压力出口，即给定出口静压分布，固体壁面设定为无滑移的边界条件，采用标准壁面函数法；最后，进行求解设置：工质给定为水蒸汽，物性参数根据IAPWS-IF97公式计算，选用标准k-ε模型，应用SIMPLE算法，通过压力-速度耦合对公式(1)～(5)进行迭代计算：连续性方程 ∂ ( ρu i ) ∂ x i = 0 - - - ( 1 ) ]]>动量方程 ∂ ( ρu i u j ) ∂ x j = - ∂ p ∂ x i + ∂ ∂ x j [ μ e f f ( ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ) - 2 3 μ e f f ∂ u k ∂ x k ] - - - ( 2 ) ]]>能量方程 ∂ ∂ x i [ u i ( ρ E + p ) ] = ∂ ∂ x i [ k e f f ∂ T ∂ x i - Σ j h j J j + u ( τ i j ) e f f ] + s h - - - ( 3 ) ]]>湍动能方程 ∂ ( ρku i ) ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( μ + μ t σ k ) ∂ k ∂ x j ] + G K - ρ ϵ - - - ( 4 ) ]]>湍动能耗散方程 ∂ ( ρϵu i ) ∂ x i = ∂ ∂ x j [ ( μ + μ t σ ϵ ) ∂ ϵ ∂ x j ] + C ϵ 1 ϵ k G K - C ϵ 2 ρ ϵ 2 k - - - ( 5 ) ]]>式中：ui为流体在xi方向上的速度，i＝1,2,3分别代表x、y、z方向；有效粘度ueff计算公式为μ为动力粘度；ρ为流体密度；p为流体静压；h为流体比焓；E为流体比内能，Jj’为组分j’的扩散通量；sk为热源项；τeff为应力张量；keff为有效导热系数，keff＝k+kf；Gk为由于平均速度梯度而产生的湍动能，在标准k-ε模型中，根据推荐值及实验验证，模型常数C1ε，C2ε，Cμ，σk,σε的取值为：C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3；104)对多种网格节点数量下的数值计算结果进行比较，以对数值计算结果的网格无关性进行验证，最终得到管道内部的压力分布数据。3.根据权利要求1所述的一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法如下：201)选择各截面之间的距离，各直管段截面之间的距离应与开孔孔径相当，弯头处的截面小于开孔孔径的0.5倍；202)在型体建模软件中，建立各截面模型，并在各截面上绘制出三个不在同一条直线上的特征点，将该三个点的坐标在型体建模软件中查询获得，最终得到所有截面的三个特征点坐标；203)在Ansys-CFX软件后处理模块中，采用输入三点坐标方式确定各截面位置，将所有截面依次在Ansys-CFX软件后处理模块中建立；204)在Ansys-CFX软件后处理模块中，采用参数的流量平均函数，求出各截面流量平均绝对压力，计算公式如下所示： P m a s s _ a v e = P i × M i Σ 1 n M i - - - ( 6 ) ]]>式中：Pmass_ave为流量平均压力，Pa；Pi为网格节点处流体静压力，Pa；Mi为网格节点处流体质点质量，kg；n为管道某一截面上的网格节点总数。4.根据权利要求1所述的一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法如下：在Ansys-CFX软件后处理模块中，将沿管道轴线各截面与管道壁面相交的圆环上的静压力数据从软件中导出，得到所有圆环上的压力分布数据。5.根据权利要求1所述的一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法如下：401)确定所有截面圆环上的等值点，其中，等值点就是管道上某一截面与壁面相交的圆环上与该截面流量平均静压力相等的位置点；402)如公式(7)所示，通过比较各截面流量平均压力数值与圆环上的各点压力数值，确定该圆环存在的压力等值点个数； N = Σ 1 m ( i f ( ( P m a s s _ a v e - P i - 1 ) × ( P m a s s _ a v e - P i ) < = 0 ) ) - - - ( 7 ) ]]>式中：N为某一截面的等值点个数；Pmass_ave为圆环所在截面的流量平均压力，Pa；Pi为圆环上原圆周上某一方向排列的坐标点压力值，Pa；m为圆环上的点个数；403)在确定各圆环的等值点个数过程中，同时利用线性插值方法确定等值点的坐标，计算方法如公式(8)所示： x = a b s ( P m a s s _ a v e - P ...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛志恒，邢乐强，刘磊，赵鹏程，王伟锋，吴涛，付昶，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61