一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，包括被标定S型皮托管与校准风洞的三维几何模型构建和计算网格的生成、Fluent求解器求解、结果后处理及S型皮托管系数计算；本发明专利技术采用CFD数值模拟方法充分考虑了S型皮托管的加入对风洞内流场的影响，考虑了S型皮托管周围的流场复杂性，克服了原有S型皮托管实流测试投资大、效率低等缺点，精确再现了实流标定时，整体风洞内流场与S型皮托管周围流场形态，从而实现了对S型皮托管系数的准确计算，为今后S型皮托管的标定提供了一种简单高效价格低廉的方法，大大降低了新品S型皮托管的设计成本以及使用中S型皮托管系数的标定成本，具有广阔的应用前景与经济价值。

A Calibration Method of S-Pitot Coefficient Based on CFD

The invention discloses a method for calibrating S-type pitot coefficient based on CFD numerical calculation, which includes the construction of three-dimensional geometric model of calibrated S-type pitot and calibrated wind tunnel, generation of computational grid, solution of Fluent solver, post-processing of results and calculation of S-type pitot coefficient. The CFD numerical simulation method fully considers the influence of S-type pitot tube on the flow field in wind tunnel. Considering the complexity of flow field around S-type pitot tube, it overcomes the shortcomings of the original S-type pitot tube, such as high investment and low efficiency, and accurately reproduces the flow field in the whole wind tunnel and the flow field around S-type pitot tube during the real-flow calibration, thus realizing the accurate calculation of S-type pitot coefficient, providing a simple, efficient and low-cost method for the future calibration of S-type pitot tube. The method greatly reduces the design cost of the new S-type pitot tube and the calibration cost of the S-type pitot tube coefficient in use. It has broad application prospects and economic value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法
本专利技术涉及管道测量领域，尤指一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法。
技术介绍
S型皮托管是一种典型的用于测量烟道气体流速的一类计量仪表，在固定排放源环保监测与核查领域应用广泛。S形皮托管是由两根外形及弯曲形式完全相同的空心金属管背向焊接而成，测头端分别背向两个方向开孔，面对气体来流方向的开孔称为总压孔，背对气体来流方向的开孔称为静压孔，金属管尾端与微压计相连，可以测量总压孔与静压孔之间的差压。进而通过伯努利方程，并结合皮托管系数便可以求得S型皮托管处的流速，反之可以通过校准风洞得知S型皮托管所在处的标准流速，进而由伯努利方程确定S型皮托管的系数。上述关系的数学表达式为：S型皮托管的系数准确性直接关系到由其测量的气体流速准确性，所以准确地标定S型皮托管的系数对于其准确测量及相关环保监测有重要意义。目前S型皮托管的系数标定主要由校准风洞的实流试验完成，主要技术依据为JJG518-1998《皮托管检定规程》，由校准风洞在其试验段提供稳定流场，将S型皮托管放入风洞试验段中心位置，通过将被检S型皮托管测得流速与同位置标准皮托管测得流速比对，进而获得被检S型皮托管的标定系数，该方法步骤繁复，效率低下。计算流体力学是随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析，尤其适用于多相流及各种边界条件下的复杂流场问题的求解。可以用极低的成本完成大型复杂流体的实验仿真，且结果具有普遍性，大大降低相关工业设计制造成本。目前，尚无文献或专利披露将CFD方法应用与气体流速仪表的校准。特别是针对S型皮托管的校准。如何通过数值计算的方法，简单高效地获得S型皮托管的系数与目前实流标定方法相比具有现实意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是现有的S型皮托管的系数标定主要由校准风洞的实流试验完成，该方法步骤繁复，效率低下，缺少通过数值计算，简单高效地获得S型皮托管的系数的方法，现提供一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，从而解决上述问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：本专利技术提供一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，包括如下具体步骤：S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和副体积网格进行修复；S14：整体考察多次迭代修复完成后的网格数量与网格质量，输出msh文件；S2：利用求解器和控制方程对S1中网格进行求解，所述求解过程包括边界条件设定、求解方程设定、湍流模型设定、收敛条件设定和计算求解，该计算求解的具体步骤为：S21：将步骤S14中生成的msh网格文件导入Fluent软件中，对网格进行检查，网格检查中不能有负体积网格、不能出现左手规则网格，检查通过后对计算域尺寸进行设置；S22：对求解器进行设置，选择基于压力稳态的求解器，忽略重力影响，对求解模型进行设置，开启能量方程，选择湍流模型为K-e两方程湍流模型，开启增强壁面功能，对皮托管近壁面流场进行数据分析；S23：设定计算域流体介质为空气，密度1.225kg/m3；S24：依据实际风洞校准S型皮托管的流速要求，设置进出口边界条件，设置入口边界条件为质量流速入口，入口流速依据标定流速要求确定，依据实际几何模型尺寸设置湍流模型中进口等效水力直径，进口湍流度设置为1％，出口边界条件设置为自由流出口；S25：设置求解方法与松弛因子，求解算法中动量向、湍流能项、湍流耗散项和能量项在一阶格式计算收敛后换成二阶格式，设定收敛条件、开启求解监视器；S26：设定计算起始边界、初始化流场，检查算例正确后，进行迭代计算，直至满足S25中设置的收敛条件；S3：数值计算结果后处理与皮托管系数的计算，使用Fluent的结果报告功能及坐标图绘制和云图或等值线图绘制功能，获得总压孔正前方稳定流速值v，以及总压孔截面平均压力P1与静压孔截面平均压力P2的值，通过公式求得S型皮托管标定系数K。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤S1中计算域网格的划分采用网格划分软件进行绘制。作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤S21中若网格的扭曲率较大，则需要对该网格进行光顺化处理。本专利技术所达到的有益效果是：1.本专利技术通过CFD数值计算方法得到的S型皮托管标定系数，为今后S型皮托管的标定提供了一种简单高效价格低廉的方法，即可为新设计的S型皮托管几何模型提供系数参考，也可用于与使用中的S型皮托管系数实流标定结果进行对照或单独使用，大大降低了新品S型皮托管的设计成本以及使用中S型皮托管系数的标定成本，具有广阔的应用前景与经济价值。2.本专利技术采用CFD数值模拟方法充分考虑了S型皮托管的加入对风洞内流场的影响，考虑了S型皮托管周围的流场复杂性，克服了原有S型皮托管实流测试投资大、效率低等缺点，精确再现了实流标定时，整体风洞内流场与S型皮托管周围流场形态，从而实现了对S型皮托管系数的准确计算。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为包含有S型皮托管的校准风洞三维几何模型图；图2为S型皮托管局部放大图；图3为网格划分软件网格生成流程图；图4为包含有S型皮托管的校准风洞网格(y＝0中心截面图)；图5为局部放大的S型皮托管周围网格(y＝0中心截平面图)；图6为Fluent数值计算流程图；图7为包含有S型皮托管的校准风洞中心截平面速度云图；图8速度云图S型皮托管的局部放大；图9为包含有S型皮托管的校准风洞中心截平面速度压力云图；图10为压力云图S型皮托管的局部放大；图11为通过S型皮托管总压孔与静压孔中心轴线的速度变化图；图12为Fluent中结果报告功能报告的S型皮托管总压孔与静压孔截平面的绝对压力及总压口正前方一定距离的气体流速结果。具体实施方式实施例：如图1-12所示，本专利技术提供一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，包括如下具体步骤：S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和副体积网格进行修复；S14：整体考察多次迭代修复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和负体积网格进行修复；S14：整体考察多次迭代修复完成后的网格数量与网格质量，输出msh文件；S2：利用求解器和控制方程对S1中网格进行求解，所述求解过程包括边界条件设定、求解方程设定、湍流模型设定、收敛条件设定和计算求解，该计算求解的具体步骤为：S21：将步骤S14中生成的msh网格文件导入Fluent软件中，对网格进行检查，网格检查中不能有负体积网格、不能出现左手规则网格，检查通过后对计算域尺寸进行设置；S22：对求解器进行设置，选择基于压力稳态的求解器，忽略重力影响，对求解模型进行设置，开启能量方程，选择湍流模型为K‑e两方程湍流模型，开启增强壁面功能，对皮托管近壁面流场进行数据分析；S23：设定计算域流体介质为空气，密度1.225kg/m...

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD数值计算的S型皮托管系数标定方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1：前处理，该前处理包括校准风洞与被校准皮托管几何模型的建立，模拟计算域的确定和计算域的网格划分，具体包括如下步骤：S11：依据实际校准中使用的风洞的几何尺寸与实际被校准皮托管的几何尺寸，使用三维建模软件绘制所述几何模型，保证所绘制几何模型与实际校准风洞与被校准皮托管完全一致；S12：将上述三维几何模型导入网格划分软件中，对导入的文件进行几何修复、计算域生成、计算域划分、网格参数设置、边界层参数设置、最后生成非结构化的面网格和体网格；S13：对生成网格质量进行检查，采用多次迭代方式对低质量网格和负体积网格进行修复；S14：整体考察多次迭代修复完成后的网格数量与网格质量，输出msh文件；S2：利用求解器和控制方程对S1中网格进行求解，所述求解过程包括边界条件设定、求解方程设定、湍流模型设定、收敛条件设定和计算求解，该计算求解的具体步骤为：S21：将步骤S14中生成的msh网格文件导入Fluent软件中，对网格进行检查，网格检查中不能有负体积网格、不能出现左手规则网格，检查通过后对计算域尺寸进行设置；S22：对求解器进行设置，选择基于压力稳态的求解器，忽略重力影响，对求解模型进行设置，开启能量方程，选择湍流模型为K-e...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海洋，张亮，张进明，陈超，刘波，
申请(专利权)人：上海市计量测试技术研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31