CN106202743A - 一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂汽、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。

Description

一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法

技术领域：

本发明属于流体动力学技术领域，具体涉及一种复杂汽、水管道压力取样位置的确定方法。

背景技术：

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。

发明内容：

本发明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，本发明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。

本发明进一步的改进在于，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

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)}{\∂x_i}=0---\left(1\right)$

动量方程

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)}{\∂x_j}=-\frac{\∂p}{\∂x_i}+\frac{\∂}{\∂x_j}\[{\mathrm{\μ}}_{eff}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_{eff}\frac{\∂u_k}{\∂x_k}\]---\left(2\right)$

能量方程

$\frac{\∂}{\∂x_i}\[u_i(\mathrm{\ρ}E+p)\]=\frac{\∂}{\∂x_i}\[k_{eff}\frac{\∂T}{\∂x_i}-\underset{j}{\Σ}{h}_j{J}_j+u{\left({\mathrm{\τ}}_{ij}\right)}_{eff}\]+s_h---\left(3\right)$

湍动能方程

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρku}}_i\right)}{\∂x_i}=\frac{\∂}{\∂x_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\]+G_K-\mathrm{\ρ}\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

湍动能耗散方程

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρ\ϵu}}_i\right)}{\∂x_i}=\frac{\∂}{\∂x_j}\[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\]+C_{\mathrm{\ϵ}1}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}{G}_K-C_{\mathrm{\ϵ}2}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}---\left(5\right)$

式中：u_i为流体在x_i方向上的速度，i＝1,2,3分别代表x、y、z方向；有效粘度u_eff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，J_j’为组分j’的扩散通量；s_k为热源项；τ_eff为应力张量；k_eff为有效导热系数，k_eff＝k+k_f；G_k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C_1ε，C_2ε，C_μ，σ_k,σ_ε的取值为：C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝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。

本发明进一步的改进在于，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：

$P_{mass\_ave}=\frac{P_i\×M_i}{\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_i}---\left(6\right)$

式中：P_{mass_ave}为流量平均压力，Pa；P_i为网格节点处流体静压力，Pa；M_i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。

本发明进一步的改进在于，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。

本发明进一步的改进在于，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；

$N=\underset{1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\left(if\right(\left(P_{mass\_ave}-P_{i-1}\right)\&times;\left(P_{mass\_ave}-P_i\right)<=0\left)\right)---\left(7\right)$

式中：N为某一截面的等值点个数；P_{mass_ave}为圆环所在截面的流量平均压力，Pa；P_i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：

$\left\{\begin{array}{c}x=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(x_i-x_{i-1})+x_{i-1}\\ y=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(y_i-y_{i-1})+y_{i-1}\\ z=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(z_i-z_{i-1})+z_{i-1}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：x、y、z为等值点坐标；x_i、y_i、z_i为等值点相邻下游点坐标，Pa；x_i-1、y_i-1、z_i-1等值点相邻上游点坐标，Pa。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法如下：

501)积点的定义

积点就是管道截面上、下游圆环上出现的不连续的等值点，等值点在两个相邻圆环之间突然减少或者增加，增加或者减少的等值点使等值点连线出现不连续现象；

502)积点曲线的定义

积点曲线就是存在积点的等值点连线；

503)利用等值点数量及距离法判断积点

从管道入口截面往下游截面将等值点进行连接，在连接过程中，由于某一截面圆环可能存在若干等值点，为了判断下一截面的等值点是否为积点，采取等值点数量及距离法综合判断，如公式(9)所示，当上、下游两个环面的等值点个数相等时，认为两个截面均不存在积点；当上、下游两个环面的等值点个数不相等时，则等值点较多的环面存在积点，该积点在管道壁面上、下游圆环之间按照等值点距离最短原则进行的连线最终会导致连线不连续；

${\mathrm{Po}}_{i+1}=\min (l_1,l_2\mathrm{...}{l}_{N_{i+1}})\left\{\begin{array}{ccc}{N}_i=N_{i+1},& n_i=0,& n_{i+1}=0\\ N_i>N_{i+1},& n_i=|N_{i+1}-N_i|,& n_{i+1}=0\\ N_i<N_{i+1},& n_{i+1}=|N_{i+1}-N_i|,& n_i=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中：Po_i+1为与上游圆环等值点相连接的下游圆环等值点；l_i为下游圆环等值点与上游圆环等值点之间的物理距离，mm；N_i为第i各圆环上的等值点个数；n_i为第i各圆环上的积点个数；

504)采用两次循环计算出等值点结果曲线与积点曲线

步骤504)包括以下4步：

5041)定义变量

变量包括：等值点二维坐标数组x，y，z、积点坐标二维数组xp，yp，zp、各截面圆环上点坐标动态数组xx，yy，zz、各截面流量平均压力数组Pav、迭代循环变量i；

5042)第一次循环计算

第一次循环计算，从第一个截面计算至最后一个截面，根据公式(7)、(8)计算出各截面的等值点个数及等值点坐标值，并赋值给等值点坐标数组；

5043)第二次循环计算

第二次循环计算，从第一个截面计算至最后一个截面，根据公式(9)计算出等值点结果曲线及积点曲线；

5044)结果输出

将光滑的等值线连线坐标输出至结果数组中，并将积点曲线等值点连线坐标曲线输出至积点曲线数组中；

505)将各截面圆环等值点按照上述规则进行连接，将得到若干条等值点光滑连接曲线，其中包含积点的等值点曲线即为积点曲线，不含有积点的等值点光滑曲线则为等值点结果曲线。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法如下：

在型体建模软件中，从管道入口至出口将等值点光滑曲线坐标按照样条曲线导入型体建模软件中，在管道壁面生成样条曲线，最终制成示意图纸，并给出等值点光滑曲线坐标位置数据表。

传统汽、水管道压力测量中，测点开孔位置均处于管道水平壁面中心点或者管道壁面顶部中心点。但是，由于管道走向的复杂性及管道内部介质流动的不均匀性，在这两处位置开孔取压进行测量，得到的压力数据并不能代表取样点所在截面的介质平均压力。

在利用本发明方法确定的最佳开孔位置曲线上开孔进行取样，则避免了传统方法存在的缺陷，因为本发明方法确定的最佳开孔位置曲线上的任意点位置压力数值均等于取压点所在截面的平均压力，采用本方法进行开孔取压，能够基本消除由于取压口开孔位置不当导致的压力数据测量误差。

附图说明：

图1为计算实例-蒸汽管道模型。其中图1(1)为该蒸汽管道的正视图，图1(2)为该蒸汽管道的左视图，图1(3)为图1(2)视图中A向视图的放大图，图1(4)为该蒸汽管道模型的轴测图。

图2为本发明的研究方法及期望的最终计算结果示意图。其中图2(2)为图2(1)的局部放大图。

图3所示为本方法的实施过程流程图。

图4所示为本方法的实例建模图。

图5所示为本方法的实例网格划分效果图，其中图5(1)为管道模型整体网格划分示意图，图5(2)为管道模型内部O型网格示意图，图5(3)为管道模型弯头处网格沿轴向加密示意图。

图6所示为实例中的网格无关性验证导出数据位置示意图。

图7所示为实例的网格无关性验证结果示意图。

图8所示为实例管道在数据处理中沿轴线所取截面示意图。其中，图8(1)所示为实例管道所有截面示意图，图8(2)所示为管道弯头处的截面示意图。

图9所示某一圆环上确定等值点个数及位置的方法示意图。

图10所示为等值点连线算法程序流程图。

图11所示为通过该方法得到的实例计算结果曲线，其中，加粗曲线为等值点结果曲线，其余曲线均为积点曲线。

图12所示为在实例管道四个典型截面上，传统压力测点开孔位置与采用本方法得到的开孔位置对比示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，为了尽可能展示本发明的实用性和各种复杂管道的适应性，本示例选择一段在较短距离内存在三个弯头(第一个弯头为90°、第二个弯头为135°、第三个弯头为90°)、四段直管段(其中第二段直管段为45°斜置管道)的蒸汽管道作为研究对象。由于管道内流体经过连续弯头及斜置直管段，因此按照传统工艺在此段管道上布置压力取样测点(水平方向或者竖直向上开孔取样)，所测得的压力有可能与管道实际压力存在较大偏差，难以满足测量精度的需要或者ASME PTC6规程的要求。

利用本方法将最终在汽、水管道壁面获得如图2所示的取样曲线及组成该曲线的离散点坐标。

本发明实施过程的简要流程图如图3流程图所示。第一步：对管道进行型体建模；第二步：将建模完成的管道模型导入CFX自带网格制作软件ICEM中进行网格制作；第三步：在CFX中进行数值计算；第四步：对多个数值计算结果进行比较，对计算方法的网格无关性进行验证；第五步：对管道模型沿管道轴线取截面；第六步：将所截取截面的流量平均压力数据及对应管道壁面环形压力数据从数值计算软件中导出；第七步：编制计算程序比较各截面压力平均数据与管道壁面环形压力数据，找到各截面圆环上的压力等值点；第八步：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；第九步：将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。

下面将按照上述方法对各步骤进行示例性说明。

1、管道型体建模

(1)如图4所示，管道型体建模在三维型体建模软件中完成，管道各处详细尺寸如图1所示。

(2)本示例采用Solidworks建模建立管道三维零件模型，整个管道由单个零件构成。

(3)考虑到数值计算中对管道进、出口边界条件设置时的局限性(无法准确预知管道进、出口截面的速度、压力分布)，在型体建模时，应对所研究管道进、出口管道进行延长，且延长部分最好根据实际管道走向布置选取。

(4)管道建模完成后将管道零件图文件(*.SLDPRT)另存为(*.IGS)格式模型文件。

2、管道内部流动的数值模拟

2.1、ICEM中制作网格

如图5所示，在商用CFD软件CFX网格生成模块ICEM中对所研究管道进行网格划分。其中，主要的网格划分步骤及特点如下：

(1)将Solidworks建模建立的管道三维零件模型(*.IGS)格式文件导入ICEM中。

(2)在ICEM软件中对管道进行分块，建立结构化六面体网格。

(3)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。

(4)为了对弯头处流场细节进行准确捕捉，对各弯头处网格节点数沿轴向进行加密。

(5)为了获得高质量网格，在整个管道内部，采用O型网格拓普结构。

(6)为了进行网格无关性验证，按照网格疏、密程度制作5种网格。在本示例中，网格节点总数分别为20万、40万、60万、90万及115万。

2.2、数值计算方法介绍

对上述管道进行数值计算在CFX中进行，首先在CFX-PRE模块对数值计算方法、边界条件进行设定，生成(*.def)格式前处理文件，然后在CFX-Sover Manager(求解器)中对所设计算模型进行数值计算。

下述步骤(1)～(3)叙述了在CFX-PRE模块进行前处理的内容

(1)建立计算模型。在稳定工况下，主蒸汽的流动可以看作是三维、定常的湍流流动；考虑到主蒸汽在管道内的流动过程中所受到的摩擦阻力等，蒸汽的物性发生了变化，所以还需要考虑蒸汽能量的变化。因此，描述主蒸汽在管道内流动的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和湍流模型方程。用张量形式表示如下：

连续性方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;u}}_i\right)}{\&part;x_i}=0---\left(1\right)$

动量方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;u}}_i{u}_j\right)}{\&part;x_j}=-\frac{\&part;p}{\&part;x_i}+\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;{\mathrm{\&mu;}}_{eff}(\frac{\&part;u_i}{\&part;x_j}+\frac{\&part;u_j}{\&part;x_i})-\frac{2}{3}{\mathrm{\&mu;}}_{eff}\frac{\&part;u_k}{\&part;x_k}\&rsqb;---\left(2\right)$

能量方程

$\frac{\&part;}{\&part;x_i}\&lsqb;u_i(\mathrm{\&rho;}E+p)\&rsqb;=\frac{\&part;}{\&part;x_i}\&lsqb;k_{eff}\frac{\&part;T}{\&part;x_i}-\underset{j}{\&Sigma;}{h}_j{J}_j+u{\left({\mathrm{\&tau;}}_{ij}\right)}_{eff}\&rsqb;+s_h---\left(3\right)$

湍动能方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;ku}}_i\right)}{\&part;x_i}=\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;(\mathrm{\&mu;}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_t}{{\mathrm{\&sigma;}}_k})\frac{\&part;k}{\&part;x_j}\&rsqb;+G_K-\mathrm{\&rho;}\mathrm{\&epsiv;}---\left(4\right)$

湍动能耗散方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;\&epsiv;u}}_i\right)}{\&part;x_i}=\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;(\mathrm{\&mu;}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_t}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}})\frac{\&part;\mathrm{\&epsiv;}}{\&part;x_j}\&rsqb;+C_{\mathrm{\&epsiv;}1}\frac{\mathrm{\&epsiv;}}{k}{G}_K-C_{\mathrm{\&epsiv;}2}\mathrm{\&rho;}\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}{k}---\left(5\right)$

式中：u_i为流体在x_i方向上的速度，i＝1,2,3分别代表x、y、z方向；有效粘度u_eff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，J_j’为组分j’的扩散通量；s_k为热源项；τ_eff为应力张量；k_eff为有效导热系数，k_eff＝k+k_f；G_k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C_1ε，C_2ε，C_μ，σ_k,σ_ε的取值为：C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。

(2)设置边界条件。入口边界设定为质量流量入口边界条件(入口质量流量为243.461kg/s，入口流速为126.925m/s，入口温度为558.5℃)；出口边界设定为压力出口边界条件(出口静压为24.033MPa)；固体壁面设定为无滑移的边界条件，采用标准壁面函数法。

(3)求解设置。流体区域内工质设定为水蒸汽，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-速度耦合进行迭代计算。

通过以上步骤，在CFX-PRE模块中对计算模型机型设置，并最终输出(*.def)格式文件。

在CFX-Sover Manager(求解器)中导入(*.def)格式计算模型文件，设置收敛条件，对上述管道五种网格模型进行迭代计算，并最终获得收敛后的计算结果文件，格式为(*.res)。

3、网格无关性验证

(1)在CFX后处理模块CFX-POST中，分别导入上述五种网格计算结果(*.res)文件。

(2)本示例中，主要的管道流动几何特征为弯头，因此，选择第一段弯头判断网格无关性。

(3)如图6所示，采用第一个弯头外侧压力分布曲线作为网格无关性判据，

(4)在CFX后处理模块CFX-POST中，制作如图6所示的曲线，将曲线坐标通过(*.CSV)格式文件导入CFX-POST。

(5)分别将上述五种网格计算结果中对应曲线上的压力数据导出。

(6)在Tecplot绘图软件中，将五种网格无关性导出压力数据进行绘图对比，如图7所示。

(7)如图7所示，当网格数量大于40万后，所获得的压力分布曲线基本保持一致。

4、对数值模拟结果沿管道轴线取截面

根据图8所示，对数值模拟结果在CFX软件后处理模块CFX-POST中沿轴线截取一系列截面。其中，在各弯头位置进行加密。最终，整个管道共截取351个截面。步骤及要点如下：

(1)所取截面数的确定，是根据所研究对象需要的精度确定，本例中两个截面之间的最大间距为10～15mm，该尺寸与取压孔尺寸相当，精度满足要求。

(2)在型体建模软件中，确定各截面之间的距离，建立各截面模型，并绘制出各截面的三个任意特征点，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，如表1所示；

(3)在CFX后处理模块中，采用输入三点坐标方式确定各截面，如表1所示。

5、取各截面的平均压力及管道环形压力分布数据

(1)针对步骤4中所截取的截面，在CFX-POST模块中，采用流量平均函数，求出各截面流量平均绝对压力，计算公式如下所示：

$P_{mass\_ave}=\frac{P_i\&times;M_i}{\underset{1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{M}_i}---\left(6\right)$

式中：P_{mass_ave}－流量平均压力，Pa；P_i－网格节点处流体静压力，Pa；M_i－网格节点处流体质点质量，kg；n－管道某一截面上的网格节点总数。

(2)导出所有截面与管道壁面相交圆环上的压力分布数据。表2所示为其中某一截面上的流量平均压力数据与对应壁面圆环上的压力分布数据。

6、确定所有截面与管壁相交圆环上的等值点数量及位置

(1)等值点的定义

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。

等值点的特点：1)等值点位于管道某一截面与壁面相交的圆环上；2)等值点不一定与网格节点坐标相同；3)同一圆环上的等值点个数不确定。

(2)如图9及公式(7)所示，对表2的数据，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，如图8所示。

$N=\underset{1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\left(if\right(\left(P_{mass\_ave}-P_{i-1}\right)\&times;\left(P_{mass\_ave}-P_i\right)<=0\left)\right)---\left(7\right)$

式中：N－某一截面的等值点个数；P_{mass_ave}－圆环所在截面的流量平均压力，Pa；P_i－圆环上原圆周上某一方向排列的坐标点压力值，Pa；m－圆环上的点个数。

(3)如图9所示，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。

$\left\{\begin{array}{c}x=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(x_i-x_{i-1})+x_{i-1}\\ y=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(y_i-y_{i-1})+y_{i-1}\\ z=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(z_i-z_{i-1})+z_{i-1}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：x、y、z－等值点坐标；x_i、y_i、z_i－等值点相邻下游点坐标，Pa；x_i-1、y_i-1、z_i-1－等值点相邻上游点坐标，Pa。

7、区分等值点结果曲线与积点曲线

(1)积点的定义

积点就是管道截面上、下游圆环上出现的不连续的等值点，等值点在两个相邻圆环之间突然减少或者增加，增加或者减少的等值点使等值点连线出现不连续现象。

积点的特点：1)积点是等值点的一种；2)积点的出现是由于管道内流体流动沿轴向不均匀造成，例如当流动出现涡流且涡流靠近管道壁面时就可能产生。积点的出现反应出流体在垂直于流动方向上具有一定速度，本例中主要出现在弯头下游；3)积点具有不稳定的特点，当管道雷诺数变化时，积点的坐标位置可能在管道壁面的位置变化较大，甚至出现积点消失的现象。4)在积点位置开孔取压测量管道压力有可能造成所测压力具有较大的波动性，因此本方法不推荐在含有积点的等值线上进行取压开孔。

(2)利用等值点数量及距离法判断积点

从管道入口截面往下游截面将等值点进行连接，在连接过程中，由于某一截面圆环可能存在若干等值点，为了判断下一截面的等值点是否为积点，采取等值点数量及距离法综合判断。如公式(9)所示，当上、下游两个环面的等值点个数相等时，认为两个截面均不存在积点；当上、下游两个环面的等值点个数不相等时，则等值点较多的环面存在积点，该积点在管道壁面上、下游圆环之间按照等值点距离最短原则进行的连线最终会导致连线不连续。

${\mathrm{Po}}_{i+1}=\min (l_1,l_2\mathrm{...}{l}_{N_{i+1}})\left\{\begin{array}{ccc}{N}_i=N_{i+1},& n_i=0,& n_{i+1}=0\\ N_i>N_{i+1},& n_i=|N_{i+1}-N_i|,& n_{i+1}=0\\ N_i<N_{i+1},& n_{i+1}=|N_{i+1}-N_i|,& n_i=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中：Po_i+1－与上游圆环等值点相连接的下游圆环等值点；l_i－下游圆环等值点与上游圆环等值点之间的物理距离，mm；N_i－第i各圆环上的等值点个数；n_i－第i各圆环上的积点个数；

(3)等值点结果曲线及等值点积点曲线

将各截面圆环等值点按照上述规则进行连接，将得到若干条等值点光滑连接曲线，其中包含积点的等值点曲线即为积点曲线，不含有积点的等值点光滑曲线则为等值点结果曲线。

(4)区分等值点结果曲线及积点曲线的计算流程

如图10所示，计算过程主要分为4步：

1)定义变量。

主要的变量包括：等值点坐标数组、各截面圆环上点坐标动态数组、各截面流量平均压力数组、各截面积点坐标数组、其他迭代循环变量。

2)第一次循环计算。

第一次循环计算，从第一个截面计算至最后一个截面，根据公式(7)、(8)计算出各截面的等值点个数及等值点坐标值，并赋值给等值点坐标数组。

3)第二次循环计算。

第二次循环计算，从第一个截面计算至最后一个截面，根据公式(9)计算出等值线结果曲线及积点曲线。

4)结果输出。

将光滑的等值线连线坐标输出至结果数组中，并将积点曲线等值点连线坐标曲线输出至积点曲线数组中，如表3所示。

7、输出等值点并在管道模型上进行绘制

如图11所示，将上述计算得到的等值点结果曲线坐标数组通过Solidworks软件绘制在管道模型上，将各积点曲线也绘制在管道模型上，对计算结果进行检验，确认计算得到的等值点结果曲线未通过积点。

在实际现场开设压力取样孔时可以根据图中的曲线上进行，该曲线上任意一点都能代表其所在截面的流量平均压力。

与现有技术相比，本发明的有益性

如图12所示，在本实例中，对四个直管道分别选取4各典型截面，图中黑点表示按照目前常规开孔工艺进行压力取样开孔的位置。

表4对采用本发明方法及现有工艺得到的结果在图11所示的开孔位置进行了比较，从表数据可以看出，采用现有开孔工艺，最大误差在截面2达到了18736Pa，即在截面2的点2位置开孔进行测量，得到的压力将会比该截面压力平均值偏大18736Pa，偏大约0.078％。

由于ASME PTC6《汽轮机性能试验规程》同样规定了压力测点测量仪表的精度，对于关键压力测点，测量仪表的精度应高于0.1％，试验中通常使用误差为±0.075％的压力变送器进行测量，而通过表4的数据对比可以看出，在复杂汽、水管道上由于开孔位置选择不当，有可能导致测量误差与测量仪表误差相当。

因此，本发明有效解决了这一问题，使压力测点测量误差仅限于仪表误差，而基本消除了由于开孔位置不当而产生的测量误差。

表1.数值模拟结果各截面建立坐标示例

表2.某一截面平均压力及其环形壁面压力分布数据

表3.某一段等值点结果曲线坐标数据

表4.现有方法与本发明方法计算结果比较

Claims (7)

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

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;u}}_i\right)}{\&part;x_i}=0---\left(1\right)$

动量方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;u}}_i{u}_j\right)}{\&part;x_j}=-\frac{\&part;p}{\&part;x_i}+\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;{\mathrm{\&mu;}}_{eff}\left(\frac{\&part;u_i}{\&part;x_j}+\frac{\&part;u_j}{\&part;x_i}\right)-\frac{2}{3}{\mathrm{\&mu;}}_{eff}\frac{\&part;u_k}{\&part;x_k}\&rsqb;---\left(2\right)$

能量方程

$\frac{\&part;}{\&part;x_i}\&lsqb;u_i(\mathrm{\&rho;}E+p)\&rsqb;=\frac{\&part;}{\&part;x_i}\&lsqb;k_{eff}\frac{\&part;T}{\&part;x_i}-\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_j{J}_j+u{\left({\mathrm{\&tau;}}_{ij}\right)}_{eff}\&rsqb;+s_h---\left(3\right)$

湍动能方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;ku}}_i\right)}{\&part;x_i}=\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;(\mathrm{\&mu;}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_t}{{\mathrm{\&sigma;}}_k})\frac{\&part;k}{\&part;x_j}\&rsqb;+G_K-\mathrm{\&rho;}\mathrm{\&epsiv;}---\left(4\right)$

湍动能耗散方程

$\frac{\&part;\left({\mathrm{\&rho;\&epsiv;u}}_i\right)}{\&part;x_i}=\frac{\&part;}{\&part;x_j}\&lsqb;(\mathrm{\&mu;}+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_t}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}})\frac{\&part;\mathrm{\&epsiv;}}{\&part;x_j}\&rsqb;+C_{\mathrm{\&epsiv;}1}\frac{\mathrm{\&epsiv;}}{k}{G}_K-C_{\mathrm{\&epsiv;}2}\mathrm{\&rho;}\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}{k}---\left(5\right)$

式中：u_i为流体在x_i方向上的速度，i＝1,2,3分别代表x、y、z方向；有效粘度u_eff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，J_j’为组分j’的扩散通量；s_k为热源项；τ_eff为应力张量；k_eff为有效导热系数，k_eff＝k+k_f；G_k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C_1ε，C_2ε，C_μ，σ_k,σ_ε的取值为：C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝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：

$P_{mass\_ave}=\frac{P_i\&times;M_i}{\underset{1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{M}_i}---\left(6\right)$

式中：P_{mass_ave}为流量平均压力，Pa；P_i为网格节点处流体静压力，Pa；M_i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；

$N=\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(if\right(\left(P_{mass\_ave}-P_{i-1}\right)\&times;\left(P_{mass\_ave}-P_i\right)<=0\left)\right)---\left(7\right)$

式中：N为某一截面的等值点个数；P_{mass_ave}为圆环所在截面的流量平均压力，Pa；P_i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：

$\left\{\begin{array}{c}x=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(x_i-x_{i-1})+x_{i-1}\\ y=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(y_i-y_{i-1})+y_{i-1}\\ z=abs\left(\frac{P_{mass\_ave}-P_{i-1}}{P_i-P_{i-1}}\right)\&times;(z_i-z_{i-1})+z_{i-1}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：x、y、z为等值点坐标；x_i、y_i、z_i为等值点相邻下游点坐标，Pa；x_i-1、y_i-1、z_i-1等值点相邻上游点坐标，Pa。

6.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5)的具体实现方法如下：

501)积点的定义

积点就是管道截面上、下游圆环上出现的不连续的等值点，等值点在两个相邻圆环之间突然减少或者增加，增加或者减少的等值点使等值点连线出现不连续现象；

502)积点曲线的定义

积点曲线就是存在积点的等值点连线；

503)利用等值点数量及距离法判断积点

从管道入口截面往下游截面将等值点进行连接，在连接过程中，由于某一截面圆环可能存在若干等值点，为了判断下一截面的等值点是否为积点，采取等值点数量及距离法综合判断，如公式(9)所示，当上、下游两个环面的等值点个数相等时，认为两个截面均不存在积点；当上、下游两个环面的等值点个数不相等时，则等值点较多的环面存在积点，该积点在管道壁面上、下游圆环之间按照等值点距离最短原则进行的连线最终会导致连线不连续；

${\mathrm{Po}}_{i+1}=\min \left(l_1,l_2...l_{N_{i+1}}\right)\left\{\begin{array}{ccc}{N}_i=N_{i+1},& n_i=0,& n_{i+1}=0\\ N_i>N_{i+1},& n_i=|N_{i+1}-N_i|,& n_{i+1}=0\\ N_i<N_{i+1},& n_{i+1}=|N_{i+1}-N_i|,& n_i=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中：Po_i+1为与上游圆环等值点相连接的下游圆环等值点；l_i为下游圆环等值点与上游圆环等值点之间的物理距离，mm；N_i为第i各圆环上的等值点个数；n_i为第i各圆环上的积点个数；

504)采用两次循环计算出等值点结果曲线与积点曲线

步骤504)包括以下4步：

5041)定义变量

变量包括：等值点二维坐标数组x，y，z、积点坐标二维数组xp，yp，zp、各截面圆环上点坐标动态数组xx，yy，zz、各截面流量平均压力数组Pav、迭代循环变量i；

5042)第一次循环计算

第一次循环计算，从第一个截面计算至最后一个截面，根据公式(7)、(8)计算出各截面的等值点个数及等值点坐标值，并赋值给等值点坐标数组；

5043)第二次循环计算

第二次循环计算，从第一个截面计算至最后一个截面，根据公式(9)计算出等值点结果曲线及积点曲线；

5044)结果输出

将光滑的等值线连线坐标输出至结果数组中，并将积点曲线等值点连线坐标曲线输出至积点曲线数组中；

505)将各截面圆环等值点按照上述规则进行连接，将得到若干条等值点光滑连接曲线，其中包含积点的等值点曲线即为积点曲线，不含有积点的等值点光滑曲线则为等值点结果曲线。

7.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6)的具体实现方法如下：

在型体建模软件中，从管道入口至出口将等值点光滑曲线坐标按照样条曲线导入型体建模软件中，在管道壁面生成样条曲线，最终制成示意图纸，并给出等值点光滑曲线坐标位置数据表。