摘要:多孔孔板流量計是一種比傳統(tǒng)的差壓測量裝置更優(yōu)良的新型差壓式流量測量裝置,但其函數(shù)孔的確定目前沒有統(tǒng)一的標準。針對該問題,采用CFD仿真軟件,在相同等效直徑比的情況下,針對多孔孔板的函數(shù)孔結構,研究了開孔數(shù)目、孔分布以及倒角等因素對于減少壓力損失所起到的影響和作用。根據(jù)仿真研究結果,制作了一種多孔孔板流量計進行流體試驗，試驗結果表明該方法的正確率。.
0引言
孔板流量計因其結構簡單、耐用而成為目前國際上標準化程度高、應用最為廣泛的一種流量計,但也存在著流出系數(shù)不.穩(wěn)定、線性差、重復性不高、永久壓力損失大等缺點“。美國馬歇爾航空飛行中心設計發(fā)明的一-種新型差壓式流量測量裝置，即多孔孔板流量計(又稱為平衡流量計)田。多孔孔板流量計對傳統(tǒng)節(jié)流裝置有著極大的突破,與傳統(tǒng)差壓式流.量計相比較,具有永久壓力損失小、精密度高、量程比大、直管段短等優(yōu)點。
多孔孔板流量計測量原理圖如圖1所示。雖然多孔孔板的結構與標準孔板不同,其測量原理還是節(jié)流測量,因此在流量計算時仍可采用標準孔板的經(jīng)典計算公式國:
式中:Q為管道中流體的流量;K為無量綱系數(shù);△p為孔板節(jié)流前后的壓力差;ρ為流體密度。
多孔孔板流量計每個孔的尺寸和分布基于獨特的公式和國測試數(shù)據(jù)定制，稱為函數(shù)孔。至于函數(shù)孔是如何定制,與哪些因素有關,主要由什么參數(shù)來決定的，目前還沒有相關的文獻可以查閱。對于如何定制函數(shù)孔，缺少一個統(tǒng)--的標準。以因節(jié)流而產(chǎn)生的壓力損失作為對比參照，通過仿真對函數(shù)孔結構的研究，主要包括多孔孔板開孔數(shù)量、孔的分布以及倒角等因素對減小壓力損失所起到的影響和作用,對于函數(shù)孔的制定有一定的指導意義;為函數(shù)孔制定標準化奠定基礎,將有助于推動多孔孔板的孔函數(shù)的研究與應用進展。
1函數(shù)孔結構的研究
以內(nèi)徑D為50mm、等效直徑比β=0.35的孔板中,流動介質純水為研究對象,參考標準孔板在實際工業(yè)應用和本次仿真模擬，為保證流體能夠以充分發(fā)展、理想的湍流狀態(tài)進入流量計,設計有長度分別為10D、14D的上下游直管段5。在此基礎上做了3組不同的仿真模擬,并且選定其中一個模擬結果的設計方案進行實流實驗,通過對比實流實驗結果與模擬仿真結果從而驗證仿真結果的正確率。
1.1對開孔數(shù)量的研究
在此先研究孔的結構為無倒角的情況,對數(shù)量研究的時候要求其他參數(shù)均是相同的，包括有孔分布以及孔的結構。設計時在-一個多孔孔板.上每個小孔的直徑是一樣的，由等效直徑比的定義可知開孔直徑為
數(shù);An為每個小孔的面積;A2為是管道的截面積。
設計原則為:把孔只分布在以孔板的中心為圓心的一個圓周上(孔在這個圓周，上分布的時候不能夠出現(xiàn)相交的情況,初步選定圓周的半徑為12mm)。受條件的限制,本次研究對象的開孔數(shù)最小為1個,最大為16個。無倒角說明節(jié)流孔的厚度與孔板的厚度相同,其示意圖如圖2所示。
1.2對節(jié)流孔分布的研究
將節(jié)流孔(無倒角)均勻分布在兩個同心圓或者兩個同心圓以及孔板的中心上。調整同心圓的大小,即改變的同心圓大小d1;d2示意圖如圖3所示。
1.3對倒角的研究
參考流量測量節(jié)流裝置設計手冊回可知標準孔板傾斜角是在下游端面,其大小可以為45°±15°，文中將分2種情況研.究:下游端面有45°倒角;上下游端面均有45°倒角。
2模擬仿真
模擬仿真是通過CFD軟件包fluent來完成的。
2.1建模與劃分網(wǎng)格
建模與劃分網(wǎng)格都是在CFD前置處理器gambit中完成的。圖4為上游直管段10D,下游直管段14D的多孔孔板流量計的仿真模型。
文中直接選用體網(wǎng)格來劃分網(wǎng)格。選用體網(wǎng)格的Element為Tet/Hybrid即四面體/混合，同時選定TGrid作為Element的Type。為了提高計算精度，需對網(wǎng)格做局部加密,考慮到在節(jié)流前后壓力會急劇變化,因此對節(jié)流前后的直管段以及多孔孔板做局部加密處理。該文在對多孔孔板劃分網(wǎng)格時候選用的節(jié)點間距為0.5,在多孔孔板前后4D的直管段劃分網(wǎng)格時候選用節(jié)點間距為3,其余部分的節(jié)點間距為6。網(wǎng)格單元的數(shù)量為398642萬。網(wǎng)格劃分結果如圖5所示。
2.2模型的求解
在本文中選用壓力基求解器就能滿足要求們。
本文中入口的雷諾數(shù)較大,流動為湍流,需要設置湍流模型，采用Realizablekε模型。
邊界條件的設定:入口邊界類型設定為速度入口,即veloc-ity-inlet入口的湍流參數(shù)指定方式選用kandepsilon,出口邊界類型:設定為自由出流outflow,孔板處為默認內(nèi)部邊界條件inte-rior,其余為均為無滑移外部壁面,熱傳輸模型為絕熱。
2.3仿真結果
本文主要是研究因節(jié)流而產(chǎn)生的壓力損失(即節(jié)流前后的靜壓差),為此以節(jié)流前后的壓差作對比研究。
2.3.1對多孔孔板開孔數(shù)量的研究
給定的速度入口的初始速度為1m/s。對一段長為1.2m(等于前后直管段長度24D)的直管道進行模擬仿真,參數(shù)設置以及湍流模型的選擇與上述模擬相同，結果可得直管段的沿程壓力損失為314Pa。由，上述仿真計算結果的進出口壓力差減去直管道的沿程壓力損失，即可得到節(jié)流前后的差壓。開孔數(shù)量和差壓的關系如圖6所示，開孔數(shù)量和差壓信號的關系如表1所示。
由圖6可知,隨著開孔數(shù)量的增加,在開始階段壓損能夠明顯減少，當開孔數(shù)達到12時壓損達到最小值，隨后壓損又增大。
由表1可以看出，等效直徑比為0.35的多孔孔板最佳的.開孔數(shù)是12,與開孔數(shù)為1的孔板相比較減小約29.4%的壓力損失。
2.3.2對節(jié)流孔分布的研究
由方案設計可知,本階段研究主要有2種情況:
(1)同心圓沒有中心孔，以開孔數(shù)12為研究對象;
(2)同心圓有中心孔，以開孔數(shù)13為研究對象。
孔的分布與差壓信號關系如表2所示。
從表2可以看出,對于相同的開孔數(shù),在山不變的情況下，隨著d1的增大,壓差減小。對比開孔數(shù)為12,有中心孔，開孔數(shù)為13的差壓信號只大0.5%。
2.3.3對倒角的研究
在試驗測量的時候，希望在減小壓損的同時又能夠得到較大的測量信號,因此選取開孔數(shù)為13,有中心孔的多孔孔板做進一步的研究。由以上方案的設計可知,倒角的研究有2種情況:
(1)只有1個倒角,在節(jié)流板的下游端面;
(2)2個倒角,在節(jié)流板的上下游端面均有倒角。
以流量測量節(jié)流設計手冊作為參考,設計節(jié)流孔的厚度為0.02D,倒角為45°。由此可得如表3所示的模擬結果。
由表3可以看出倒角的存在對于減小壓力損失有著巨大的影響,對比開孔數(shù)為13、上下游都有倒角的與上下游都無倒角,壓力損失降低42.3%。綜合.上述3種情況,在直徑比都是0.35,開孔數(shù)為13,上下游均有45°倒角的多孔孔板與標準孔板相比，壓力損失減小59.8%。
3試驗測量
試驗是在現(xiàn)有的液體流量標準裝置(裝置主要由穩(wěn)壓罐、法蘭、直管段、標定容器構成。其中穩(wěn)壓罐能夠讓流體以恒定的速度進入直管段;法蘭用于孔板的安裝;標定容器用于測量流體的流量。).上使用自己設計的多孔孔板完成的。所選用的孔板即前文仿真部分開孔數(shù)為13,d;=8、d2=13,上下游端面均有倒角的多孔孔板。多孔孔板如圖7所示。
3.1試驗方法
取5個不同大小的流量按流速從小到大，再從大到小,反復測量差壓值,測量次數(shù)為3,測量結果取平均值對試驗測:量時得到的流速進行模擬仿真,并與試驗結果相比較。由此可得到如圖8流量與差壓關系圖。
由圖8看出試驗結果與仿真結果的誤差較小(誤差能夠控制在7%左右),說明本次模擬仿真所選用的計算模型、方法是可信賴的。
4結論
以內(nèi)徑是50mnm,等效直徑比0.35的多孔孔板作為研究對象,用仿真軟件Fluent6.3模擬研究多孔孔板函數(shù)孔結構,主要是開孔數(shù)量、孔的分布以及倒角對于減小壓力損失所起到的作用，并對仿真結果進行實流試驗驗證,得到:.
(1)在相同等效直徑比的情況下,增加開孔數(shù)以及倒角的存在能有效減小壓力損失;在孔的數(shù)量和結構都確定的前提下均勻而有序地分布孔對測量的影響可忽略;
(2)試驗結果與仿真模擬結果基本吻合,說明只要使用正確的計算模型、精密的網(wǎng)格劃分以及準確的計算方法，在沒有試驗的條件下也可以使模擬仿真對多孔孔板進行研究。
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