摘要:針對(duì)孔板流量計(jì)測量精度及節(jié)能降耗的要求，對(duì)5種結(jié)構(gòu)的單孔板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。進(jìn)行了數(shù)值模擬與標(biāo)準(zhǔn)孔板實(shí)驗(yàn)比對(duì),對(duì)模擬方法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成了5種結(jié)構(gòu)10組流速下的數(shù)值研究。通過速度矢量圖得出孔口后流態(tài)的變化;計(jì)算流量系數(shù)，得出流量系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線、軸線距離與壓力關(guān)系圖、壓差與雷諾數(shù)關(guān)系圖。結(jié)果表明,5種孔板中外凹型孔板流量計(jì)II因?yàn)榘迩熬彌_段較為理想,對(duì)流體起到了整流的作用，減弱了板前流體死區(qū)的形成和板后渦流的形成,降低了孔板流量計(jì)的壓力損失,且流量系數(shù)大,隨雷諾數(shù)增大壓差增大緩慢,壓力恢復(fù)快。
孔板流量計(jì)是常見的測流量裝置，以連續(xù)性方程和伯努利方程為理論基礎(chǔ)。流體在通過節(jié)流元件時(shí),由于流通面積的突然收縮促使流體加速，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng),使孔板前后產(chǎn)生壓差,通過測量壓差從而計(jì)算出管道中的流量。節(jié)流元件的尺寸和結(jié)構(gòu)的不同,會(huì)導(dǎo)致測量精度、測量壓力、管徑范圍及流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化關(guān)系的差異。選擇或者設(shè)計(jì)出較為理想的孔板流量計(jì),是計(jì)量行業(yè)發(fā)展的需要。采用數(shù)值模擬分析研究管內(nèi)孔板類節(jié)流元件的相關(guān)流場已有數(shù)十年的歷史,采用ANSYSFluent軟件,選擇5種標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)孔板作為對(duì)象,為非標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的與發(fā)展提供一定依據(jù)。
1研究模型
1.1幾何模型
模擬5種不同孔板形狀的孔板流量計(jì)，見圖1。
5種孔板均按照ISO5167國際標(biāo)準(zhǔn)，確定孔板尺寸。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,孔板節(jié)流元件的孔徑與孔板通徑比值d/D=0.2~0.8;最小孔徑dmin≥12.5mm;直孔部分厚度h=(0.005~0.02)D;總厚度H<0.05D這5種孔板公稱通徑D=40mm,節(jié)流元件的孔徑d=20mm,d/D=0.5。
1.2流量系數(shù)計(jì)算模型
計(jì)算每個(gè)孔板流量計(jì)對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)見公式(1)
式中:qm為流體的質(zhì)量流量,kg/s;A0為孔口截面積,m2;p為流體密度,kg/m3;△p為孔口兩側(cè)壓差,Pa。
2模型驗(yàn)證及數(shù)值模擬
2.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程
為了確保數(shù)值模擬過程設(shè)置正確,將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比對(duì)實(shí)驗(yàn)采用裝置見圖2。
水由離心泵從水箱抽出后,經(jīng)過孔板流量計(jì)，通過彎管再流回水箱。其中孔板流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)型，管道內(nèi)徑40mm,孔板口徑35mm,孔板厚度5mm。在不同的閥門開度下,測試孔板流量計(jì)壓差,計(jì)算流量及流量計(jì)流量系數(shù)。實(shí)驗(yàn)、模擬結(jié)果對(duì)比見圖3。
由圖3可知，模擬與實(shí)驗(yàn)吻合,對(duì)模擬方法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證.。
2.2數(shù)值模擬設(shè)置
由于孔板流量計(jì)的軸對(duì)稱特性，流體在經(jīng)過孔板流量計(jì)時(shí)也是對(duì)稱的,因此選用1/2實(shí)體及對(duì)稱面結(jié)構(gòu)。應(yīng)用“mesh”進(jìn)行模擬實(shí)體的網(wǎng)格劃分，見圖4。
由于孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,因此在劃分網(wǎng)格時(shí)只需在節(jié)流元件處既縮口處進(jìn)行網(wǎng)格的加密。該模擬中采用的介質(zhì)為20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。采用3D求解器，湍流方程用“標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon”方程;選用速度進(jìn)口和壓力出口邊界條件,進(jìn)行迭代求解計(jì)算。
在模擬過程中取板前2D、板后5D,即板前80mm、板后200mm為計(jì)算域。5種孔板設(shè)定10個(gè)統(tǒng)一的進(jìn)口流速,分別為0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)值分別為7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結(jié)果與討論
以ʋ=0.2m/s時(shí)孔板的模擬結(jié)果為例,各孔板流量計(jì)的速度矢量云圖見圖5.
由圖5可知，流體在經(jīng)過板前區(qū)域時(shí)流道急劇收縮，速度增大。其中標(biāo)準(zhǔn)孔板I所形成的孔后大速度值高,為1.2m/s;外凸型孔板川I、加厚型孔板IV次之,約為1m/s;外凹型孔板I1和直邊型孔板V較小,分別為0.88和0.74m/s。外凸型孔板II低流速較大，直邊型孔板V次之,其余均基本相等。經(jīng)過孔口后部分流體流動(dòng)方向發(fā)生改變,產(chǎn)生了一定的渦流區(qū)域，形成湍流,孔板的.結(jié)構(gòu)不同造成的旋渦湍流區(qū)域形狀及發(fā)展長度也明顯不同。標(biāo)準(zhǔn)孔板I湍流區(qū)較寬,湍流長度較長。外凹型孔板II湍流段較短,流場為整齊,從而也推測出其節(jié)流損失小。
對(duì)5種孔板進(jìn)行了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集,保持孔板的直徑比不改變。由流量分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù),采集每個(gè)孔板每個(gè)流速所對(duì)應(yīng)的板前D、板后D/2取壓點(diǎn)所在平面的平均壓力，即板前40mm、板后20mm計(jì)算壓差,并根據(jù)公式(1)計(jì)算出每個(gè)孔板對(duì)應(yīng)的流量系數(shù),得到流量系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線圖見圖6。
由圖6可知,雷諾數(shù)的變化對(duì)流量系數(shù)影響不大,說明這幾種孔板都具有良好的穩(wěn)定性。外凹型孔板II的流量系數(shù)比其他4種大，標(biāo)準(zhǔn)孔板I小;加厚型孔板IV的流量系數(shù)曲線在較大及較小雷諾數(shù)時(shí)變化明顯,因此該類型穩(wěn)定性稍差;直邊型孔板V穩(wěn)定性好。
沿軸向的距離L與壓力的關(guān)系見圖7。
由圖7可知，幾種孔板壓降位置、壓降大小及壓力恢復(fù)性不同。加厚型孔板IV的壓降位置靠前,直邊型孔板V靠后,其余三者基本接近;標(biāo)準(zhǔn)孔板I的壓降大,外凹型孔板II壓降小;外凹型孔板II的壓力恢復(fù)快。
壓差△p與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖8。
由圖8可知，幾種孔板壓差△p隨著雷諾數(shù)的增大而增大,增加趨勢基本相同,其中標(biāo)準(zhǔn)孔板I增加快大,外凹型孔板II增大緩慢。
4結(jié)論
通過流場模擬云圖、流量系數(shù)與雷諾數(shù)的曲線關(guān)系、中心軸線壓力分布曲線、壓差△p與雷諾數(shù)的曲線關(guān)系的分析可以得出,5種孔板中外凹型孔板流量計(jì)II因?yàn)榘迩熬彌_段較為理想,對(duì)流體起到了整流的作用,減弱了板前流體死區(qū)的形成和板后渦流的形成,降低了孔板流量計(jì)的壓力.損失。且流量系數(shù)大,隨雷諾數(shù)增大壓差增大緩慢,壓力恢復(fù)快，是5個(gè)類型中性能較好的一種。在進(jìn)行單孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)時(shí)，不但要滿足直徑比,還應(yīng)該考慮孔板的厚度和孔板板前的過渡段。孔板的厚度不宜太薄也不宜過厚,過渡段對(duì)流體要能進(jìn)行整合,使流體盡可能緩和的流人。在孔板的設(shè)計(jì)及使用中,應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,應(yīng)用合適尺寸類型的孔板，確保流量系數(shù)穩(wěn)定,并降低壓力損失,保證流場穩(wěn)定,進(jìn)而提高孔板流量計(jì)的質(zhì)量和測量的精度。
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