摘要:多孔孔板流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)該問題,采用CFD仿真軟件,在相同等效直徑比的情況下,針對(duì)多孔孔板的函數(shù)孔結(jié)構(gòu),研究了開孔數(shù)目、孔分布以及倒角等因素對(duì)于減少壓力損失所起到的影響和作用。根據(jù)仿真研究結(jié)果,制作了一種多孔孔板流量計(jì)進(jìn)行流體試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法的正確率。.
0引言
孔板流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單、耐用而成為目前國際上標(biāo)準(zhǔn)化程度高、應(yīng)用最為廣泛的一種流量計(jì),但也存在著流出系數(shù)不.穩(wěn)定、線性差、重復(fù)性不高、永久壓力損失大等缺點(diǎn)“。美國馬歇爾航空飛行中心設(shè)計(jì)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(jì)(又稱為平衡流量計(jì))田。多孔孔板流量計(jì)對(duì)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(jì)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(diǎn)。
多孔孔板流量計(jì)測量原理圖如圖1所示。雖然多孔孔板的結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)孔板不同,其測量原理還是節(jié)流測量,因此在流量計(jì)算時(shí)仍可采用標(biāo)準(zhǔn)孔板的經(jīng)典計(jì)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(jì)每個(gè)孔的尺寸和分布基于獨(dú)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(guān),主要由什么參數(shù)來決定的，目前還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)可以查閱。對(duì)于如何定制函數(shù)孔，缺少一個(gè)統(tǒng)--的標(biāo)準(zhǔn)。以因節(jié)流而產(chǎn)生的壓力損失作為對(duì)比參照，通過仿真對(duì)函數(shù)孔結(jié)構(gòu)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(duì)減小壓力損失所起到的影響和作用,對(duì)于函數(shù)孔的制定有一定的指導(dǎo)意義;為函數(shù)孔制定標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ),將有助于推動(dòng)多孔孔板的孔函數(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展。
1函數(shù)孔結(jié)構(gòu)的研究
以內(nèi)徑D為50mm、等效直徑比β=0.35的孔板中,流動(dòng)介質(zhì)純水為研究對(duì)象,參考標(biāo)準(zhǔn)孔板在實(shí)際工業(yè)應(yīng)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(jìn)入流量計(jì),設(shè)計(jì)有長度分別為10D、14D的上下游直管段5。在此基礎(chǔ)上做了3組不同的仿真模擬,并且選定其中一個(gè)模擬結(jié)果的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果從而驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確率。
1.1對(duì)開孔數(shù)量的研究
在此先研究孔的結(jié)構(gòu)為無倒角的情況,對(duì)數(shù)量研究的時(shí)候要求其他參數(shù)均是相同的，包括有孔分布以及孔的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)在-一個(gè)多孔孔板.上每個(gè)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(gè)小孔的面積;A2為是管道的截面積。
設(shè)計(jì)原則為:把孔只分布在以孔板的中心為圓心的一個(gè)圓周上(孔在這個(gè)圓周，上分布的時(shí)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(duì)象的開孔數(shù)最小為1個(gè),最大為16個(gè)。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(duì)節(jié)流孔分布的研究
將節(jié)流孔(無倒角)均勻分布在兩個(gè)同心圓或者兩個(gè)同心圓以及孔板的中心上。調(diào)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(duì)倒角的研究
參考流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)回可知標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)選定TGrid作為Element的Type。為了提高計(jì)算精度，需對(duì)網(wǎng)格做局部加密,考慮到在節(jié)流前后壓力會(huì)急劇變化,因此對(duì)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(duì)多孔孔板劃分網(wǎng)格時(shí)候選用的節(jié)點(diǎn)間距為0.5,在多孔孔板前后4D的直管段劃分網(wǎng)格時(shí)候選用節(jié)點(diǎn)間距為3,其余部分的節(jié)點(diǎn)間距為6。網(wǎng)格單元的數(shù)量為398642萬。網(wǎng)格劃分結(jié)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(dòng)為湍流,需要設(shè)置湍流模型，采用Realizablekε模型。
邊界條件的設(shè)定:入口邊界類型設(shè)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(shè)定為自由出流outflow,孔板處為默認(rèn)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(jié)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(duì)比研究。
2.3.1對(duì)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(duì)一段長為1.2m(等于前后直管段長度24D)的直管道進(jìn)行模擬仿真,參數(shù)設(shè)置以及湍流模型的選擇與上述模擬相同，結(jié)果可得直管段的沿程壓力損失為314Pa。由，上述仿真計(jì)算結(jié)果的進(jìn)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(guān)系如圖6所示，開孔數(shù)量和差壓信號(hào)的關(guān)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(dāng)開孔數(shù)達(dá)到12時(shí)壓損達(dá)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(duì)節(jié)流孔分布的研究
由方案設(shè)計(jì)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(duì)象;
(2)同心圓有中心孔，以開孔數(shù)13為研究對(duì)象。
孔的分布與差壓信號(hào)關(guān)系如表2所示。
從表2可以看出,對(duì)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(duì)比開孔數(shù)為12,有中心孔，開孔數(shù)為13的差壓信號(hào)只大0.5%。
2.3.3對(duì)倒角的研究
在試驗(yàn)測量的時(shí)候，希望在減小壓損的同時(shí)又能夠得到較大的測量信號(hào),因此選取開孔數(shù)為13,有中心孔的多孔孔板做進(jìn)一步的研究。由以上方案的設(shè)計(jì)可知,倒角的研究有2種情況:
(1)只有1個(gè)倒角,在節(jié)流板的下游端面;
(2)2個(gè)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(shè)計(jì)手冊(cè)作為參考,設(shè)計(jì)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(jié)果。
由表3可以看出倒角的存在對(duì)于減小壓力損失有著巨大的影響,對(duì)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(biāo)準(zhǔn)孔板相比，壓力損失減小59.8%。
3試驗(yàn)測量
試驗(yàn)是在現(xiàn)有的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(裝置主要由穩(wěn)壓罐、法蘭、直管段、標(biāo)定容器構(gòu)成。其中穩(wěn)壓罐能夠讓流體以恒定的速度進(jìn)入直管段;法蘭用于孔板的安裝;標(biāo)定容器用于測量流體的流量。).上使用自己設(shè)計(jì)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(yàn)方法
取5個(gè)不同大小的流量按流速從小到大，再從大到小,反復(fù)測量差壓值,測量次數(shù)為3,測量結(jié)果取平均值對(duì)試驗(yàn)測:量時(shí)得到的流速進(jìn)行模擬仿真,并與試驗(yàn)結(jié)果相比較。由此可得到如圖8流量與差壓關(guān)系圖。
由圖8看出試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)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(jì)算模型、方法是可信賴的。
4結(jié)論
以內(nèi)徑是50mnm,等效直徑比0.35的多孔孔板作為研究對(duì)象,用仿真軟件Fluent6.3模擬研究多孔孔板函數(shù)孔結(jié)構(gòu),主要是開孔數(shù)量、孔的分布以及倒角對(duì)于減小壓力損失所起到的作用，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)流試驗(yàn)驗(yàn)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(jié)構(gòu)都確定的前提下均勻而有序地分布孔對(duì)測量的影響可忽略;
(2)試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本吻合,說明只要使用正確的計(jì)算模型、精密的網(wǎng)格劃分以及準(zhǔn)確的計(jì)算方法，在沒有試驗(yàn)的條件下也可以使模擬仿真對(duì)多孔孔板進(jìn)行研究。
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