程 宇，劉玉長(zhǎng)

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

?

多孔孔板流量計(jì)的函數(shù)孔結(jié)構(gòu)研究

程 宇，劉玉長(zhǎng)

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

多孔孔板流量計(jì)是一種比傳統(tǒng)的差壓測(cè)量裝置更優(yōu)良的新型差壓式流量測(cè)量裝置，但其函數(shù)孔的確定目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)該問(wèn)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)果表明該方法的準(zhǔn)確性。

多孔孔板流量計(jì)；壓力損失；等效直徑比；函數(shù)孔；仿真；試驗(yàn)對(duì)比

0 引言

孔板流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用而成為目前國(guó)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)[1]。

美國(guó)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(cè)量裝置，即多孔孔板流量計(jì)(又稱為平衡流量計(jì))[2]。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(cè)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(cè)量原理還是節(jié)流測(cè)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[3]：

式中：Q為管道中流體的流量；K為無(wú)量綱系數(shù)；Δp為孔板節(jié)流前后的壓力差；ρ為流體密度。

圖1 多孔孔板流量計(jì)測(cè)量原理圖

多孔孔板流量計(jì)每個(gè)孔的尺寸和分布基于獨(dú)特的公式和測(cè)試數(shù)據(jù)定制，稱為函數(shù)孔[3]。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(lái)決定的，目前還沒(méi)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)一的標(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(guò)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50 mm、等效直徑比β=0.35的孔板[4]，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(zhǎng)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(guò)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)果的準(zhǔn)確性。

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(wú)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

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12 mm)。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(wú)倒角說(shuō)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。

圖2 多孔孔板結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 對(duì)節(jié)流孔分布的研究

將節(jié)流孔(無(wú)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。

圖3 多孔孔板的結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 對(duì)倒角的研究

參考流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]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(guò)CFD軟件包fluent來(lái)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。

圖4 多孔孔板流量計(jì)的模型

文中直接選用體網(wǎng)格來(lái)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398 642萬(wàn)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 多孔孔板流量計(jì)的網(wǎng)格劃分

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[7]。

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Realizable k-ε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velocity-inlet入口的湍流參數(shù)指定方式選用k and epsilon，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interior，其余為均為無(wú)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1 m/s。對(duì)一段長(zhǎng)為1.2 m(等于前后直管段長(zhǎng)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314 Pa。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。

圖6 差壓特性曲線

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。

表1 開孔數(shù)量與差壓信號(hào)的關(guān)系

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(méi)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。

表2 孔分布與差壓信號(hào)的關(guān)系

從表2可以看出，對(duì)于相同的開孔數(shù)，在d2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(cè)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(cè)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(cè)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。

表3 倒角與差壓信號(hào)的關(guān)系

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(wú)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(cè)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(cè)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，d1=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。

圖7 多孔孔板與試驗(yàn)裝置

3.1 試驗(yàn)方法

取5個(gè)不同大小的流量按流速?gòu)男〉酱?，再?gòu)拇蟮叫?，反?fù)測(cè)量差壓值，測(cè)量次數(shù)為3，測(cè)量結(jié)果取平均值[8-9]。對(duì)試驗(yàn)測(cè)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[10-14]。由此可得到如圖8流量與差壓關(guān)系圖[15]。

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(shuō)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50 mm，等效直徑比0.35的多孔孔板作為研究對(duì)象，用仿真軟件Fluent 6.3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(cè)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(shuō)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(méi)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。

[1] 程躍.智能孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)與研究：[學(xué)位論文].重慶：西南大學(xué)，2006.

[2] 李康康，賈玉明，葛素楠.多孔孔板節(jié)流裝置的應(yīng)用.煉油化工自動(dòng)化，2010(4)：60-63.

[3] 周人.A+K平衡流量計(jì)的獨(dú)特性能和典型應(yīng)用，醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2011，32(3)：54-57.

[4] GB/T 2624—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量.

[5] 李莉.上游彎頭安裝條件下A+K平衡流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度的：[學(xué)位論文].上海：華東理工大學(xué)，2013.

[6] 孫淮清，王健中.流量測(cè)量節(jié)流設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化工工業(yè)出版社，2005.

[7] 于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進(jìn)階教程.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[8] 馬太義，王棟，張炳東，等.多孔板流量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究.核動(dòng)力工程，2012，31(2)：126-130.

[9] PETERS R J W.Test the water v-cone flowmeter in accordance with API 22.2＂testing Protocol for differentialpressure flow measurement devices＂.2006.

[10] GENG Y F，ZHENG J W，SHI T M.Study on the metering characteristics of a slotted orifice for wet gas flow.Flow Measurement and Instrumentation，2006，17：123-128.

[11] The American Society of Mechanical Engineers.ASMEPTC 18-2002：hydraulic turbines and pump-turbines performance test.2002.

[12] ERDAL A，ANDERSSONT H I.Numerical aspects of flow computation through orifices.Flow Meas.Instrum，1997，8(1)：27-37.

[13] MORRISON G L，TERRACINA D，BREWER C，et al.Response of a slotted orifice flow meter to an air/water mixture.Flow Measurement and Instrumentation，2001，12：175-180.

[14] IEC 61508，F(xiàn)unctional safety of electrical /electronic /programmable electronic safety-related systems，2010，C66;K04：17-24.

[15] 林暢達(dá).平衡流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究：[學(xué)位論文].上海：華東理工大學(xué)，2012.

Research on Function Pore Structure of Porous Orifice Flowmeter

CHENG Yu ，LIU Yu-chang

(School of Energy Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Compared with the traditional pressure measuring device, the porous orifice flowmeter is a more excellent measuring device. But there isn’t any uniform standard currently on how to determine the hole function. In order to solve the problem, the impact of the function pore structure of the porous plates on reducing the pressure loss was simulated by CFD. The factors included the number of holes, pore size distribution and the chamfers. A kind of porous orifice flowmeter is made to undertake fluid experiments平共處according to the results of simulation, and the results show that this method is accurate.

porous orifice flowmeter; pressure losses; equivalent diameter ratio; hole function; simulation; experimental comparison

2013-12-31 收修改稿日期：2014-11-24

TP211

A

1002-1841(2015)02-0023-03

程宇(1988—)，碩士研究生，研究方向儀器儀表自動(dòng)化。 E-mail：305699689@qq.com 劉玉長(zhǎng)(1967—)，副教授，碩士，研究方向?yàn)槟茉聪到y(tǒng)自動(dòng)化。E-mail：954037980@qq.com