流量計量是計量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分, 廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石油石化、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及人民生活的諸多領(lǐng)域。尤其在能源危機(jī)的后經(jīng)濟(jì)時代, 流量計量的重要性日益突出[1]。相比其它流量計, 傳統(tǒng)差壓式流量計因結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重復(fù)性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點得到廣泛應(yīng)用, 但只有在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)條件下, 才能準(zhǔn)確地測量流量。然而, 工程實際應(yīng)用中, 很多工況條件不能滿足上述要求, 從而無法達(dá)到所需要的測量精度 (雷諾數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)中的雷諾數(shù)范圍、測量介質(zhì)中混有泥沙等) 進(jìn)而限制了其應(yīng)用范圍[2-3]。

  為了改善上述缺點, 非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計得到快速發(fā)展和進(jìn)一步的應(yīng)用?；诓顗涸淼亩嗫卓装辶髁坑嫴坏^承了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件等優(yōu)點, 且能夠平衡調(diào)整流場, 明顯減少渦流、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動能的損失, 是目前應(yīng)用***為廣泛的一種非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計[4-5]。但在國內(nèi), 多孔孔板流量計的相關(guān)核心技術(shù)研究相對較少, 實際應(yīng)用中要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計流量計, 缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和性能優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則的指導(dǎo), 在一定程度上遠(yuǎn)未達(dá)到用戶之實惠[6-7]。

  綜上所述, 針對多孔孔板流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化國內(nèi)已有一些研究, 但缺乏統(tǒng)一的設(shè)計準(zhǔn)則, 不利于工程應(yīng)用。

  本文結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板聯(lián)合使用的測量原理, 提出一種對稱多孔孔板差壓式流量計的設(shè)計方法, 采用計算流體動力學(xué) (CFD) 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計算與仿真分析。與標(biāo)準(zhǔn)孔板對比分析其流出系數(shù)及壓力損失等性能指標(biāo), 分析結(jié)果說明了其優(yōu)越性。***后通過實流實驗驗證了設(shè)計的合理性。此設(shè)計方法可為多孔孔板流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化提供一定的參考。

  標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計是使用***早、應(yīng)用***廣泛的一種差壓式流量計, 具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高等特點。其測量原理為對于充滿管道的流體, 當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時, 流體介質(zhì)將會在節(jié)流件處形成局部收縮, 因而流速增加, 靜壓力降低, 于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了一定的壓差。流體流量愈大, 產(chǎn)生的壓差愈大, 這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程和伯努利方程, 定常流體的體積流量可以通過如下公式表示[8]:

  式中:C為流出系數(shù), 無量綱;β為等效直徑比, 無量綱;D為孔板直徑;Δp為壓差, 單位為Pa;qv為體積流量, 單位為m3/s;ρ為流體介質(zhì)密度。

  多孔孔板流量計是美國航空航天局 (NASA) 下屬的馬歇爾航空飛行中心***早提出的。這種新型流量計具有對稱多孔結(jié)構(gòu), 是目前***先進(jìn)的差壓式流量計之一。相比傳統(tǒng)差壓式流量計, 不僅結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、適用面廣, 還具有精度高、直管段要求低、量程比寬、壓損小等優(yōu)點[9-11]。

  多孔孔板流量計的測量原理基于能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。流量檢測時, 所測介質(zhì)在通過多孔節(jié)流整流器的同時進(jìn)行流體整流, 減小節(jié)流裝置后形成的渦流, 形成較穩(wěn)定的紊流, 從而使引壓管路能夠獲取到較穩(wěn)定的差壓信號, 并進(jìn)一步通過伯努利方程計算得出工藝所需體積流量、質(zhì)量流量等參數(shù)[12-14]。

  在工程實際應(yīng)用中, 每個多孔流量計都要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計, 其開孔面積、節(jié)流孔的大小、節(jié)流孔的具體形狀、節(jié)流孔個數(shù)及排列方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)均會對多孔孔板流量計的性能產(chǎn)生影響。由于缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和性能優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則的指導(dǎo), 在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。對于不同的測量函數(shù)孔的數(shù)量、如何分布函數(shù)孔以及函數(shù)孔的結(jié)構(gòu)等無疑是***主要的設(shè)計參數(shù), 目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

  本文結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量原理, 提出并設(shè)計流量計的孔板結(jié)構(gòu)為在節(jié)流板中心一個圓孔的基礎(chǔ)上, 對稱分布數(shù)量不等的圓孔, 如圖1所示, 均勻分布的圓孔的總的面積和標(biāo)準(zhǔn)孔板的面積相等。

  當(dāng)介質(zhì)流過圓孔時, 流體被平衡調(diào)整, 渦流被***小化, 形成近似理想流體, 通過取壓裝置和變送器, 可獲得穩(wěn)定的差壓信號, 根據(jù)伯努利方程計算出流體的流量:

  式中:Q為介質(zhì)流量, 單位為m3/h;K為儀表系數(shù);Y為膨脹系數(shù);Δp為差壓值, 單位為Pa;ρ為介質(zhì)工況密度, 單位為kg/m3。

  基于以上對稱多孔孔板差壓式流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法, 以孔板管徑80 mm、等效直徑比0.45、測量介質(zhì)為常溫水的條件進(jìn)行研究。首先建立多孔孔板流量計的計算模型, 如圖2所示。參照流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊建立流量計的幾何尺寸, 在流量計測量的上下游部分設(shè)計有一定的直管段來確保流量計在測量的時候流體的流場處于一種均勻穩(wěn)定的狀態(tài)并使因節(jié)流而被破壞的流場能夠恢復(fù)到節(jié)流前的狀態(tài)。

  依據(jù)流量計的設(shè)計尺寸, 在Creo3.0中建立其三維計算模型, 取板前4D、板后8D的流場區(qū)域作為計算域, 并將其導(dǎo)入ICEM專用劃分網(wǎng)格軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格的劃分采用全六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法, 對計算域進(jìn)行局部加密以保證計算精度, 網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

  由于多孔孔板流量計的流場情況較為復(fù)雜, 對湍流模型的要求較高, 本文采用工程上常用的Standard k-ε湍流模型, 其方程式表述如下[15]:

  式中:k是湍流動能;ε是湍流耗散率;ρ是流體密度;μ是流速;μt是湍流粘度;Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能。C1ε、C2ε、C3ε是常量, 分別為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09, σk、σε是k方程和ε方程的湍流prandtl數(shù), 分別為σk=1.0、σε=1.3。

  設(shè)置入口條件為速度入口 (velocity-inlet) , 出口為自由發(fā)展出流 (outflow) , 以各項參數(shù)的殘差小于0.000 01為收斂標(biāo)準(zhǔn), 分別計算0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7 m/s等幾種入口流速下流量計的流場特性。文中給出幾種典型流速條件下的計算結(jié)果, 如圖4所示。

  由圖4可以看出, 入口流速在0.2~7 m/s時多孔孔板流量計下游速度匯聚趨勢明顯, 相比于標(biāo)準(zhǔn)孔板其壁面回流區(qū)較小, 但隨入口流速不斷增大回流區(qū)長度隨之增大, 變化范圍為0.5D~1.2D。由此可見, 多孔孔板流量計尾流流場能夠快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。板前死區(qū)較小, 且隨流速增大而逐漸增大。

  通過Fluent求解計算獲得孔板前后的差壓值, 進(jìn)而得到流量計的壓力損失。本文取壓口設(shè)置為上下游取壓口距離孔板上下游端面的距離為0.04 m, 通過在Fluent中定義相應(yīng)取壓面, 分別求取上下游取壓面的平均壓力值, 獲得壓差值和壓力損失值如下表1所示。不同入口流速下, 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計和多孔孔板流量計的壓力損失的對比情況如表1和圖5所示。

  由表1和圖5可以看出, 隨著入口流速的不斷增大, 多孔孔板流量計的壓力損失呈逐漸增大的趨勢;相比于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計, 由于渦流的減少, 多孔孔板流量計具有更小的壓力損失, 壓力損失較標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置降低約1/3。

  圖6所示為不同流速下, 多孔孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的流出系數(shù)對比曲線。由圖6可知, 多孔孔板流量計的流出系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)有明顯提高, 同時隨著流速的變化流出系數(shù)能夠保持良好的穩(wěn)定性。

  為了檢驗所設(shè)計的多孔孔板差壓流量計的性能指標(biāo), 和標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置進(jìn)行了實流試驗, 結(jié)合現(xiàn)場使用反饋情況, 其性能指標(biāo)對比如表2所示。

  本文以管徑80 mm、節(jié)流比β=0.45的多孔孔板為研究對象, 通過對不同入口流速下的多孔孔板流量計進(jìn)行分析, 得出此種流量計節(jié)流件前后產(chǎn)生的渦流大大降低, 無需很長的直管段整流, 顯著提高了測量精度;壓力損失由于渦流的減少較標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置降低了約1/3。試驗對比分析表明, 多孔孔板流量計比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置具有明顯的優(yōu)勢, 其適應(yīng)性更好。