多孔孔闆流量(liàng)計
是(shì)一個對稱(chēng)的多孔(kǒng)圓(yuán)盤,是在标(biāo)準孔闆基礎上(shàng)發(fā)展起來的非(fēi)标(biāo)準節流(liú)裝置.2006年該流量計被(bèi)引入中國(guó)市場(chǎng)，開始應(yīng)用(yòng)于天然氣、化工(gōng)、煉油等(děng)工業領域.從相(xiàng)關文獻(xiàn)[-3]可以看(kàn)出(chū)該流(liú)量計具有比标準孔闆更(gèng)爲出(chū)色的(de)計(jì)量(liàng)性能(néng),如測量精(jīng)度高、量程(chéng)範(fàn)圍寬、壓(yā)力損失(shī)小(xiǎo)、前後(hòu)直管段要(yào)求低(dī)等優點(diǎn).多(duō)孔孔闆流(liú)量計(jì)結構(gòu)參數多,如(rú)節流(liú)孔的大(dà)小、個數(shù)及排(pái)列方(fāng)式等(děng),優化結(jié)構參數(shù)是提高多孔孔闆流量計性能(néng)的前提條件(jiàn).實(shí)現這(zhè)一研究有(yǒu)實流實驗和數(shù)值模(mó)拟2種方法(fǎ).數值模(mó)拟(nǐ)方法(fǎ)是研(yán)究流量傳(chuán)感器(qì)特性(xìng)的有(yǒu)效手段(duàn)之--,既可降低成本,又可提(tí)高效率(lǜ).目前(qián),關于對(duì)多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計流場仿真方法(fǎ)的研(yán)究國内外尚鮮見文獻報道.
因(yīn)此,在對多(duō)孔孔(kǒng)闆流量計(jì)的研(yán)究過程中引入該方(fāng)法，一-方面(miàn)可(kě)以加速研究(jiū)進程(chéng)，另一(yī)方面(miàn)通過選擇合适(shì)的計算(suàn)模(mó)型提(tí)高多孔孔闆流(liú)量計流場計算(suàn)的正(zhèng)确率.
1湍流模型的(de)選擇
由于目(mù)前尚無對(duì)流場具有(yǒu)普适性(xìng)的(de)湍流模型(xíng)，科研人員隻能根據流(liú)場概況(kuàng)選擇(zé)相對合理(lǐ)的湍流模型.在近幾年的研究(jiū)中，k-湍(tuān)流模型被(bèi)廣泛應用(yòng)，上述(shù)研究取得較好(hǎo)的效(xiào)果，這說明(míng)雙方程形式的(de)k-0模型在計(jì)算近(jìn)壁區流場、含有(yǒu)尾渦(wō)及剪切層(céng)等流(liú)場具有較(jiào)好的計(jì)算效果(guǒ).
由于(yú)多孔孔闆(pǎn)孔分布具有分散性，流體經過(guò)多孔孔闆後在(zài)管道(dào)中形成受(shòu)限性(xìng)多股射流(liú).射流自孔(kǒng)口出射後與周(zhōu)圍靜(jìng)止流(liú)體(tǐ)間形成(chéng)速度不連(lián)續的(de)間斷面(miàn)，速(sù)度間(jiān)斷面是(shì)不穩定的，必定(dìng)會産生波動(dòng)，并發展成(chéng)漩渦，從而(ér)引起(qǐ)紊動(dòng).這(zhè)樣(yàng)就把原來周圍處于(yú)靜止狀(zhuàng)态(tài)的流(liú)體卷吸(xī)到射流(liú)中(zhōng)，形成射流的(de)卷吸現象7.根據(jù)文獻[7]中的雙股射流理(lǐ)論，流體(tǐ)經過多孔(kǒng)孔闆後多股射流間(jiān)形成會(huì)聚(jù)區，最終合(hé)而爲一進(jìn)人聯合區.由于(yú)卷吸(xī)現(xiàn)象的存(cún)在，會(huì)聚區(qū)内形(xíng)成射流(liú)間回流(liú)區，各股射流與(yǔ)壁面之(zhī)間産生近壁(bì)面回流區(qū)，在壁(bì)面回流區(qū)和射(shè)流間回流(liú)區中(zhōng)有大量的(de)漩渦存在(zài)，流場如圖(tú)1所示(shì).
由于(yú)射流與周圍靜(jìng)止流體的卷吸(xī)與摻(chān)混，相(xiàng)應地産生(shēng)了對射流(liú)的阻力，使射(shè)流邊緣部分流速(sù)降低，難以保持(chí)原來(lái)的初始流(liú)速.射流與(yǔ)周圍(wéi)流體的摻混自(zì)邊緣部分向中(zhōng)心發(fā)展(zhǎn)，經(jīng)過一(yī)-定的(de)距離發展到射流中心，自(zì)此以(yǐ)後射流(liú)的(de)全斷面上(shàng)都發(fā)展成湍(tuān)流.由孔(kǒng)口!邊(biān)界開始向内外擴展(zhǎn)的摻混區即爲剪切(qiē)層，因此，流體經(jīng)過多(duō)孔(kǒng)孔闆形(xíng)成的多股射流(liú)流場(chǎng)中(zhōng)存在較(jiào)多的剪切層(céng).綜(zōng)上所(suǒ)述，多孔孔闆流量(liàng)計(jì)的流場情況(kuàng)較爲複雜(zá)，這就要(yào)求湍(tuān)流計(jì)算模型對(duì)含有大量(liàng)漩渦(wō)及剪切(qiē)層(céng)的流(liú)場具(jù)有較好的(de)計算效果;由于(yú)多孔孔闆(pǎn)流量(liàng)計采用壁面取(qǔ)壓方式(shì)，該取壓方式要求(qiú)湍流(liú)計算模型對近(jìn)壁區域有較好(hǎo)的計算效果.
基于上(shàng)述(shù)兩(liǎng)方面(miàn)原因(yīn)，采用雙方程形(xíng)式的standardk-?模型(xíng)、sstk-模型以及(jí)standardk-c+sstk-組合形式分(fèn)别(bié)對10塊(kuài)100mm口徑、β=0.6的多孔孔(kǒng)闆進行(háng)了數值模(mó)拟與(yǔ)實(shí)流實(shí)驗，流速範圍爲(wèi)0.5~7.5m/s.本文(wén)選擇了其(qí)中3塊(kuài)具(jù)有代表(biǎo)性的(de)多孔孔闆(pǎn)對結果進(jìn)行說(shuō)明.
2湍(tuān)流模型
standardk-模(mó)型是(shì)一個通用(yòng)雙方程(chéng)湍流模(mó)型18-9],其中一個變(biàn)量是(shì)湍動(dòng)能k，另(lìng)一個變量爲耗(hào)散率.standardk-?模型(xíng)是基于wilcoxk-模(mó)型，該模型(xíng)對近(jìn)壁(bì)區域的流動、尾流(liú)、射流(liú)、剪切層及(jí)低雷(léi)諾數(shù)流動有較(jiào)好的(de)預測效果(guǒ).sstk-0模型是(shì)由menter提出(chū)的雙方程湍流(liú)模型，該模型不(bú)但集成了(le)standardk-模型特點與standardk-模(mó)型對(duì)高雷諾數流動(dòng)具有(yǒu)較好計算(suàn)效果的優(yōu)點，而且增(zēng)加了橫向(xiàng)擴散導數(shù)項，在(zài)湍流黏度定義(yì)中考慮(lǜ)了(le)湍流(liú)剪切應(yīng)力的傳(chuán)輸過程.其(qí)模型(xíng)爲
3建模(mó)網格剖(pōu)分
3.1多孔(kǒng)孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的(de)幾何結(jié)構
圖2爲多(duō)孔孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)結構(gòu)，其中(zhōng)圖2(a)爲(wèi)流量(liàng)計的整體(tǐ)結構，圖2(b)爲(wèi)多孔孔闆(pǎn)的結構及參數定義.圖2(b)中d爲多孔孔(kǒng)闆(pǎn)流量計(jì)的管徑;d1爲(wèi)中心(xīn)節流孔直徑;d2爲(wèi)環狀排(pái)列孔直(zhí)徑;d3爲環狀(zhuàng)排列(liè)孔的中(zhōng)心(xīn)圓直徑;多(duō)孔孔闆中心(xīn)節流(liú)孔與環(huán)形排列孔之間的距離爲d,環形排列孔(kǒng)與管壁(bì)之間的距離爲(wèi)d2.圖3爲多(duō)孔孔闆(pǎn)實驗樣機,dh、dh的大小決定了(le)射流(liú)間回流區(qū)及壁(bì)面回(huí)流區的尺(chǐ)寸(cùn)，因此表(biǎo)1中給出了各樣機的d1、d2的具(jù)體數(shù)值.
3.2網格(gé)剖分(fèn)
按照流量(liàng)計的實際尺(chǐ)寸(cùn)在gambit中(zhōng)建(jiàn)立三維(wéi)計算模型，前直(zhí)管段長度(dù)設置(zhì)爲10倍管(guǎn)徑，後直管段長(zhǎng)度(dù)設置(zhì)爲30倍管徑.爲了(le)正确獲得多孔孔闆附近(jìn)的流(liú)場變(biàn)化情況，多(duō)孔孔闆附近采用sizefunction函(hán)數進(jìn)行加(jiā)密處(chù)理(lǐ)，特别在(zài)多孔(kǒng)孔闆的下(xià)遊，加(jiā)密區(qū)域更(gèng)大，而(ér)在遠(yuǎn)離多(duō)孔孔闆的上下(xià)遊直管段區域的網格逐(zhú)漸變得(dé)稀疏，最密處(chù)網格尺寸與兩(liǎng)側稀疏處(chù)的比爲1:5.網格(gé)質量爲(wèi)equisizeskew值爲(wèi)0.75,equiangleskew值爲0.80，aspectratio值爲1.0:
3.4.圖4爲多孔孔闆(pǎn)b仿真(zhēn)模型局部(bù)網格(gé).
4計算(suàn)結果分析
衡量湍流(liú)模型對節(jiē)流式(shì)流(liú)量計(jì)數值計(jì)算效果優劣标(biāo)準如(rú)下(xià).
(1)在同樣(yàng)的流量範(fàn)圍内，比較數值計算(suàn)得出的流出系(xì)數c與實流(liú)實驗(yàn)結果是否具有(yǒu)一緻(zhì)性(xìng);
(2)通過對(duì)不同物理量的(de)流場分析，判斷(duàn)計算結果(guǒ)是否(fǒu)與相(xiàng)應(yīng)流體力(lì)學理論(lùn)-緻(zhì).
4.1流出(chū)系數c的計算結(jié)果與分析
節流(liú)式流(liú)量計測量不可壓(yā)縮(suō)流體的體(tǐ)積流量計算公(gōng)式爲(wèi)
式中:qv爲(wèi)體積流量，m/s;ap爲(wèi)上下遊取(qǔ)壓點(diǎn)測得的差(chà)壓值(zhí)，pa,在仿真實驗中，來自(zì)流場(chǎng)數值(zhí)計算結(jié)束(shù)後壓(yā)力場數據的提(tí)取，在實流實驗(yàn)中則直接(jiē)來自(zì)差壓(yā)變送器
的(de)讀(dú)數;ρ爲(wèi)流(liú)體的(de)密度(dù),kg/m3;β與d分(fèn)别是(shì)多孔(kǒng)孔闆的等(děng)效直(zhí)徑比(bǐ)和節流孔的等效直(zhí)徑，在(zài)實驗(yàn)中均(jun1)爲确(què)定的幾何(hé)參數;c爲(wèi)節流式(shì)流量計(jì)的流出(chū)系數(shù)，該(gāi)參數是(shì)從仿(páng)真計算或(huò)者是實流實驗中得出，因此節(jiē)流式流量計的(de)流出系(xì)數c是評(píng)價節流式(shì)儀表(biǎo)性能的最重要(yào)參數.
爲了(le)便于書寫，standardk-、sstk-、standardk-+sstk-?分别采用(yòng)如下縮(suō)寫形式:
std、sst,std+sst.圖5~圖(tú)7是std模型、sst模(mó)型及std+sst組合形式(shì)在同一雷諾數(shù)範圍内(nèi)對(duì)不同(tóng)結構的多孔孔闆流量計計算(suàn)得出的(de)流出系(xì)數c.值(zhí)和實流實(shí)驗值(exp)的(de)比較.每(měi)個湍(tuān)流模型的8個仿(páng)真實(shí)驗點(diǎn)對應人(rén)口流速(sù)分别爲0.5m/s.1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s、6.0m/s和(hé)7.5m/s.
在數(shù)值計算(suàn)過(guò)程中，對于(yú)多(duō)孔孔闆a、b,sst模(mó)型在(zài)計算過(guò)程中發散.從圖5~圖7可以看(kàn)出,在這3種數值計算(suàn)方式(shì)中，sst模型或std+sst模式計算得到(dào)的流(liú)出系數c在(zài)變化趨勢與實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻(wěn)合得最(zuì)好;std模型(xíng)計算得到的流出系數c的變化(huà)趨勢與(yǔ)實流實(shí)驗之(zhī)間有輕微(wēi)的差異(yì),但(dàn)總體(tǐ)趨勢(shì)--緻.
表2和表(biǎo)3中定量地給出(chū)了采用各(gè)數值(zhí)計算(suàn)方(fāng)法(fǎ)得出的計(jì)算結果.表(biǎo)2中定(dìng)量地給出(chū)了采用各(gè)數(shù)值(zhí)計算方法(fǎ)得到的流(liú)出系數平均值、實(shí)流實驗(yàn)得出的流出系(xì)數平均值及其平均(jun1)值相對誤(wù)差,該誤差(chà)定義(yì)爲
表(biǎo)3中定(dìng)量地給出(chū)了采(cǎi)用各數值計(jì)算(suàn)方(fāng)法(fǎ)得到流出系數(shù)線性(xìng)度ela以及實(shí)流實(shí)驗得出的流出(chū)系數線性(xìng)度ele,計算流出系(xì)數線性度(dù)的表(biǎo)達式爲(wèi)
式中:cmaxs爲(wèi)所有流(liú)量點中(zhōng)流出系數最大值;cmin爲所(suǒ)有流量(liàng)點中流出系數(shù)最小值(zhí).
從表2中(zhōng)可以(yǐ)看(kàn)出,對于(yú)多孔孔闆(pǎn)c,3種計(jì)算模式均收(shōu)斂(liǎn),std模型計(jì)算結果(guǒ)的相對(duì)誤(wù)差爲6.90%,sst模型與std+sst模式計(jì)算結果的相對(duì)誤差較小，分别(bié)爲4.30%與4.20%.對于多孔(kǒng)孔闆a與b,std模(mó)型與(yǔ)std+sst模式(shì)計算結果(guǒ)的相(xiàng)對誤差均(jun1)較小(xiǎo),其中std+sst模式對多(duō)孔(kǒng)孔(kǒng)闆計(jì)算結(jié)果的(de)相對(duì)誤差(chà)随着(zhe)d2值的減小而減(jiǎn)小從(cóng)表3中可以(yǐ)看出(chū)，利用std+sst模式(shì)計算多孔(kǒng)孔闆可以較好地反映出(chū)不同形式多孔(kǒng)孔闆的流出系(xì)數線性(xìng)度.
4.2不同物理量(liàng)流場分(fèn)析
(1)從上述(shù)分析(xī)可知,分别(bié)用std湍(tuān)流模(mó)型和std+sst組合(hé)模式(shì)計算(suàn)多孔(kǒng)孔闆(pǎn)a、b得出的流(liú)出系數計(jì)算結(jié)果與實流實驗(yàn)結果相對誤差(chà)均較小，但是速(sù)度場和(hé)湍流強(qiáng)度場(chǎng)卻有很大(dà)差别，如圖(tú)8~圖13所(suǒ)示.standardk-?湍流模型對(duì)高雷諾數(shù)湍流(liú)及具有自由剪(jiǎn)切層的湍(tuān)流具(jù)有很(hěn)好的計算(suàn)效果，sst模型(xíng)中集(jí)成了standardk-湍流(liú)模型(xíng)的這一優點，所(suǒ)以利(lì)用std+sst模式仿(páng)真多孔孔闆a得(dé)到的下遊速(sù)度(dù)流場具(jù)有(yǒu)明顯的會聚(jù)趨勢，符(fú)合文(wén)獻[4]中的雙股(gǔ)理論，而利用(yòng)std仿真多孔孔(kǒng)闆(pǎn)a得到(dào)的下遊射流沒(méi)有明顯會(huì)聚趨勢.多孔孔(kǒng)闆b的速度(dù)場雲(yún)圖雖(suī)然(rán)符(fú)合(hé)射(shè)流理論，但(dàn)是利用std+sst模(mó)式(shì)計算的(de)湍流(liú)強度場中湍流強(qiáng)度最大(dà)的位(wèi)置(zhì)在射流(liú)的剪切層中，與文獻[10]結(jié)論(lùn)-緻.因(yīn)此可以看出sst湍(tuān)流模型(xíng)比(bǐ)std湍流(liú)模型(xíng)更适合計(jì)算受限性(xìng)多股(gǔ)射流相(xiàng)互作用(yòng)的流場.
(2)從圖9、圖11和圖14中可以看(kàn)出，相對于多(duō)孔(kǒng)孔闆(pǎn)c,多孔(kǒng)孔闆(pǎn)a、b的射流間回流區域較大，壁面(miàn)回(huí)流區域較小(xiǎo).直接(jiē)使用sst模型(xíng)計算射流(liú)間回(huí)流區域較大多(duō)孔孔(kǒng)闆時的收(shōu)斂比(bǐ)較困(kùn)難，而(ér)std+sst組合模(mó)式(shì)不但克服了上述缺(quē)點并且(qiě)計算效(xiào)果較(jiào)好(hǎo).
(3)如前文(wén)所述(shù)，sst模型在近(jìn)壁區(qū)以外及剪(jiǎn)切層中集(jí)成了(le)standardk-ε湍流模(mó)型的特(tè)點，而(ér)standardk-ε湍流(liú)模型本身存在(zài)缺陷(xiàn),該模型在彎曲壁面、彎(wān)曲流線(xiàn)等情況下(xià)會産(chǎn)生失真.多孔孔(kǒng)闆a、b、c的壁面回流(liú)區依(yī)次(cì)增大,所(suǒ)以采用壁面取壓方式(shì)時,計算(suàn)得出(chū)流(liú)出系數平均值(zhí)與實流(liú)實驗(yàn)得(dé)出的流出系(xì)數(shù)平(píng)均值(zhí)之間的相(xiàng)對誤差依次減小.
5結(jié)語
通過有限體積法數值(zhí)求解(jiě)reynolds平均n-s方程,湍流模型(xíng)分(fèn)别用std模(mó)型、sst模型(xíng)及std+sst組合(hé)模式對3塊多孔(kǒng)孔闆(pǎn)流量計進行了(le)數值模拟(nǐ).結果表(biǎo)明(míng):對于(yú)中心(xīn)節流孔與(yǔ)環形排列(liè)孔之間距(jù)離較小的(de)多孔孔闆(pǎn)，sst模型收斂性較好;對(duì)于中(zhōng)心節流孔(kǒng)與環形(xíng)排列的(de)小孔之間(jiān)距離(lí)較大的多孔孔(kǒng)闆,sst模型(xíng)計(jì)算結果收斂(liǎn)困(kùn)難,std+sst組(zǔ)合模式在(zài)保證(zhèng)計算精度的前(qián)提下(xià)改善了收(shōu)斂效(xiào)果.相對std模(mó)型,sst模(mó)型更加适合計(jì)算多(duō)孔孔(kǒng)闆流量計的内部流場,計(jì)算結(jié)果與射(shè)流(liú)力學(xué)中的(de)雙股射流理論-緻,與(yǔ)實流實驗(yàn)結(jié)果誤差(chà)的最(zuì)大值(zhí)爲4.2%,并且能反(fǎn)映出不(bú)同多(duō)孔孔闆流出系數線性度(dù)的差(chà)異.因此，利(lì)用該(gāi)方法計算(suàn)多孔(kǒng)孔(kǒng)闆(pǎn)流場對優化多(duō)孔孔(kǒng)闆(pǎn)結構具有一(yī)定的(de)指導意義(yì)，并且對其(qí)他具(jù)有射(shè)流性質的(de)流場(chǎng)仿真(zhēn)具有(yǒu)一定的參考價(jià)值.
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