摘要:針(zhēn)對孔(kǒng)闆流(liú)量計
測量(liàng)精度及節能(néng)降耗的要求，對5種結構(gòu)的單孔闆(pǎn)進行(háng)了數值模(mó)拟研(yán)究。進行了(le)數值模拟與(yǔ)标(biāo)準孔闆實(shí)驗比(bǐ)對,對模拟方法(fǎ)的可(kě)靠性(xìng)進行(háng)了驗(yàn)證，在此基(jī)礎上進一步完成了5種結構10組(zǔ)流速下(xià)的(de)數值(zhí)研究(jiū)。通過速度(dù)矢量圖得(dé)出孔口後(hòu)流态的變化;計(jì)算流(liú)量系數，得出(chū)流量系數與雷諾(nuò)數關(guān)系(xì)曲(qǔ)線、軸線距(jù)離與壓力關系(xì)圖、壓(yā)差與(yǔ)雷諾數關系(xì)圖(tú)。結果(guǒ)表明(míng),5種孔闆中(zhōng)外(wài)凹型孔闆流(liú)量計ii因爲闆前緩沖(chòng)段較爲理(lǐ)想,對流(liú)體(tǐ)起到(dào)了整流(liú)的(de)作用，減(jiǎn)弱了闆前流(liú)體死區的形成和闆後渦流的(de)形成,降(jiàng)低了孔闆流(liú)量計的壓(yā)力損(sǔn)失,且(qiě)流量(liàng)系數大,随雷諾(nuò)數增大(dà)壓(yā)差增(zēng)大緩慢,壓力恢(huī)複快(kuài)。
孔(kǒng)闆(pǎn)流量計是常見的測(cè)流量裝置(zhì)，以(yǐ)連(lián)續性方程(chéng)和伯(bó)努利方程爲理論基(jī)礎。流(liú)體在通(tōng)過節流元件(jiàn)時,由于(yú)流通面(miàn)積的突然(rán)收縮(suō)促使流體加速(sù)，産生節(jiē)流效應(yīng),使(shǐ)孔闆前後産(chǎn)生壓差(chà),通過(guò)測量壓差從(cóng)而計(jì)算出管道(dào)中的流量(liàng)。節流元件(jiàn)的尺(chǐ)寸和(hé)結構(gòu)的不同,會導緻(zhì)測量精度、測量(liàng)壓力(lì)、管徑範圍(wéi)及流量系數随(suí)雷諾數變化關(guān)系的差異(yì)。選擇或者(zhě)設(shè)計(jì)出較(jiào)爲理想的(de)孔闆流量(liàng)計,是(shì)計量(liàng)行業發展的需(xū)要。采用數值模(mó)拟分析研究管内孔(kǒng)闆(pǎn)類節流(liú)元件(jiàn)的相關流(liú)場已有數(shù)十年(nián)的曆史,采用ansysfluent軟(ruǎn)件,選(xuǎn)擇(zé)5種(zhǒng)标準(zhǔn)及非标(biāo)準孔闆(pǎn)作爲(wèi)對象,爲非(fēi)标(biāo)準孔闆(pǎn)流量(liàng)計的(de)與發展提(tí)供一定依(yī)據。
1研(yán)究模型
1.1幾何模(mó)型
模拟5種不同(tóng)孔(kǒng)闆(pǎn)形狀的孔(kǒng)闆流量計(jì)，見圖1。
5種孔(kǒng)闆(pǎn)均(jun1)按照iso5167國際标(biāo)準，确定(dìng)孔闆(pǎn)尺(chǐ)寸。根據(jù)相關規定,孔闆節流(liú)元件的孔(kǒng)徑與(yǔ)孔闆(pǎn)通徑比值d/d=0.2~0.8;最(zuì)小孔徑(jìng)dmin≥12.5mm;直孔部分(fèn)厚度(dù)h=(0.005~0.02)d;總(zǒng)厚(hòu)度h<0.05d這5種孔(kǒng)闆公稱通徑d=40mm,節流元件的孔徑(jìng)d=20mm,d/d=0.5。
1.2流量系數(shù)計算(suàn)模型(xíng)
計算(suàn)每個(gè)孔闆流量(liàng)計對應的流量系(xì)數(shù)見公式(shì)(1)
式(shì)中:qm爲(wèi)流體的質量流(liú)量,kg/s;a0爲(wèi)孔口(kǒu)截面積,m2;p爲(wèi)流(liú)體密度(dù),kg/m3;△p爲孔口(kǒu)兩側壓(yā)差,pa。
2模(mó)型驗證及(jí)數值(zhí)模拟
2.1實驗(yàn)驗證過程
爲了确保數值模拟(nǐ)過程(chéng)設置(zhì)正确,将模拟結果與實驗值(zhí)進行了(le)比對實驗采用(yòng)裝置見圖(tú)2。
水由(yóu)離心泵從(cóng)水(shuǐ)箱抽出後,經過孔(kǒng)闆流(liú)量計，通過(guò)彎管再流(liú)回水(shuǐ)箱。其中孔(kǒng)闆流(liú)量計爲标(biāo)準型(xíng)，管道内徑40mm,孔闆口徑(jìng)35mm,孔闆厚度(dù)5mm。在不同的(de)閥門開度(dù)下,測試孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)壓差,計算流量及流量計流量(liàng)系數。實驗、模拟結果對比見圖(tú)3。
由圖(tú)3可知(zhī)，模拟(nǐ)與(yǔ)實驗吻合,對模拟方法(fǎ)的(de)可靠性(xìng)進行(háng)了(le)驗(yàn)證.。
2.2數值模拟設(shè)置
由(yóu)于孔闆(pǎn)流量計(jì)的軸對稱特性(xìng)，流體在經(jīng)過孔闆流量(liàng)計時也是(shì)對稱的,因此(cǐ)選用1/2實(shí)體及對稱面結構。應用(yòng)“mesh”進行模拟實體(tǐ)的網格劃分，見(jiàn)圖4。
由(yóu)于孔(kǒng)闆流(liú)量計結構簡單(dān),因此在劃(huà)分網(wǎng)格時隻需(xū)在節(jiē)流元(yuán)件處(chù)既縮(suō)口處進(jìn)行網格的加密。該模拟中采(cǎi)用(yòng)的介質(zhì)爲20℃的(de)水,p=998.2kg/m3,η=0.001pa·s,操作壓(yā)力爲(wèi)标準大氣(qì)壓。采(cǎi)用3d求解器(qì)，湍流方程用“标(biāo)準k-epsilon”方(fāng)程;選用速(sù)度進口(kǒu)和壓力(lì)出口邊界條件(jiàn),進行(háng)叠代求解計算。
在模拟過(guò)程中取闆前2d、闆(pǎn)後5d,即(jí)闆前80mm、闆後(hòu)200mm爲計算域(yù)。5種孔(kǒng)闆設定10個統一(yī)的進口(kǒu)流速(sù),分(fèn)别爲(wèi)0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的雷(léi)諾數值分别爲(wèi)7.9x103、1.2x104、4.0x104、5.98x104、7.99x104、9.98x104、1.20x105、1.40x105、1.60x105、1.80x105。
3結果(guǒ)與讨論
以ʋ=0.2m/s時孔闆的(de)模拟(nǐ)結果(guǒ)爲例,各孔(kǒng)闆流量計的速(sù)度矢量(liàng)雲圖見圖5.
由(yóu)圖5可知，流(liú)體(tǐ)在經過闆前(qián)區域時(shí)流(liú)道急(jí)劇收縮，速(sù)度增(zēng)大。其(qí)中标(biāo)準孔(kǒng)闆i所形成(chéng)的孔(kǒng)後大速度(dù)值高(gāo),爲1.2m/s;外凸型孔闆(pǎn)川i、加厚型(xíng)孔闆iv次之,約(yuē)爲1m/s;外凹型孔闆i1和(hé)直邊(biān)型孔闆v較小,分(fèn)别爲0.88和0.74m/s。外凸(tū)型(xíng)孔闆ii低(dī)流速較(jiào)大，直邊型(xíng)孔闆v次之(zhī),其餘均基本相等。經過孔口後(hòu)部分流體(tǐ)流動方向發生(shēng)改變,産生了一(yī)定的渦(wō)流(liú)區域(yù)，形(xíng)成(chéng)湍流(liú),孔闆(pǎn)的.結構不同造(zào)成的旋渦(wō)湍流(liú)區域形狀(zhuàng)及發展長(zhǎng)度(dù)也明顯(xiǎn)不同。标準孔闆(pǎn)i湍流區較寬,湍(tuān)流長度較(jiào)長。外(wài)凹型孔(kǒng)闆(pǎn)ii湍流(liú)段較短(duǎn),流(liú)場爲(wèi)整齊(qí),從(cóng)而也推(tuī)測出其節(jiē)流損失小。
對(duì)5種(zhǒng)孔闆(pǎn)進行了進一步(bù)的數據(jù)采集,保(bǎo)持孔闆的(de)直徑比不(bú)改變。由(yóu)流(liú)量分别計算對應的雷諾(nuò)數,采(cǎi)集每(měi)個孔(kǒng)闆每(měi)個(gè)流速所對應(yīng)的闆前d、闆後d/2取壓點(diǎn)所在(zài)平面(miàn)的平均壓力，即闆前40mm、闆後20mm計算(suàn)壓(yā)差(chà),并(bìng)根據公(gōng)式(1)計算出每個(gè)孔闆對應的流(liú)量系(xì)數(shù),得(dé)到流(liú)量系(xì)數與雷諾(nuò)數(shù)關系曲線圖(tú)見圖6。
由(yóu)圖(tú)6可知(zhī),雷諾數的變化(huà)對流量(liàng)系數影(yǐng)響不(bú)大,說明這幾(jǐ)種孔(kǒng)闆都具(jù)有良好的穩(wěn)定性。外凹型孔闆(pǎn)ii的流量(liàng)系數比其他4種大(dà)，标準(zhǔn)孔闆(pǎn)i小;加(jiā)厚型(xíng)孔闆iv的流(liú)量系數曲(qǔ)線在較大(dà)及較小雷諾數(shù)時變化明顯,因(yīn)此(cǐ)該類型穩定性稍差;直邊型(xíng)孔闆v穩(wěn)定(dìng)性好。
沿軸向的(de)距離(lí)l與壓力的(de)關系(xì)見圖(tú)7。
由圖(tú)7可知(zhī)，幾種孔闆(pǎn)壓降(jiàng)位置、壓降大小(xiǎo)及壓力恢(huī)複性(xìng)不同(tóng)。加厚(hòu)型孔(kǒng)闆iv的壓(yā)降(jiàng)位置(zhì)靠前,直(zhí)邊(biān)型孔闆v靠(kào)後(hòu),其(qí)餘三(sān)者基(jī)本(běn)接近;标(biāo)準孔闆i的(de)壓降大,外凹型孔闆(pǎn)ii壓降(jiàng)小;外凹型(xíng)孔闆(pǎn)ii的(de)壓力恢(huī)複快。
壓(yā)差(chà)△p與雷(léi)諾數(shù)的關(guān)系曲(qǔ)線見圖8。
由(yóu)圖8可(kě)知，幾種孔闆壓(yā)差△p随着雷(léi)諾數的增(zēng)大(dà)而增大(dà),增加趨勢基本(běn)相(xiàng)同(tóng),其中标準(zhǔn)孔闆i增加快(kuài)大(dà),外凹型孔闆ii增(zēng)大緩慢。
4結論
通(tōng)過流場模拟雲(yún)圖(tú)、流量系數與(yǔ)雷諾(nuò)數的曲線(xiàn)關系(xì)、中心軸線(xiàn)壓力分(fèn)布曲線(xiàn)、壓差(chà)△p與雷諾數(shù)的曲(qǔ)線關系的(de)分析可以得(dé)出(chū),5種孔闆中(zhōng)外凹(āo)型孔闆流量計(jì)ii因爲闆前緩沖(chòng)段較爲理想,對(duì)流體起到(dào)了整(zhěng)流的(de)作(zuò)用(yòng),減弱了闆前流體死(sǐ)區的形(xíng)成和闆(pǎn)後渦流的(de)形成(chéng),降低(dī)了孔(kǒng)闆流量計的壓(yā)力.損(sǔn)失。且流量(liàng)系數(shù)大,随(suí)雷諾數增大壓差增大緩(huǎn)慢,壓(yā)力恢(huī)複快(kuài)，是5個類型(xíng)中性(xìng)能較(jiào)好(hǎo)的一種(zhǒng)。在進行單孔闆(pǎn)流量(liàng)計的設計(jì)時，不(bú)但要滿足直徑(jìng)比,還應該考慮孔(kǒng)闆的厚(hòu)度和(hé)孔(kǒng)闆闆前(qián)的(de)過渡段(duàn)。孔闆(pǎn)的厚(hòu)度不宜太(tài)薄也不宜(yí)過厚,過渡段對流體(tǐ)要能進行整合(hé),使(shǐ)流體盡可能(néng)緩和的(de)流人(rén)。在孔闆的設計及(jí)使用(yòng)中,應結合(hé)實際(jì)情(qíng)況,應用(yòng)合适尺(chǐ)寸類型(xíng)的孔闆，确保流(liú)量系數穩(wěn)定,并(bìng)降低(dī)壓力損失(shī),保證流場(chǎng)穩定(dìng),進而(ér)提高孔闆(pǎn)流量計的(de)質量(liàng)和測量的精度。
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