文中采用 CFD 數(shù)值模擬的方法對多孔均流式流量計進行仿真研究。首先利用正交試驗法確定了其***優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后分析了流場的特點，進而比較了管道雷諾數(shù)、等效直徑比、孔板厚度和不同流體類型對多孔均流式流量計與標準孔板流量計的性能的影響。結(jié)果表明，多孔均流式流量計孔板產(chǎn)生的渦流的尺寸更小，也更加均勻，且壓損系數(shù)小，流出系數(shù)更大、更穩(wěn)定; 在湍流狀態(tài)下，多孔均流式孔板的流出系數(shù)與雷諾數(shù)和流體基本無關(guān)。

0.引言

流量計是常用的計量儀表，水、天然氣、油品等的生產(chǎn)與銷售中都需要使用流量計，而差壓式孔板流量計是***常用的類型。多孔均流式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多個對稱的函數(shù)孔，相比于傳統(tǒng)的孔板流量計，它具有穩(wěn)定性高、直管段要求低、壓力損失小等優(yōu)點 但國內(nèi)對其研究較晚，關(guān)于這方面的研究資料也十分缺乏，為此本文采用 CFD仿真的方法對多孔均流式流量計進行研究分析。

1.結(jié)構(gòu)設計

在仿真計算中給定管道入口流量，再結(jié)合仿真所得的壓差，可得到流出系數(shù)的表達式

式中: QV 為體積流量，m3 /s; β 為當量孔徑比，無量綱; A0 為小孔流通面積的總和，m2 ; ε 為可壓縮性系數(shù); P 為孔板前后差壓，Pa; ρ 為被測介質(zhì)密度，kg /m3 ; C 為流出系數(shù)。

另外，本文采用壓損系數(shù) ξ 來描述流量計的壓降特性，壓力損失系數(shù)越小，則表明所設計的流量計的結(jié)構(gòu)越合理。其定義為

為了簡化設計，假設多孔均流式流量計除了中心孔之外的所有孔都均勻分布在同一圓環(huán)上，且只研究兩環(huán)的情況，如圖 1所示。

由圖 1 可知，當?shù)刃е睆奖?/span> β、開孔個數(shù) N、孔板厚度 E、圓

環(huán)上的孔直徑與中心孔直徑比 K = D1 /D2 、圓孔分布密度 Hd  =H2 /H1  確定之后，流量計的結(jié)構(gòu)就基本確定了。標準孔板流

量計的等效直徑比取值范圍為 0. 2 ～ 0. 75，本文選取 β =0. 5 作

為多孔均流式流量計的定型參數(shù)，以便與標準孔板流量計進行對比研究。

多孔均流式流量計的結(jié)構(gòu)取決于 E、N、K 和 Hd  的不同取值組合。采用正交試驗法，并結(jié)合 CFD 計算，得到的結(jié)果如表所示。其中流體為常溫水，流量為 QV =10 m3 /h。

其中 Ｒ 為各因素對應的極差，極差越大表示該因素對結(jié)果的影響越重要，可以看出:

( 1) 極差 ＲB ＞ ＲA ＞ ＲC ＞ ＲD ，即因素對壓損系數(shù) ξ 的影響從大到小的順序是: N ＞ E ＞ K ＞ Hd ;

( 2) 表 1 分析的結(jié)果顯示在所有 256 組正交試驗中，E = 4 mm、N=9、K=0. 7 和 Hd =0. 39 的組合是***優(yōu)組合，即在這種組合下的壓損系數(shù) ξ ***小，從而為***優(yōu)方案。

2.流場特性的研究

為了檢驗多孔均流式流量計在均流方面的作用，在同一工況下，對標準孔板與多孔均流式孔板的仿真結(jié)果進行對比分析。流體為常溫水，雷諾數(shù) Ｒe =1 × 105 ，采用 Fluent 軟件進行數(shù)值模擬分析。模型網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)大約為60 萬，并在孔板附近加密網(wǎng)格。數(shù)學模型主要包括連續(xù)性方程和動量方程，湍流模型采用 k － ε 模型，其中湍流強度取為0. 05。入口條件為給定流量，出口邊界條件為“自由出口條件”; 壁面處為“無滑移邊界條件”。圖 2 給出了標準孔板和多孔均流式孔板在 Z =0 截面上的局部流線圖。

圖 2 中可見，相對標準孔板而言，多孔均流式孔板產(chǎn)生的渦流的尺寸更小，也更加均勻，而且產(chǎn)生的射流強度小。多孔均流式孔板的上游以及下游的流動狀態(tài)很快就能恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，因此所需的下游直管段長度更短.

3 .多孔均流式與孔板流量計的對比

3． 1 雷諾數(shù)的影響

首先研究管道雷諾數(shù)對壓損系數(shù) ξ 的影響。將 β =0. 5、E=4 mm的標準孔板與 β =0. 5 的多孔均流式孔板進行比較，結(jié)果如圖 3 所示。

由圖 3 可知，在湍流狀態(tài)下，多孔均流式流量計的壓損系數(shù)更小，說明在同樣工況下，流體通過多孔均流式孔板之后的壓力損失更小。此外，隨著雷諾數(shù)的變化，其壓損系數(shù)基本保持不變，而標準孔板卻有較大波動。

接著研究雷諾數(shù)對流出系數(shù)的影響。由圖 4 可知，在層流和過渡流( Ｒe ＜ 4 000) 狀態(tài)下，隨著雷諾數(shù)增大，多孔均流式流量計的流出系數(shù)逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。在湍流狀態(tài)下( Ｒe ＞4 000) ，隨著雷諾數(shù)增大，其流出系數(shù)基本不變，而標準孔板的流出系數(shù)卻有較大幅度的波動。壓損系數(shù)和流出系數(shù)的穩(wěn)定性對測量精度有較大影響，由此可見，多孔均流式流量計的精度高于標準孔板。

3． 2 等效直徑比 β 對流出系數(shù) C 的影響

由圖 5 可以看出，在 β 增大時，多孔均流式孔板的流出系數(shù) C 值始增大，這是因為 β 越大，下游流體的渦旋和回流效應就會越小，其壓降損失就會越來越低，從而 C 值就會越來越大;并且，當 β =0. 75 時，C 值已經(jīng)很接近 1 了，這說明此時的實際流量已經(jīng)很接近理論流量了。而標準孔板的流出系數(shù) C 的變化規(guī)律則不是很明顯。

3． 3 流體類型對流出系數(shù)的影響

選取工業(yè)中常用的液體工質(zhì)水、甲苯、柴油以及氣體工質(zhì)空氣、二氧化碳和氨氣 來研究流體類型對流出系數(shù)的影響規(guī)律 。雷諾數(shù)的變化為 2 ×104 ～ 2 ×105 ，所得結(jié)果如圖 6 所示.

由圖6可知，在湍流狀態(tài)下，不同類型工質(zhì)的Ｒe － C曲線基本重合，這說明湍流狀態(tài)下工質(zhì)類型對流出系數(shù)基本沒有影響，即多孔均流式流量計可以應用于所有工質(zhì)的測量，而不需要重新標定。由圖 6 也可看出，在湍流狀態(tài)下，流出系數(shù)大小受雷諾數(shù)的影響很小，因此可以認為，在一定測量范圍內(nèi)，流出系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)。

4.結(jié)論

( 1) 應用正交試驗法，對多孔均流式流量計的***優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行了分析，得出影響壓損系數(shù) ξ 的 4 個因素從大到小的順序是: N ＞ E ＞ K ＞ Hd ，并且得到了一組優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù);

( 2) 對多孔均流式孔板與標準孔板進行了數(shù)值模擬，研究了雷諾數(shù) Ｒe、等效直徑比 β 和不同工質(zhì)對流出系數(shù)的影響，得出了多孔均流式孔板的渦流尺寸更小，耗能更低，比標準孔板性能更穩(wěn)定，且流出系數(shù) C 的變化與工質(zhì)類型基本無關(guān)，精度也更高。