标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟

　　0　引　言

　　孔板流量计因其结构简单、耐用而成为目前国际上标准化程度最高、应用最为广泛的一种流量计,但也存在着流出系数不稳定、线性差、重复性不高等缺点。采用CFD数值模拟来分析研究管内孔板类节流元件的相关流场在国外已有数十年的历史[1-5]。Sheikholeslami等人和Barry等人使用Fluent软件模拟了孔板流量计工作性能随着雷诺数、直径比、管道表面粗糙度、上游旋涡以及上下游流动边界条件的变化情况,在使用二维轴对称模型的情况下,他们认为采用80×60的网格足以得到与经验数据相差在2%以内的流出系数值[6-7]。美国Texas A&M大学的Morri-son等人采用CFD对孔板流量计进行了参数化研究,并测量了孔板下游的流场[8-9];后来又采用实验和CFD模拟对计量管内部的粗糙度规格进行评定改进,认为可以通过CFD模拟来获得任意雷诺数和管壁粗糙度下的管流通用速度分布图[10]。挪威科技大学(NTNU)的Erdal等人采用Phonics软件研究了充分发展流动条件下,单孔孔板下游的流场,并采用二维轴对称模型分析讨论了不同边界条件、差分算法和湍流模型等对孔板前后流场模拟结果的影响[11-12]。悉尼大学的Langrish等人利用CFX软件中的标准湍流模型,模拟了三维轴对称突扩管内雷诺数达到105时的湍流流动情况[13]。2003年,美国福特公司的研究人员采用Fluent 6.0软件模拟了汽车传动液压控制系统管路用孔板节流元件的流场,讨论了流出系数与直径比、孔板横截面形状、孔板轴向厚度、孔板出入口几何形状之间的关系[14]。

　　近5年来,国内一些单位也开始围绕孔板类节流元件的流场问题进行数值模拟研究[15-17]。但迄今尚无人利用商业CFD软件专门针对孔板流量计的内部流场进行系统分析,与相关经验公式进行对比讨论,因此开展这方面的工作非常有必要。

　　1　CFD模型及计算结果

　　1.1　理论基础

　　标准孔板流量计有D和D/2取压、角接取压和法兰取压等多种方式,其中D和D/2取压法的结构如图1所示。对于不可压缩流体的水平管流动,在忽略沿程摩擦阻力损失的情况下,根据流体流动的伯努利方程(能量守恒)和连续性原理,可以得出管道中流体理论体积流量QV的计算公式(1)

　　实际上,对于不可压缩流体,下游取压口并非设置在截面S2-S2处,而是在与S2-S2有一定距离的截面S3-S3处。考虑到在截面S1-S1、S3-S3上测取的平均流体压力差△p一定大于△p′,故定义流出系数C来修正上述公式,可得实际体积流量值的计算公式

　　一般在出厂前通过建立的试验装置,实测标定出孔板流量计的流出系数C;在工程实际应用过程中,只需通过测定实际的△p值,将C、△p值代入式(2),即可得到所关心的实际体积流量值qV。对于不可压缩流体,当采用标准孔板结构时,也可不实测标定,而使用国际标准化组织(ISO)的里德-哈利斯/加拉赫公式确定流出系数,该公式是基于大量实测实验而回归出的一个经验公式[18]。