孔板后稳定断面的位置分析

　　引言

　　孔板测流其实质是通过检测流体流过节流孔前后产生的压差来计算流体流量的节流装置. 孔板用作流量量测, 与同属压差类量水仪器的文丘里流量计管嘴相比较其形状和结构简单、应用方便, 与弯管计相比较而言, 其数据可靠、测量精度高, 因而孔板测流在工程应用中有其优越性.孔板测流的流量公式中的流量系数一般是在一定长度直管段条件下, 用模型实验方法确定的. 如: 日本土木学会对小流量、低流速的孔板在模型实验的基础上提出了一些情况下的流量系数[1]; 郑建光[2]通过实验研究了流量系数随直管段长度缩短产生的变化. 但在实际应用中, 孔板下游测压管的安装位置对流量系数有一定的影响,现行规范中只提出与上游弯管的最小直线距离, 而对下游直线管段的要求却没有作出任何规定, 这是不完整的.

　　采用CFD数值模拟来分析研究管内孔板的相关流场在国外已有数十年的历史[3-5 ]. 进几年来, 国内才开始对孔板流场问题进行数值模拟: 支道枢等[6]对单级和多级消能孔板流场进行模拟, 分析流场的时均和紊动特性;张庄等[7]采用高阶计算格式对小浪底工程四级孔板的孔板间距、孔径比、孔板边缘圆弧半径等变化的影响进行了研究; 刘华等[8]对孔板流场进行数值模拟, 得到流量系数. 但是, 迄今尚无人利用CFD研究孔板测流的下游稳定断面的距离, 因此试验中下游测压管的安装位置有一定的不确定性.

　　本文借助数值模拟的方法研究孔板的流场和压力分布, 通过改变管道中流量, 分析孔板后的稳定断面距离和流速的关系, 再改变孔板的直径, 分析孔板下游稳定断面距离关系, 找出流速和孔径比对下游稳定断面距离的关系式, 为试验安装下游测压管位置提供参考.

　　1 模型建立

　　计算模型建立如图1 所示.

　　1.1 数学模型[10-11]

　　孔板流场的介质为水, 流动模型为三维不可压缩粘性流动, 可用不可压缩流动的雷诺时均方程组与 k~ε 湍流模型构成封闭的方程组来解决.

　　1.2 边界条件

　　考虑孔板的对称性, 计算时取其纵剖面的一半划分计算网格. 计算域的边界包括对称面、固壁以及进出口边界. 即:

　　1)进口边界条件: m ,pu u==常数;

　　2)出口边界条件: 考虑流动的充分发展和其他因素的影响, 将出口边界条件设置为自由出流.

　　3)对称面边界条件: 由于整个流场结构的“镜像”对称, 对称边界上不设定任何边界条件, 法向梯度为零即可.

　　4)其他边界条件: 由于着重研究内部流场, 对壁面就采用固壁面边界.式中u m为孔板入口处的断面平均流速.