低温孔板节流元件空化特性数值研究

　　数值研究表明：由于节流导致孔板下游压力降低，低温流体空化现象易于发生;而流体速度、压力以及过冷度均会诱发空化，并且进口速度增大、压力降低以及过冷度减小均会造成空化数减小、空化强度增加，空化初生、阻塞现象先后发生。此外，通过研究孔板节流现象的初生、阻塞流动特性，为节流式流量计在低温领域的应用提供参考依据。

　　孔板流量计等是经典的节流式流体流量测量元件。由于其结构简单轻便，能够在很多复杂的条件下测量流体流量，被广泛应用于液化天然气储藏与输运系统、低温热交换器等低温工程领域。然而，低温流体流经节流元件形成的节流压降易于诱发空化现象，空化是由于压力下降导致液体汽化而产生由蒸汽与不凝气体混合物所组成的气泡爆发性生长、破灭及反弹现象。空化不仅会使节流元件及下游管道被空蚀损坏、设备效率降低，而且可能导致流量测量不准确、系统运行不稳定、出现重大事故。因此，对节流式流量计内流体空化流动特性进行理论与实验研究具有很重要的工业实用价值。但是，目前针对节流空化现象的理论实验与数值研究多见于常温流体，而低温流体空化流动的研究资料相对较少。对于空化流动的数值模拟方法主要有两大类：一类是求解Rayleigh- Plesset 气泡动力学方程得到气泡质量变化;另一类是分离求解气相传质方程，其中较为经典的Singhal完全空化模型在常温流体空化流动数值计算中已得到验证。考虑到低温流体饱和温度低，对压降变化敏感的特性，本文基于两相流混合物方程，将RNGk- ε湍流模型与完全空化模型相结合，对低温液氧在孔板流量计中的空化流动进行数值模拟。通过研究不同操作条件(来流压力、背压、过冷度) 下空化强度，得到孔板节流现象形成的流动特性，为节流式流量计在低温领域的应用提供参考依据。

　　1 物理模型与重要参数

　　1.1 物理模型

　　本文研究的孔板流量计根据国家标准ISO5167(GB- 2624- 93)设计的，孔板尺寸如图1所示。由于孔板流量计的物理模型为二维轴对称几何结构，本文选取对称面的一半作为研究区域，孔板上、下游的直管段长度分别取5D和15D。对计算区域采用四边形结构化网格划分，从管道两端到孔板逐渐加密，在孔板四周网格最密，孔板倒角处非结构化网格划分，网格总体数量为171929。数学模型由混合物模型方程组、湍流RNGk- ε方程以及Singhal完全空化模型组成。

　　1.2 空化数

　　为了衡量不同流场中的空化现象，本文采用空化数作为衡量标准判断空化初生和空化强度。根据文献，空化数主要采用以下形式反应流场内空化程度：