摘要:本文分析了孔板流量計的結構,其工作原理屬差壓流量計范疇,從仿真角度對孔板流量計進行瞬態分析,得出“壓差-流量點”、“壓差開方根-流量點"的擬合方程,流量值x;與壓差開方根yi的線性關系;隨著流量的逐漸增大,壓差差值呈增大的趨勢.且流體介質的分子量越大,k系數越小;相較于對稱偏離,偏離程度的大小對h系數的影響不穩定,呈先增大后減小、再增大波浪線上升的趨勢,沒有嚴格的規律而言。
0引言
孔板流量計是根據伯努利公式,利用流體在流動過程中遵守能量守恒定律,即動能和靜壓能之和不變,以流體通過節流作用的孔板時產生壓差的原理而進行測量,廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、供熱供水等領域的過程控制和測量。”
目前,CFD仿真手段是比較熱門的方法,廣泛應用于產品設計、優化參數。采用solidworks軟件建立DN150標準孔板流量計幾何模型,基于CFD軟件對此狀態下孔板流量計內部流場進行數值模擬分析;等應用FLUENT流體仿真軟件,對空氣經過孔板前后的壓力和速度進行仿真研究;'應用計算流體力學軟件,對不同結構參數的孔板流量計進行數值模擬;運用CFD方法,在Fluent軟件中采用標準k-e模型和離散相模型對孔板內濕天然氣流動進行模擬，將模擬結果與NEL實驗數據進行驗證;(5]趙奇等以計算流體力學(CFD)為工具,模擬了標準孔板流量計與一類兩通道非標準孔板流量計的內部流場;[6]李過房自主開發了孔板流星計流場的數值模擬軟件,詳細分析軟件收斂的條件,并給出了在層流和湍流條件下流出系數的計算結果;采用計算流體力學(CFD)模擬方法對孔板流動進行了較準確的預測;等采用CFD模擬方法,確定了單相非牛頓流體的流量系數與雷諾數(比0.4.0.6和0.8)的關系,并對不同濃度的非牛頓流體的流量系數進行了分析。
此外,孔板流量計作為差壓流量計范疇,流經孔板的流量與節流件前后壓差開方根成一定的線性關系,存在h系數,但很少有人對k系數的影響因子進行分析,本文將從以下幾個方面去探討不同楔角大小、不同流體介，質不同偏離情況對壓差及k系數的影響,為在實際檢測、使用及產品設計等領域提供參考。
1孔板流量計結構與工作原理
1.1孔板流量計結構
孔板流量計屬于差壓流量計范疇,作為一個節流件,使上下游產生壓力差，主要分為標準孔板和非標準孔板(錐形人口孔板、1/4圓孔板、偏心孔板、圓缺孔板、多孔孔板等)。其結構簡單,如圖1所示:D為管道內徑,d為孔板內徑,E為孔板厚度,e為節流孔厚度。其中d≥12.5mm,出口楔角φ在30°~60°之間，e在(0.005~0.02)D之間,E在e~0.05D之間。
1.2工作原理
孔板流量計工作時，是將孔板與多參數差壓變送器(或差壓變送器、溫度變送器及壓力變送器)配套組成的差壓流量裝置,可測量氣體、蒸汽、液體等介質的流量,孔板流量計的流量公式為:
式中:qv---流過孔板流量計的體積流量,m³/h;
C---流出系數,通過標準流量實驗裝置檢定.得到;
ε---膨脹系數,當被測介質為液體時,ε=1可忽略,當被測介質為氣體時,因介質可壓縮,ε為小于1的數值,需要經過研究方能得到;
m---流通截面與管道截面之比,僅與孔板流量計相關幾何參數有關;
D--管道內徑,m;
△p---孔板節流件前后產生的差壓，由差壓變送器測量得到,Pa;
ρ---被測流體密度,kg/m³。
因此C、ε、m、D、ρ為常數,設:
由式(3)可知,流過孔板流量計的體積流量與節流件前后壓差的開方根呈線性關系,且經過原點。
2仿真理論與試驗方案設計
2.1模型建立
本文三維模型建立由SolidWorks2020完成,根據上文1.1中有關要求,初步設計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學模型。
2.2仿真理論分析[2]
計算流體動力學基本思想是把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場(速度場、壓力場等),用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組,然后求解方程組獲得場變量的近似值。
2.3試驗思路
通過仿真分析:一是研究流體介質在管道內的流動狀態,根據2.1相關參數建立模型,滿足“前十后五”直管段要求,進行瞬時動態分析,研究壓力、流速的分布及變化規律;二是研究不同楔角φ對k系數及節流件前后壓差的影響,分別取ψ為30°、40°、45°、50°,60°條件下k系數的變化規律;三是研究不同流體介質對h系數的影響,分別取流體介質為空氣、水、天然氣等對k系數的影響;四是根據上下游管道夾持孔板形成偏心狀態,研究孔板對中性對h系數的影響等。
3仿真分析
3.1瞬態分析
根據2.1參數設計,建立模型;分析類型選擇內部,排出內部不具備流動條件的腔,物理特征選擇瞬態分析,分析總時間設定為2s,輸出時間步長設定為0.02s;進行瞬態分析選擇流體介質為空氣,入口流量分別選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等16個流量點;如圖2所示,上、下游取壓口壓差隨著人口流量的增大呈增大趨勢;設x為各流量點.單位為m³/h,yw為各流量點對應的上/下游取壓口壓差值、單位為Pa,y為xix0.5、單位為Pa0.5。
瞬態分析如圖3所示,以了解孔板流量計在進行工作時,介質的流動狀態及壓力、速度實時分別情況。設定進口流量為100m³/h,出口壓力條件為標準大氣壓、溫度為20℃;孔板流量計的結構設計造成氣流通道變窄(管道突然變徑),氣流進入管道短時間(0.005s)內上游取壓口壓力突然增大,空氣流動加劇,下游管道壓力突然間變小形成負壓區,但壓力分布不明顯,僅在孔板口周圍形成不同壓力分層;下游管道壓力出現明顯分層、且逐漸趨于穩定。
根據仿真數據得出“壓差-流量點”、“壓差開方根-流量點”的擬合方程,分別為:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
由于孔板流量計工作原理屬差壓流量計范疇,流量值xi與壓差開方根yi存在線性關系,通過變形可得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
則通過自定義設置截距為0,xi=24.533yi,即系數k=24.533。
3.2不同楔角φ對h系數、壓差差值的影響
根據2.1參數設計，建立模型,其他條件不變，只改變楔角的大小，分別取φ為30°、40°.45°、50°、60°條件下k系數的變化規律;仿真流程如3.1所述。得到結果如圖4所示,不同楔角下，“壓差開方根-流量點”均呈理想線性關系(R2=1),圖像幾乎是重合的,說明楔角對h系數影響較小;線性關系分別為:
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
令截距均為零,則楔角30°、40°、45°、.50°.60°對應的系數k分別為:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
通過計算,不同楔角條件下,仿真壓差與計算壓差基本一致,如圖5所示，
不難發現:整體來看,不論楔角是哪一種情況，在50m³/h以內的流量下,差值基本--致,且均接近于0;隨著流量的逐漸增大,壓差差值呈增大的趨勢;楔角40°和楔角45°條件下，差值變化趨勢基本致,且偏離方向一致;楔角50°與楔角60°條件下，差值基本重合,且偏離方向一致;楔角30°對差值的影響最大,在流量為500m³/h時,達到最大值1.94Pa。流量400m³/h是差值的“拐點”，當楔角為40°、45°時,差值最大,之后差值開始降低;當楔角為30°、50°、60°時，差值開始突然變大。
3.3不同流體介質對h系數的影響
為了研究不同介質對k系數的影響,本文選擇氣態水、空氣、甲烷等三種氣體作為流體介質進行單因素試驗仿真，取楔角為45°等其他參數因素不變進行仿真,結果如圖6所示;三種不同介質條件下，壓差與流量的關系分別為:
由于孔板流量計工作原理屬差壓流量計范疇，流量值xi與壓差開方根yi存在線性關系,根據3.1分析,氣態水、空氣、甲烷等三種氣體作為流體介質對應的系數h:分別為31.407、24.533.33.304;綜上所述,流體介質不同,壓差與流量、壓差開方根與流量的變化趨勢一致,但不同流體介質對應的k系數卻相差很大。
根據三種氣體介質的分子量分別為18(H20)、29(空氣)、16(CH4),與k系數的對應關系如圖7所示;流體介質的分子量越大,h系數越小;隨著分子量的增大、h:系數逐漸減小。
3.4孔板對中性對k系數的影響
本文孔板對中性是指在安裝孔板或實驗室檢定孔板時,孔板孔口的中心線與管道中心線--致程度,將上述中心線的偏離距離作為試驗因子;如圖8所示,偏離分為對稱偏離(DCPL)和偏離(PL)兩種;分別取偏離距離△x為5mm、10mm、15mm.20mm,楔角為45°,介質為空氣進行仿真實驗等。
如圖9所示,仿真結果顯示:不論哪種偏離情況壓差與流量的關系曲線(變化趨勢)是一致的,且幾乎是重合的,并隨著流量的不斷增大,壓差也不斷成增大趨勢;根據3.3中流量值xi與壓差開方根yi存在線性關系,得出不同偏離情況下對應的k系數,對稱偏離的情況下,隨著偏離程度的增大h系數呈增大趨勢;相較于對稱偏離,偏離程度的大小對h系數的影響不穩定,先增大后減小再增大波浪線上升的趨勢,沒有嚴格的規律而言;因此,在使用或檢定孔板流量計時,--定要保證對中性，這樣檢出來的數據才有意義。
4結論
通過建模進行仿真實驗得出以下結論:
(1)分析了孔板流量計的結構,其工作原理屬差壓流量計范疇，推導出流量值xi與壓差開方根yi之間存在線性關系,且通過原點。
(2)完成對孔板流量計瞬態分析,得出“壓差-流量點”、“壓差開方根-流量點”的擬合方程,根據.流量值xi與壓差開方根yi的線性關系,通過自定義設置截距為0,得出h系數。
(3)不同楔角φ對h系數、壓差差值的影響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對應的系數k分別為:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不論楔角是哪一種情況,在50m³/h以內的流量下,差值基本一致,且均接近于0;隨著流量的逐漸增大,壓差差值呈增大的趨勢。
(4)氣態水、空氣、甲烷等三種氣體作為流體介質對應的系數k分別為31.407、24.533.33.304;且流體介質的分子量越大,k系數越小;隨著分子量的增大.h系數逐漸減小。
(5)不論哪種偏離情況,壓差與流量的關系曲線(變化趨勢)是一.致的,且幾乎是重合的，并隨著流量的不斷增大,壓差也不斷成增大趨勢;但在對稱偏離的情況下,隨著偏離程度的增大k系數呈增大趨勢;相較于對稱偏離,偏離程度的大小對h系數的影響不穩定,先增大后減小再增大波浪線上升的趨勢,沒有嚴格的規律而言。
綜上所述,在設計孔板流量計時,一定要考慮流量范圍及楔角大小的選擇兩個重要因素;在使用時,-定要保證對中性,這樣得出的數據才有意義。另外,在對孔板流量計(差壓流量計)進行檢測時,出.具證書一定要給出檢定介質,用戶在使用時，一定要注意檢定用介質與實際流體介質的差別,適時進行修正,才能保證流量計的性能準確結算科學,以免帶來不必要的麻煩等。
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