摘要:針對孔板流量計測量精度及節能降耗的要求，對5種結構的單孔板進行了數值模擬研究。進行了數值模擬與標準孔板實驗比對,對模擬方法的可靠性進行了驗證，在此基礎上進一步完成了5種結構10組流速下的數值研究。通過速度矢量圖得出孔口后流態的變化;計算流量系數，得出流量系數與雷諾數關系曲線、軸線距離與壓力關系圖、壓差與雷諾數關系圖。結果表明,5種孔板中外凹型孔板流量計II因為板前緩沖段較為理想,對流體起到了整流的作用，減弱了板前流體死區的形成和板后渦流的形成,降低了孔板流量計的壓力損失,且流量系數大,隨雷諾數增大壓差增大緩慢,壓力恢復快。
孔板流量計是常見的測流量裝置，以連續性方程和伯努利方程為理論基礎。流體在通過節流元件時,由于流通面積的突然收縮促使流體加速，產生節流效應,使孔板前后產生壓差,通過測量壓差從而計算出管道中的流量。節流元件的尺寸和結構的不同,會導致測量精度、測量壓力、管徑范圍及流量系數隨雷諾數變化關系的差異。選擇或者設計出較為理想的孔板流量計,是計量行業發展的需要。采用數值模擬分析研究管內孔板類節流元件的相關流場已有數十年的歷史,采用ANSYSFluent軟件,選擇5種標準及非標準孔板作為對象,為非標準孔板流量計的與發展提供一定依據。
1研究模型
1.1幾何模型
模擬5種不同孔板形狀的孔板流量計，見圖1。
5種孔板均按照ISO5167國際標準，確定孔板尺寸。根據相關規定,孔板節流元件的孔徑與孔板通徑比值d/D=0.2~0.8;最小孔徑dmin≥12.5mm;直孔部分厚度h=(0.005~0.02)D;總厚度H<0.05D這5種孔板公稱通徑D=40mm,節流元件的孔徑d=20mm,d/D=0.5。
1.2流量系數計算模型
計算每個孔板流量計對應的流量系數見公式(1)
式中:qm為流體的質量流量,kg/s;A0為孔口截面積,m2;p為流體密度,kg/m3;△p為孔口兩側壓差,Pa。
2模型驗證及數值模擬
2.1實驗驗證過程
為了確保數值模擬過程設置正確,將模擬結果與實驗值進行了比對實驗采用裝置見圖2。
水由離心泵從水箱抽出后,經過孔板流量計，通過彎管再流回水箱。其中孔板流量計為標準型，管道內徑40mm,孔板口徑35mm,孔板厚度5mm。在不同的閥門開度下,測試孔板流量計壓差,計算流量及流量計流量系數。實驗、模擬結果對比見圖3。
由圖3可知，模擬與實驗吻合,對模擬方法的可靠性進行了驗證.。
2.2數值模擬設置
由于孔板流量計的軸對稱特性，流體在經過孔板流量計時也是對稱的,因此選用1/2實體及對稱面結構。應用“mesh”進行模擬實體的網格劃分，見圖4。
由于孔板流量計結構簡單,因此在劃分網格時只需在節流元件處既縮口處進行網格的加密。該模擬中采用的介質為20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作壓力為標準大氣壓。采用3D求解器，湍流方程用“標準k-epsilon”方程;選用速度進口和壓力出口邊界條件,進行迭代求解計算。
在模擬過程中取板前2D、板后5D,即板前80mm、板后200mm為計算域。5種孔板設定10個統一的進口流速,分別為0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的雷諾數值分別為7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果與討論
以ʋ=0.2m/s時孔板的模擬結果為例,各孔板流量計的速度矢量云圖見圖5.
由圖5可知，流體在經過板前區域時流道急劇收縮，速度增大。其中標準孔板I所形成的孔后大速度值高,為1.2m/s;外凸型孔板川I、加厚型孔板IV次之,約為1m/s;外凹型孔板I1和直邊型孔板V較小,分別為0.88和0.74m/s。外凸型孔板II低流速較大，直邊型孔板V次之,其余均基本相等。經過孔口后部分流體流動方向發生改變,產生了一定的渦流區域，形成湍流,孔板的.結構不同造成的旋渦湍流區域形狀及發展長度也明顯不同。標準孔板I湍流區較寬,湍流長度較長。外凹型孔板II湍流段較短,流場為整齊,從而也推測出其節流損失小。
對5種孔板進行了進一步的數據采集,保持孔板的直徑比不改變。由流量分別計算對應的雷諾數,采集每個孔板每個流速所對應的板前D、板后D/2取壓點所在平面的平均壓力，即板前40mm、板后20mm計算壓差,并根據公式(1)計算出每個孔板對應的流量系數,得到流量系數與雷諾數關系曲線圖見圖6。
由圖6可知,雷諾數的變化對流量系數影響不大,說明這幾種孔板都具有良好的穩定性。外凹型孔板II的流量系數比其他4種大，標準孔板I小;加厚型孔板IV的流量系數曲線在較大及較小雷諾數時變化明顯,因此該類型穩定性稍差;直邊型孔板V穩定性好。
沿軸向的距離L與壓力的關系見圖7。
由圖7可知，幾種孔板壓降位置、壓降大小及壓力恢復性不同。加厚型孔板IV的壓降位置靠前,直邊型孔板V靠后,其余三者基本接近;標準孔板I的壓降大,外凹型孔板II壓降小;外凹型孔板II的壓力恢復快。
壓差△p與雷諾數的關系曲線見圖8。
由圖8可知，幾種孔板壓差△p隨著雷諾數的增大而增大,增加趨勢基本相同,其中標準孔板I增加快大,外凹型孔板II增大緩慢。
4結論
通過流場模擬云圖、流量系數與雷諾數的曲線關系、中心軸線壓力分布曲線、壓差△p與雷諾數的曲線關系的分析可以得出,5種孔板中外凹型孔板流量計II因為板前緩沖段較為理想,對流體起到了整流的作用,減弱了板前流體死區的形成和板后渦流的形成,降低了孔板流量計的壓力.損失。且流量系數大,隨雷諾數增大壓差增大緩慢,壓力恢復快，是5個類型中性能較好的一種。在進行單孔板流量計的設計時，不但要滿足直徑比,還應該考慮孔板的厚度和孔板板前的過渡段。孔板的厚度不宜太薄也不宜過厚,過渡段對流體要能進行整合,使流體盡可能緩和的流人。在孔板的設計及使用中,應結合實際情況,應用合適尺寸類型的孔板，確保流量系數穩定,并降低壓力損失,保證流場穩定,進而提高孔板流量計的質量和測量的精度。
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