流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分, 廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石油石化、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及人民生活的諸多領(lǐng)域。尤其在能源危機(jī)的后經(jīng)濟(jì)時(shí)代, 流量計(jì)量的重要性日益突出[1]。相比其它流量計(jì), 傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)因結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重復(fù)性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用, 但只有在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)條件下, 才能準(zhǔn)確地測量流量。然而, 工程實(shí)際應(yīng)用中, 很多工況條件不能滿足上述要求, 從而無法達(dá)到所需要的測量精度 (雷諾數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)中的雷諾數(shù)范圍、測量介質(zhì)中混有泥沙等) 進(jìn)而限制了其應(yīng)用范圍[2-3]。

  為了改善上述缺點(diǎn), 非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)得到快速發(fā)展和進(jìn)一步的應(yīng)用?；诓顗涸淼亩嗫卓装辶髁坑?jì)不但繼承了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn), 且能夠平衡調(diào)整流場, 明顯減少渦流、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動能的損失, 是目前應(yīng)用***為廣泛的一種非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)[4-5]。但在國內(nèi), 多孔孔板流量計(jì)的相關(guān)核心技術(shù)研究相對較少, 實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計(jì)流量計(jì), 缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的指導(dǎo), 在一定程度上遠(yuǎn)未達(dá)到用戶之實(shí)惠[6-7]。

  綜上所述, 針對多孔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化國內(nèi)已有一些研究, 但缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 不利于工程應(yīng)用。

  本文結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板聯(lián)合使用的測量原理, 提出一種對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法, 采用計(jì)算流體動力學(xué) (CFD) 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與仿真分析。與標(biāo)準(zhǔn)孔板對比分析其流出系數(shù)及壓力損失等性能指標(biāo), 分析結(jié)果說明了其優(yōu)越性。***后通過實(shí)流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。此設(shè)計(jì)方法可為多孔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供一定的參考。

  標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是使用***早、應(yīng)用***廣泛的一種差壓式流量計(jì), 具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高等特點(diǎn)。其測量原理為對于充滿管道的流體, 當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí), 流體介質(zhì)將會在節(jié)流件處形成局部收縮, 因而流速增加, 靜壓力降低, 于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了一定的壓差。流體流量愈大, 產(chǎn)生的壓差愈大, 這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程和伯努利方程, 定常流體的體積流量可以通過如下公式表示[8]:

  式中:C為流出系數(shù), 無量綱;β為等效直徑比, 無量綱;D為孔板直徑;Δp為壓差, 單位為Pa;qv為體積流量, 單位為m3/s;ρ為流體介質(zhì)密度。

  多孔孔板流量計(jì)是美國航空航天局 (NASA) 下屬的馬歇爾航空飛行中心***早提出的。這種新型流量計(jì)具有對稱多孔結(jié)構(gòu), 是目前***先進(jìn)的差壓式流量計(jì)之一。相比傳統(tǒng)差壓式流量計(jì), 不僅結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、適用面廣, 還具有精度高、直管段要求低、量程比寬、壓損小等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。

  多孔孔板流量計(jì)的測量原理基于能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。流量檢測時(shí), 所測介質(zhì)在通過多孔節(jié)流整流器的同時(shí)進(jìn)行流體整流, 減小節(jié)流裝置后形成的渦流, 形成較穩(wěn)定的紊流, 從而使引壓管路能夠獲取到較穩(wěn)定的差壓信號, 并進(jìn)一步通過伯努利方程計(jì)算得出工藝所需體積流量、質(zhì)量流量等參數(shù)[12-14]。

  在工程實(shí)際應(yīng)用中, 每個(gè)多孔流量計(jì)都要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計(jì), 其開孔面積、節(jié)流孔的大小、節(jié)流孔的具體形狀、節(jié)流孔個(gè)數(shù)及排列方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)均會對多孔孔板流量計(jì)的性能產(chǎn)生影響。由于缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的指導(dǎo), 在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。對于不同的測量函數(shù)孔的數(shù)量、如何分布函數(shù)孔以及函數(shù)孔的結(jié)構(gòu)等無疑是***主要的設(shè)計(jì)參數(shù), 目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

  本文結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量原理, 提出并設(shè)計(jì)流量計(jì)的孔板結(jié)構(gòu)為在節(jié)流板中心一個(gè)圓孔的基礎(chǔ)上, 對稱分布數(shù)量不等的圓孔, 如圖1所示, 均勻分布的圓孔的總的面積和標(biāo)準(zhǔn)孔板的面積相等。

  當(dāng)介質(zhì)流過圓孔時(shí), 流體被平衡調(diào)整, 渦流被***小化, 形成近似理想流體, 通過取壓裝置和變送器, 可獲得穩(wěn)定的差壓信號, 根據(jù)伯努利方程計(jì)算出流體的流量:

  式中:Q為介質(zhì)流量, 單位為m3/h;K為儀表系數(shù);Y為膨脹系數(shù);Δp為差壓值, 單位為Pa;ρ為介質(zhì)工況密度, 單位為kg/m3。

  基于以上對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法, 以孔板管徑80 mm、等效直徑比0.45、測量介質(zhì)為常溫水的條件進(jìn)行研究。首先建立多孔孔板流量計(jì)的計(jì)算模型, 如圖2所示。參照流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊建立流量計(jì)的幾何尺寸, 在流量計(jì)測量的上下游部分設(shè)計(jì)有一定的直管段來確保流量計(jì)在測量的時(shí)候流體的流場處于一種均勻穩(wěn)定的狀態(tài)并使因節(jié)流而被破壞的流場能夠恢復(fù)到節(jié)流前的狀態(tài)。

  依據(jù)流量計(jì)的設(shè)計(jì)尺寸, 在Creo3.0中建立其三維計(jì)算模型, 取板前4D、板后8D的流場區(qū)域作為計(jì)算域, 并將其導(dǎo)入ICEM專用劃分網(wǎng)格軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格的劃分采用全六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法, 對計(jì)算域進(jìn)行局部加密以保證計(jì)算精度, 網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

  由于多孔孔板流量計(jì)的流場情況較為復(fù)雜, 對湍流模型的要求較高, 本文采用工程上常用的Standard k-ε湍流模型, 其方程式表述如下[15]:

  式中:k是湍流動能;ε是湍流耗散率;ρ是流體密度;μ是流速;μt是湍流粘度;Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能。C1ε、C2ε、C3ε是常量, 分別為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09, σk、σε是k方程和ε方程的湍流prandtl數(shù), 分別為σk=1.0、σε=1.3。

  設(shè)置入口條件為速度入口 (velocity-inlet) , 出口為自由發(fā)展出流 (outflow) , 以各項(xiàng)參數(shù)的殘差小于0.000 01為收斂標(biāo)準(zhǔn), 分別計(jì)算0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7 m/s等幾種入口流速下流量計(jì)的流場特性。文中給出幾種典型流速條件下的計(jì)算結(jié)果, 如圖4所示。

  由圖4可以看出, 入口流速在0.2~7 m/s時(shí)多孔孔板流量計(jì)下游速度匯聚趨勢明顯, 相比于標(biāo)準(zhǔn)孔板其壁面回流區(qū)較小, 但隨入口流速不斷增大回流區(qū)長度隨之增大, 變化范圍為0.5D~1.2D。由此可見, 多孔孔板流量計(jì)尾流流場能夠快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。板前死區(qū)較小, 且隨流速增大而逐漸增大。

  通過Fluent求解計(jì)算獲得孔板前后的差壓值, 進(jìn)而得到流量計(jì)的壓力損失。本文取壓口設(shè)置為上下游取壓口距離孔板上下游端面的距離為0.04 m, 通過在Fluent中定義相應(yīng)取壓面, 分別求取上下游取壓面的平均壓力值, 獲得壓差值和壓力損失值如下表1所示。不同入口流速下, 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)和多孔孔板流量計(jì)的壓力損失的對比情況如表1和圖5所示。

  由表1和圖5可以看出, 隨著入口流速的不斷增大, 多孔孔板流量計(jì)的壓力損失呈逐漸增大的趨勢;相比于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì), 由于渦流的減少, 多孔孔板流量計(jì)具有更小的壓力損失, 壓力損失較標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置降低約1/3。

  圖6所示為不同流速下, 多孔孔板和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的流出系數(shù)對比曲線。由圖6可知, 多孔孔板流量計(jì)的流出系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)有明顯提高, 同時(shí)隨著流速的變化流出系數(shù)能夠保持良好的穩(wěn)定性。

  為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的多孔孔板差壓流量計(jì)的性能指標(biāo), 和標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置進(jìn)行了實(shí)流試驗(yàn), 結(jié)合現(xiàn)場使用反饋情況, 其性能指標(biāo)對比如表2所示。

  本文以管徑80 mm、節(jié)流比β=0.45的多孔孔板為研究對象, 通過對不同入口流速下的多孔孔板流量計(jì)進(jìn)行分析, 得出此種流量計(jì)節(jié)流件前后產(chǎn)生的渦流大大降低, 無需很長的直管段整流, 顯著提高了測量精度;壓力損失由于渦流的減少較標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置降低了約1/3。試驗(yàn)對比分析表明, 多孔孔板流量計(jì)比常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置具有明顯的優(yōu)勢, 其適應(yīng)性更好。