流量計量是計量科學技術的重要組成部分, 廣泛應用于農業生產、石油石化、科學研究、國防建設以及人民生活的諸多領域。尤其在能源危機的后經濟時代, 流量計量的重要性日益突出[1]。相比其它流量計, 傳統差壓式流量計因結構簡單、成本低、重復性好、標準化程度高等特點得到廣泛應用, 但只有在符合標準要求的技術條件下, 才能準確地測量流量。然而, 工程實際應用中, 很多工況條件不能滿足上述要求, 從而無法達到所需要的測量精度 (雷諾數低于標準中的雷諾數范圍、測量介質中混有泥沙等) 進而限制了其應用范圍[2-3]。

  為了改善上述缺點, 非標準差壓式流量計得到快速發展和進一步的應用。基于差壓原理的多孔孔板流量計不但繼承了標準孔板流量計的結構簡單、無運動部件等優點, 且能夠平衡調整流場, 明顯減少渦流、降低死區效應、減少流體動能的損失, 是目前應用***為廣泛的一種非標準差壓式流量計[4-5]。但在國內, 多孔孔板流量計的相關核心技術研究相對較少, 實際應用中要根據不同測量條件來設計流量計, 缺乏完整的結構參數設計和性能優化設計準則的指導, 在一定程度上遠未達到用戶之實惠[6-7]。

  綜上所述, 針對多孔孔板流量計的結構設計和性能優化國內已有一些研究, 但缺乏統一的設計準則, 不利于工程應用。

  本文結合多孔整流器和標準孔板聯合使用的測量原理, 提出一種對稱多孔孔板差壓式流量計的設計方法, 采用計算流體動力學 (CFD) 技術進行數值計算與仿真分析。與標準孔板對比分析其流出系數及壓力損失等性能指標, 分析結果說明了其優越性。***后通過實流實驗驗證了設計的合理性。此設計方法可為多孔孔板流量計的結構設計和性能優化提供一定的參考。

  標準孔板流量計是使用***早、應用***廣泛的一種差壓式流量計, 具有結構簡單、測量精度高等特點。其測量原理為對于充滿管道的流體, 當它流經管道內的節流件時, 流體介質將會在節流件處形成局部收縮, 因而流速增加, 靜壓力降低, 于是在節流件前后便產生了一定的壓差。流體流量愈大, 產生的壓差愈大, 這樣可依據壓差來衡量流量的大小。根據不可壓縮流體的連續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, 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為流體介質密度。

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

  多孔孔板流量計的測量原理基于能量守恒定律和質量守恒定律。流量檢測時, 所測介質在通過多孔節流整流器的同時進行流體整流, 減小節流裝置后形成的渦流, 形成較穩定的紊流, 從而使引壓管路能夠獲取到較穩定的差壓信號, 并進一步通過伯努利方程計算得出工藝所需體積流量、質量流量等參數[12-14]。

  在工程實際應用中, 每個多孔流量計都要根據不同測量條件來設計, 其開孔面積、節流孔的大小、節流孔的具體形狀、節流孔個數及排列方式等結構參數均會對多孔孔板流量計的性能產生影響。由于缺乏完整的結構參數設計和性能優化設計準則的指導, 在一定程度上限制了其應用范圍。對于不同的測量函數孔的數量、如何分布函數孔以及函數孔的結構等無疑是***主要的設計參數, 目前還沒有統一的標準。

  本文結合多孔整流器和標準孔板的測量原理, 提出并設計流量計的孔板結構為在節流板中心一個圓孔的基礎上, 對稱分布數量不等的圓孔, 如圖1所示, 均勻分布的圓孔的總的面積和標準孔板的面積相等。

  當介質流過圓孔時, 流體被平衡調整, 渦流被***小化, 形成近似理想流體, 通過取壓裝置和變送器, 可獲得穩定的差壓信號, 根據伯努利方程計算出流體的流量:

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

  基于以上對稱多孔孔板差壓式流量計結構設計的方法, 以孔板管徑80 mm、等效直徑比0.45、測量介質為常溫水的條件進行研究。首先建立多孔孔板流量計的計算模型, 如圖2所示。參照流量測量節流裝置設計手冊建立流量計的幾何尺寸, 在流量計測量的上下游部分設計有一定的直管段來確保流量計在測量的時候流體的流場處于一種均勻穩定的狀態并使因節流而被破壞的流場能夠恢復到節流前的狀態。

  依據流量計的設計尺寸, 在Creo3.0中建立其三維計算模型, 取板前4D、板后8D的流場區域作為計算域, 并將其導入ICEM專用劃分網格軟件中進行網格劃分, 網格的劃分采用全六面體結構化網格的劃分方法, 對計算域進行局部加密以保證計算精度, 網格劃分結果如圖3所示。

  由于多孔孔板流量計的流場情況較為復雜, 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生的湍流動能;Gb是由浮力產生的湍流動能。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, 分別為σk=1.0、σε=1.3。

  設置入口條件為速度入口 (velocity-inlet) , 出口為自由發展出流 (outflow) , 以各項參數的殘差小于0.000 01為收斂標準, 分別計算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的流場特性。文中給出幾種典型流速條件下的計算結果, 如圖4所示。

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

  通過Fluent求解計算獲得孔板前后的差壓值, 進而得到流量計的壓力損失。本文取壓口設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, 標準孔板流量計和多孔孔板流量計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, 多孔孔板流量計的壓力損失呈逐漸增大的趨勢;相比于標準孔板流量計, 由于渦流的減少, 多孔孔板流量計具有更小的壓力損失, 壓力損失較標準孔板節流裝置降低約1/3。

  圖6所示為不同流速下, 多孔孔板和標準孔板流量計的流出系數對比曲線。由圖6可知, 多孔孔板流量計的流出系數較標準孔板流出系數有明顯提高, 同時隨著流速的變化流出系數能夠保持良好的穩定性。

  為了檢驗所設計的多孔孔板差壓流量計的性能指標, 和標準孔板節流裝置進行了實流試驗, 結合現場使用反饋情況, 其性能指標對比如表2所示。

  本文以管徑80 mm、節流比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進行分析, 得出此種流量計節流件前后產生的渦流大大降低, 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準孔板節流裝置降低了約1/3。試驗對比分析表明, 多孔孔板流量計比常規標準孔板節流裝置具有明顯的優勢, 其適應性更好。