摘要:针对孔板流量计测量精度及节能降耗的要求，对5种结构的单孔板进行了数值模拟研究。进行了数值模拟与标准孔板实验比对,对模拟方法的可靠性进行了验证，在此基础上进一步完成了5种结构10组流速下的数值研究。通过速度矢量图得出孔口后流态的变化;计算流量系数，得出流量系数与雷诺数关系曲线、轴线距离与压力关系图、压差与雷诺数关系图。结果表明,5种孔板中外凹型孔板流量计II因为板前缓冲段较为理想,对流体起到了整流的作用，减弱了板前流体死区的形成和板后涡流的形成,降低了孔板流量计的压力损失,且流量系数大,随雷诺数增大压差增大缓慢,压力恢复快。
孔板流量计是常见的测流量装置，以连续性方程和伯努利方程为理论基础。流体在通过节流元件时,由于流通面积的突然收缩促使流体加速，产生节流效应,使孔板前后产生压差,通过测量压差从而计算出管道中的流量。节流元件的尺寸和结构的不同,会导致测量精度、测量压力、管径范围及流量系数随雷诺数变化关系的差异。选择或者设计出较为理想的孔板流量计,是计量行业发展的需要。采用数值模拟分析研究管内孔板类节流元件的相关流场已有数十年的历史,采用ANSYSFluent软件,选择5种标准及非标准孔板作为对象,为非标准孔板流量计的与发展提供一定依据。
1研究模型
1.1几何模型
模拟5种不同孔板形状的孔板流量计，见图1。
5种孔板均按照ISO5167国际标准，确定孔板尺寸。根据相关规定,孔板节流元件的孔径与孔板通径比值d/D=0.2~0.8;最小孔径dmin≥12.5mm;直孔部分厚度h=(0.005~0.02)D;总厚度H<0.05D这5种孔板公称通径D=40mm,节流元件的孔径d=20mm,d/D=0.5。
1.2流量系数计算模型
计算每个孔板流量计对应的流量系数见公式(1)
式中:qm为流体的质量流量,kg/s;A0为孔口截面积,m2;p为流体密度,kg/m3;△p为孔口两侧压差,Pa。
2模型验证及数值模拟
2.1实验验证过程
为了确保数值模拟过程设置正确,将模拟结果与实验值进行了比对实验采用装置见图2。
水由离心泵从水箱抽出后,经过孔板流量计，通过弯管再流回水箱。其中孔板流量计为标准型，管道内径40mm,孔板口径35mm,孔板厚度5mm。在不同的阀门开度下,测试孔板流量计压差,计算流量及流量计流量系数。实验、模拟结果对比见图3。
由图3可知，模拟与实验吻合,对模拟方法的可靠性进行了验证.。
2.2数值模拟设置
由于孔板流量计的轴对称特性，流体在经过孔板流量计时也是对称的,因此选用1/2实体及对称面结构。应用“mesh”进行模拟实体的网格划分，见图4。
由于孔板流量计结构简单,因此在划分网格时只需在节流元件处既缩口处进行网格的加密。该模拟中采用的介质为20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作压力为标准大气压。采用3D求解器，湍流方程用“标准k-epsilon”方程;选用速度进口和压力出口边界条件,进行迭代求解计算。
在模拟过程中取板前2D、板后5D,即板前80mm、板后200mm为计算域。5种孔板设定10个统一的进口流速,分别为0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,对应的雷诺数值分别为7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3结果与讨论
以ʋ=0.2m/s时孔板的模拟结果为例,各孔板流量计的速度矢量云图见图5.
由图5可知，流体在经过板前区域时流道急剧收缩，速度增大。其中标准孔板I所形成的孔后大速度值高,为1.2m/s;外凸型孔板川I、加厚型孔板IV次之,约为1m/s;外凹型孔板I1和直边型孔板V较小,分别为0.88和0.74m/s。外凸型孔板II低流速较大，直边型孔板V次之,其余均基本相等。经过孔口后部分流体流动方向发生改变,产生了一定的涡流区域，形成湍流,孔板的.结构不同造成的旋涡湍流区域形状及发展长度也明显不同。标准孔板I湍流区较宽,湍流长度较长。外凹型孔板II湍流段较短,流场为整齐,从而也推测出其节流损失小。
对5种孔板进行了进一步的数据采集,保持孔板的直径比不改变。由流量分别计算对应的雷诺数,采集每个孔板每个流速所对应的板前D、板后D/2取压点所在平面的平均压力，即板前40mm、板后20mm计算压差,并根据公式(1)计算出每个孔板对应的流量系数,得到流量系数与雷诺数关系曲线图见图6。
由图6可知,雷诺数的变化对流量系数影响不大,说明这几种孔板都具有良好的稳定性。外凹型孔板II的流量系数比其他4种大，标准孔板I小;加厚型孔板IV的流量系数曲线在较大及较小雷诺数时变化明显,因此该类型稳定性稍差;直边型孔板V稳定性好。
沿轴向的距离L与压力的关系见图7。
由图7可知，几种孔板压降位置、压降大小及压力恢复性不同。加厚型孔板IV的压降位置靠前,直边型孔板V靠后,其余三者基本接近;标准孔板I的压降大,外凹型孔板II压降小;外凹型孔板II的压力恢复快。
压差△p与雷诺数的关系曲线见图8。
由图8可知，几种孔板压差△p随着雷诺数的增大而增大,增加趋势基本相同,其中标准孔板I增加快大,外凹型孔板II增大缓慢。
4结论
通过流场模拟云图、流量系数与雷诺数的曲线关系、中心轴线压力分布曲线、压差△p与雷诺数的曲线关系的分析可以得出,5种孔板中外凹型孔板流量计II因为板前缓冲段较为理想,对流体起到了整流的作用,减弱了板前流体死区的形成和板后涡流的形成,降低了孔板流量计的压力.损失。且流量系数大,随雷诺数增大压差增大缓慢,压力恢复快，是5个类型中性能较好的一种。在进行单孔板流量计的设计时，不但要满足直径比,还应该考虑孔板的厚度和孔板板前的过渡段。孔板的厚度不宜太薄也不宜过厚,过渡段对流体要能进行整合,使流体尽可能缓和的流人。在孔板的设计及使用中,应结合实际情况,应用合适尺寸类型的孔板，确保流量系数稳定,并降低压力损失,保证流场稳定,进而提高孔板流量计的质量和测量的精度。
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