多孔孔板与楔形节流装置的数值模拟与标定

马 英， 段清娟， 胡锐锋， 唐力南

(1. 西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071；2. 银川融神威自动化仪表厂，宁夏 银川 750200)

多孔孔板与楔形节流装置的数值模拟与标定

马 英1， 段清娟1， 胡锐锋1， 唐力南2

(1. 西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071；2. 银川融神威自动化仪表厂，宁夏 银川 750200)

为了研究工程实际中多孔板和楔形节流装置内部流场的流动特性，并为流出系数的获取提供新的途径，采用计算流体动力学方法对多孔孔板节流装置和楔形节流装置的内部流场进行了数值仿真研究，并将数值模拟得到的流出系数与流量标定实验结果进行对比，来验证数值模拟结果的合理性与精确性．实验结果表明，流出系数的流量标定结果与数值模拟值之差小于4%，对多孔孔板和楔形节流装置工程设计提供了参考．

多孔孔板节流装置;楔形节流装置;计算流体动力学仿真;流出系数

流量计是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸汽等流体流量的工业化自动化仪表．流量计的种类繁多，以节流装置为检测件的差压式流量计是其中应用最广泛的一类流量计．早在20世纪20年代，美国和欧洲就对单孔孔板节流装置进行了标准化研究．1980年正式通过的国际标准ISO5167，用于孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量[1]．

作为两种典型的非标准流量计，与标准孔板流量计相比，多孔孔板流量计永久压力损失小、测量精度高、孔径比和量程比的范围宽、流动噪声小、适用范围广、耐脏污不易堵，并且由于其多孔的结构使要求的最短直管段比标准孔板流量计短[2]；楔形流量计产生的压损较小，流量系数线性度高，重复性好，量程比宽．此外，楔形流量计改善了对孔板入口尖锐度的要求，提高了测量准确性[3]．

国外较早就开始利用流场计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)数值模拟方法研究标准孔板节流装置的流出系数．文献[4]采用计算流体动力学对流体经过孔板进行数值模拟分析，得到的湍流能量耗散率与实验数据相差在5%以内．文献[5]利用数值模拟分析了倒角对多孔孔板压力损失的影响，发现在孔的两侧倒角不同时压力损失最小．文献[6]研究了优化后的多孔孔板的压力损失和流出系数特性．对于楔形流量计，文献[7]运用计算流体动力学研究了两种不同楔比的楔形节流装置在低雷诺数的情况下流出系数的变化．国内近十几年也开始对孔板等节流装置进行数值模拟研究[8-10]．文献[8]采用计算流体动力学分析了低雷诺数条件下孔板流场的速度及压力分布．文献[9]采用计算流体动力学对标准孔板内部流场进行了数值模拟，并与ISO公式进行了对比分析．文献[10]基于差压孔板流量计的缩径管段的数值模拟研究表明，数值模拟可以作为一种孔板流量计设计及标定的辅助方法．

到目前为止，采用计算流体动力学方法对非标准节流装置流场进行数值模拟的研究仍然较少，采用实流测量数据对数值模拟结果进行校验的工作也较缺乏．因此，笔者首先采用ANSYS CFX软件对某型多孔孔板和楔形节流装置分别进行流场仿真分析，然后通过测压点的压力差得出节流装置的流出系数，并与实流标定结果进行对比以验证数值模拟方法的合理性与精确性．未来可将其应用于节流装置优化设计和复杂现场条件诊断分析等领域．

1 流场仿真方法

1.1 模型与方法

节流件流场通过数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程获得，其方程式为

(1)

文献[11]将k-ω模型和k-ε模型混合，提出了剪切应力传输两方程湍流模型，方程为

1.2 建模与网格划分

多孔孔板节流装置的管道直径D为88.9 mm，孔板厚度为6 mm，中心圆孔直径为 33.525 mm．在距离圆心 55 mm 的圆周上有10个小孔，直径为 12 mm．图1(a)和图1(b)分别是多孔孔板节流装置横截面图和孔板结构图．

图1 多孔孔板节流装置

其网格划分采用四面体网格结合三棱柱边界层网格的混合网格形式．四面体网格最大网格尺寸为0.1D，在固壁附近划分30层三棱柱边界层网格，其沿固壁法向的增长率为1.2，第1层网格高度为 1.125× 10-5D(y+=30)．对边界层进行网格加密处理．网格单元总数约为213万．多孔孔板节流件附近的局部网格如图1(c)所示．

楔形节流装置的管道直径D为168.3 mm，管道壁厚为7.11 mm，节流件的高度为 92.632 mm，楔角为90°，上、下游取压位置中心间距为 480 mm．计算中，多孔孔板节流装置和楔形节流装置的上游管段和下游管段长度分别为10D和20D．图2(a)是楔形节流装置结构图．

图2 楔形节流装置

对于楔形节流装置，四面体网格最大网格尺寸为0.06D，在固壁附近划分30层三棱柱边界层网格，其沿固壁法向的增长率为1.15，第1层网格高度为 5.9× 10-5D(y+=40)．对边界层进行网格加密处理．网格单元总数约为335万．楔形节流件的局部网格如图2(b)所示．

1.3 计算条件

流体介质设定为水，温度为22.1℃．管道入口边界条件设置为速度入口条件，根据流量条件得到入口速度大小．出口设置为自由流出口，边界管道壁面和节流件为无滑移壁面条件．

对于不可压缩流体在水平管道内流动，根据连续性方程和伯努利方程推导出流体的理论流量为

(4)

其中，β是多孔孔板节流装置的等效直径比，D是管道内径， Δp是节流件前后取压位置的静压差值，ρ是管道内流体介质的密度．

(5)

其中，QV即实测的体积流量，C是流出系数．

对于楔形节流装置

(6)

其中，H/D(H是楔形节流元件开口高度，D是管道内径)为楔比．

在已知流量QV实测结果的前提下，通过数值模拟得到节流件前后取压截面上的平均压力差值Δp， 然后求出流出系数C:

(7)

2 实流标定装置

使用银川融神威自动化仪表厂(有限公司)的试验中心水流量实验室的水流标准装置——LBZ型流量标准装置对两种节流装置进行实流标定．标定采用标准表法和质量法标定，标准表法的标定精度为0.3%，质量法的标定精度为0.05%．

LBZ型流量标准装置工作流程如图3(a)所示，实物如图3(b)所示．首先按照安装要求将节流装置安装到试验管路中，启动水泵，将水池中的水抽入稳压容器中．当水开始溢流时，等待系统的压力稳定．打开开关阀，水通过上游直管道、被校表、下游直管段、夹表器、流量调节阀流出试验管路，通过换向器将水注入容器或旁通管道．检定节流装置时，先启动换向器使水流入旁通管道；关闭工作量器放水阀，操作流量调节阀将流量调到实验流量；待流量稳定后，启动换向器将水换入工作量器．换向的同时，启动计时器，开始记录节流装置的输出信号．当达到设定水量或时间时，换向器换向，计时同时停止．记录工作量器中水的体积、计时器显示的时间和节流装置指示的流量值．

图3 实流标定装置组成与工作流程图

试验结束后，通过人机界面人为地设定检定点，利用数据采集系统采集实验过程中被保存的数据．利用这套装置可以通过实验来测量节流装置的差压、温度、流出系数等．

3 结果分析

3.1 多孔平衡节流装置的流场特性分析

图4(a)和图4(b)所示为不同流量状态下的压力分布图．当QV=74.113 m3/h时，压力分布在 60 000 Pa 到 -90 000 Pa 之间；当QV= 18.1 m3/h 时，压力分布在 3 500 Pa 到 -6 000 Pa 之间．由此可以看出不同的流量条件下，管道内的压力大小不同．流量越大，管道内的压力越大．

图4 不同流量状态下的压力和速度分布图

如图4(c)和图4(d)为不同流量状态下的流场轴向流速云图．流量越大，流速越大，并且经过节流件中心孔的高速区域越长，管道壁面附近的回流区也越大．从云图中可以看出，节流件上游流场未受到节流件的影响，管道内的流速为均匀分布．经过节流件，流场受到显著影响．由于流通面积减小，流体经过节流孔后形成高速区，故在距离节流件足够远的地方逐渐恢复到来流流速．由于多孔孔板分部具有分散性，流体经过多孔孔板后在管道中形成受限性多股射流，据双股射流理论，流体经过多孔孔板后多股射流间形成会聚区，最终合而为一进入联合区．由于存在卷吸现象，会聚区内形成射流间回流区，各股射流与壁面之间产生回流区．多孔孔板的射流间回流区及壁面回流区的速度流线如图5(e)所示．

3.2 楔形节流装置的流场特性分析

图5(a)和图5(b)为不同流量状态下经过楔形节流装置的流场压力分布图．从图中可以看出，流体在楔形节流件处压力降到最小值．当QV= 146.937 m3/h 时，压力分布在 18 000 Pa 到 -22 000 Pa 之间；当QV= 48.358 m3/h 时，压力分布在 2 000 Pa 到 -2 400 Pa 之间．流量越小，产生的压力越小；流体压力的变化距离越长，流速越缓慢．

图5 不同流量状态下的压力和速度分布图

图5(c)和图5(d)为楔形节流装置管道内的流场速度分布云图．从图中可以看到，在楔形节流件后部靠近上管道壁的区域存在低速区，而在楔形节流件下方中心部分是高速区．从图5(f)速度流线图可以清晰地观察到，流体在节流件后的靠近壁面处形成一个很长的回流区．

3.3 流出系数计算结果

表1和表2为多孔孔板节流装置和楔形节流装置数值模拟的流出系数与实流实验得出的流出系数数据对比．图6(a)和图6(b)为其对比的曲线图．

表1 多孔孔板平衡节流装置的数值模拟与实流实验数据

表2 楔形节流装置的数值模拟与实流实验数据

图6 多孔孔板和楔形节流装置数值模拟与实流实验流出系数对比

由于雷诺数大于圆管中层流向湍流转捩的临界雷诺数(约为 2 000～ 13 000)，因此流态均为湍流．根据流出系数计算公式可知，流出系数C并不是随着流量的降低而单调降低，而是非线性变化的．另一方面，尽管流出系数C随流量表现出一定的非线性变化，但变化量非常小，因此可以忽略不计．

4 结 论

从以上的分析可以得出如下结论：

(1) 基于ANSYS CFX软件针对平衡节流装置和楔形节流装置流场开展了数值模拟研究，得到节流装置内清晰直观的流场特性，弥补了工程中由于条件限制无法观测流场细节的不足．

(2) 计算流体动力学数值模拟得到的流出系数与实测数据有非常好的一致性，多孔孔板节流装置的流出系数误差在0.5%以内，楔形节流装置的流出系数误差在4%以内．因此，计算流体动力学数值模拟可以作为节流装置的辅助设计与标定手段，对提高节流装置的性能和改进设计具有参考价值．

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Numericalsimulationandflowcalibrationofmulti-holeorificeandwedgethrottledevices

MAYing1，DUANQingjuan1，HURuifeng1，TANGLi’nan2

(1. School of Mechano-electronic Engineering, Xidian Univ., Xi’an 710071, China；2. Yinchuan Rongshenwei Automatic Meter Factory(Co, . Ltd), Ningxia 750200, China)

To study the flow characteristics of multi-hole orifice and wedge throttle devices in engineering application and provide a new approach to the estimation of the discharge coefficient, the computational fluid dynamics (CFD) method is used to numerically simulate the internal flow field of multi-hole orifice throttle devices and wedge throttle devices,by comparing the discharge coefficient achieved from numerical simulation and the experimental results of flow calibration to verify the rationality and accuracy of the numerical simulation results. It is indicated that,compared to the experimental measurement of the flow,the discharge coefficient obtained from the numerical simulation is less than 4%, and is the reference for engineering design.

multi-hole orifice throttle devices;wedge throttle devices;computational fluid dynamics simulation;discharge coefficient

2017-01-03

时间：2017-06-29

国家自然科学基金资助项目(11502185)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2016JM5034,2016JQ1004)

马 英(1991-)，女，西安电子科技大学硕士研究生，E-mail : 704494179@qq.com．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1734.022.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.011

TH814

A

1001-2400(2018)01-0060-06

(编辑： 郭 华)