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合理增加孔板厚度与等效孔径比有利提高多孔板


文章日期:2018-07-18|阅读数:


    摘要:对多孔板低温流量计的性能进行了数值模拟与分析,主要研究了多孔板用于液氮时,开孔形式、孔板厚度、开孔大小以及等效孔径比等结构参数对其主要性能参数即流出系数C与压力损失系数ζ的影响情况。采用Realizableκ-ε模型与标准壁函数来计算紊流和近壁面流动,而SchnerrSauer空化模型则被用于分析空化对多孔板性能的影响。结果表明,中心孔比周边孔径略大的多孔板性能优于等孔径的多孔板,等效孔径比是影响多孔板性能的主要因素。合理增加多孔板的厚度与等效孔径比有利于提高多孔板流量计的性能。
 
1引言
    多孔板型流量计是一种新型的压差式流量计,其结构简单且能量损失低,因而被用于化工、核能、环境控制系统等领域中的流量测量、。近年来,对多孔板性能的研究受到了广泛的关注。这主要是由于多孔板能够平衡调整流场,降低涡流损失。
    对于流量测量应用,关于多孔板的研究工作主要集中于流出系数与压力损失系数这两个关键参数,前者代表实际流量与理论流量之比,后者意味着多孔板所造成的压力损失[2]。与标准单孔板相比,多孔板具有更多影响其性能的结构参数。以空气作为介质开展了实验研究,发现开孔直径、孔距、孔板厚度、开孔面积以及雷诺数Re都对流出系数有一定的影响,并建立了流出系数与无量纲结构参数的关联式。通过实验将Kolodzie和Van Winkle关联式的Re范围扩大至400到20000。Huang等[5]用水通过实验观察了孔板厚度、开孔率、孔的分布及上游扰动等对多孔板流出系数及压力损失的影响,结果显示,与标准孔板相比,多孔板的临界雷诺数更低且流场更加稳定。 Zhao等通过常温水的流动实验发现,等效孔径比是影响压力损失的重要因素。Malavasi等结合实验与数值模拟,先后研究了不同结构多孔板分别在水的单相流动与发生空化时的压力损失变化情况,并给出了压力损失系数与多孔板结构参数的关联式。Maynes等进行了类似的不同结构多孔板水空化实验研究,建立了初生空化数和临界空化数与多孔板结构参数的关系式。
    尽管有关结构参数对多孔板的流出系数与压力损失的影响已有不少研究,但前人的研究中采用的多孔板均为开孔直径相等的多孔板,对具有不同大小孔径的孔板研究还较少见,且研究介质多为常温流体( 如空气和水) ,对广泛应用于空气液化分离、空间应用等场合的低温流体研究甚少。此外, 对不同结构参数的影响分析多是独立进行,而未采取多参数综合优化的方法。在此现状下,本文采用数值模拟方法,以液氮为介质,针对多孔板的流出系数与压力损失系数,在通过比较得知中心孔略大的多孔板性能优于等孔径的多孔板的基础上,分析孔板厚度、开孔大小及等效孔径比对多孔板性能的影响,进而为相关结构参数提出合理的选值范围。

2模型与验证
2. 1计算区域与多孔板结构
    数值模拟的三维计算区域及多孔板上孔的分布情况如图1所示。为了获得更可靠的流出系数与压力损失系数,选取了距离孔板10D与15D的上、下游直管段。进出口条件分别采用速度进口与压力出口。

2. 2数值模型与验证
    采用基于混合模型( mixture model) 的不可压缩粘性流体空化控制方程组,包含质量、动量与能量守恒方程,κ-ε 紊流方程和气相含量输运方程。相比于Standard κ-ε 模型,Realizable κ-ε 模型在计算流线强烈弯曲及有涡流的流动时精度有比较重要的改进,被广泛应用于紊流的计算。以Huang等[5]实验中编号为No.5和No. 12的多孔板实验结果来验证Realiza- ble κ-ε 模型。图2给出了流出系数C模拟结果与实验结果的对比情况,相对偏差均小于5.5% 。由此可以认为,Realizable κ-ε模型可被用于多孔板流量计中紊流的计算。

    Hord的低温流体空化实验结果被广泛用于检验空化数值模型的准确性。随机挑选Hord报告中编号为283C液氮水翼( Hydrofoil)的空化实验来验证Schnerr-Sauer空化模型。图3给出了水翼壁面压力和温度分布的模拟值与实验值,考虑到Hord的测量压力和温度的误差分别为6 900 Pa和0. 2 K,可以认为模拟与实验结果吻合度较好。Zhu等[11]也通过液氮、液氢的空化模拟计算验证了Schnerr-Sauer空化模型的可靠性。因此Schnerr-Sauer空化模型将被用于后续计算。


 图 水翼壁面压力和温度分布
图 水翼壁面压力和温度分布

3.结果与分析
    经过模型验证以后,以液氮( LN2) 为工作介质, 液氮进口温度取值77. 36 K,出口压力为0. 2 MPa。 所对应的饱和压力Pv为101 385 Pa,液体密度 ρ 为806. 08 kg / m3,液体运动黏度 ν 为0. 001 993 cm2/ s。 对表1中所列的几种不同结构的多孔板受结构参数的影响情况进行了模拟与分析。

4. 1开孔形式的影响
    图4给出了等孔径的多孔板No. 1和中心孔略大的多孔板No. 2两种不同开孔形式的多孔板的流出系数C与压力损失系数 ζ。由图可知,对于一定结构的多孔板,C和 ζ 随雷诺数Re的变化均可分为3个不同的区域: 不稳定区域、稳定区域和空化区域。未发生空化时,影响C和 ζ 的流速收缩系数、孔板局部阻力系数等在Re < 104—105时会随Re变化,而当Re > 105时基本保持不变[12],因此,随Re的增加,C和 ζ 均出现了不稳定区域和稳定区域。随着Re的继续增大,多孔板附近压力降低到进口温度对应的饱和压力时会出现空化,气液两相流增加了流动阻力,使C降低,ζ 增大。
    相比于多孔板No. 1,多孔板No. 2的稳定区域较宽,且有较大的C和较小的 ζ。由图5所示的这两种多孔板在2. 0 m/s速度条件下的LN2速度云图可以看出,中心孔略大于周边孔的布置方式( 多孔板No. 2) 所形成的壁面涡流区域较短,且各孔之间的相互影响较小,有利于抑制孔间涡流的形成,从而减小压降,降低损失。

图不同开孔形状多孔板2. 0 m/s的LN2速度云图

图不同开孔形状多孔板2. 0 m/s的LN2速度云图


4. 2多孔板厚度的影响
    在比较得出了中心孔略大的多孔板性能较优的基础上,对多孔板厚度t的影响进行分析,即多孔板No. 3、No. 2和No. 4。图6给出了各多孔板的流出系数与压力损失系数。由结果可知,随着多孔板厚度增加,开始产生空化的临界雷诺数Reup略有增大,这与Maynes等[9]所得到的增加多孔板厚度可以延迟水空化发生的结论类似。在稳定区域,多孔板厚度的增加有利于C的增大和 ζ 的减小,但两系数变化幅度随多孔板厚度的增加而有所减小,这是由于孔板总阻力系数 ξ 随多孔板厚度的增加逐渐减小,且当t/dt( dt为孔板当量开孔直径) 大于0. 8时,减小幅度变缓[12]。 根据Maynes等[9]的研究,降低多孔板总阻力系数可有效抑制空化的多孔板厚度出现在t/dt≈1. 0附近, 多孔板No. 4有t/dt≈1. 05,可认为其厚度值较佳。
4. 3开孔大小的影响
    结合开孔形状与厚度影响的研究,以多孔板No. 4为基础,在等效孔径比 β 相同的情况下调整中心孔与周围孔的大小,研究开孔大小的影响,即多孔板No. 5、No. 4和No. 6。由图7所示的结果可知,多孔板No. 4和No. 5的Re稳定区域、C和 ζ 基本相同,且优于多孔板No. 6。由图8给出的这3种多孔板2. 0m / s的LN2速度云图可以看出,相对于多孔板No. 4和No. 5 ,No. 6高速射流区域较长,孔板出口处的涡流区也较长,使得多孔板的总阻力增加。因此,中心孔大小存在一个***佳范围,当超过此范围时,增大或减小中心孔的直径都会导致多孔板性能的降低。

图 不同厚度多孔板的流出系数与压力损失系数

图 不同厚度多孔板的流出系数与压力损失系数


 
4. 4等效孔径比 β 的影响
    结合上述研究,以多孔板No.4为基础,分别将孔径缩小15% 、30% ,增大15% ,取4种不同等效孔径比β的多孔板,即No. 7、No. 8、No. 4和No. 9研究 β 的影响。由图9所示的计算结果可知,随着等效孔径比β的增加,Re稳定区域与流出系数C均增大,ζ 减小,但变化幅度逐渐减弱。等效孔径比β较小时,多孔板的通流面积较小,阻力增大,使得多孔板的稳定区域缩短,且从数值上可以看出β是影响多孔板性能的主要因素。但当等效孔径比β过大时,流体流经多孔板时的压力变化减小,对差压测量的精度要求便会提高。因此,为获得较宽的多孔板流量计工作区域, 应在综合考虑差压测量精度对流量测量精度影响的基础上适当选择相对较大的等效孔径比。

5结论
    采用数值模拟的方法研究了多孔板流量计应用于低温流体液氮流量测量的性能特征,着重探讨了多孔板的开孔形式、孔板厚度、开孔大小以及等效孔径比等对其主要性能参数流出系数C与压力损失系数 ζ 的影响,并得出如下结论:
    (1) 中心孔直径略大的多孔板性能优于等孔径的多孔板,即流出系数C较大而压力损失系数 ζ 较小。适当增加多孔板的厚度与等效孔径比,协调中心孔与周围孔的大小均可改善多孔板流量计的性能。
    (2) 等效孔径比 β 对多孔板稳定区域范围的影响较为明显,为避免汽蚀的发生,应特别注意合理选取等效孔径比。
    (3) 在本文的计算条件下,对于具有7个孔的等效孔径比 β=0. 635的多孔板,中心孔直径d0在7—9 mm之间,孔板厚度t为6. 35 mm时较为合理。在此基础上增加等效孔径比 β 至0. 731可提高流量计的性能,即流出系数C增大,压力损失系数 ζ 减小,但改善的幅度有限。



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