对称多孔孔板差压式流量计_工作原理_结构选型
摘要：因多种工况条件无法满足测量精度要求, 传统差压式流量计应用范围受到一定限制。基于多孔整流器和标准孔板的流量测量原理, 提出一种对称多孔孔板差压式流量计的设计方法。然后对该流量计进行计算流体动力学 (CFD) 数值计算与仿真分析, 结果表明多孔孔板差压式流量计测量精度较标准孔板流量计提高1倍以上, 压力损失减小约1/3。***后进行实流试验, 试验结果表明, 多孔孔板流量计比常规标准孔板节流装置具有明显的优势, 其适应性更好。此设计方法可为多孔孔板流量计的结构设计和性能优化提供参考。
0、引言：
流量计量是计量科学技术的重要组成部分, 广泛应用于农业生产、石油石化、科学研究、国防建设以及人民生活的诸多领域。尤其在能源危机的后经济时代, 流量计量的重要性日益突出[1]。相比其它流量计, 传统差压式流量计因结构简单、成本低、重复性好、标准化程度高等特点得到广泛应用, 但只有在符合标准要求的技术条件下, 才能准确地测量流量。然而, 工程实际应用中, 很多工况条件不能满足上述要求, 从而无法达到所需要的测量精度 (雷诺数低于标准中的雷诺数范围、测量介质中混有泥沙等) 进而限制了其应用范围[2-3]。
为了改善上述缺点, 非标准差压式流量计得到快速发展和进一步的应用。基于差压原理的多孔孔板流量计不但继承了标准孔板流量计的结构简单、无运动部件等优点, 且能够平衡调整流场, 明显减少涡流、降低死区效应、减少流体动能的损失, 是目前应用***为广泛的一种非标准差压式流量计[4-5]。但在国内, 多孔孔板流量计的相关核心技术研究相对较少, 实际应用中要根据不同测量条件来设计流量计, 缺乏完整的结构参数设计和性能优化设计准则的指导, 在一定程度上远未达到用户之实惠[6-7]。
综上所述, 针对多孔孔板流量计的结构设计和性能优化国内已有一些研究, 但缺乏统一的设计准则, 不利于工程应用。
本文结合多孔整流器和标准孔板联合使用的测量原理, 提出一种对称多孔孔板差压式流量计的设计方法, 采用计算流体动力学 (CFD) 技术进行数值计算与仿真分析。与标准孔板对比分析其流出系数及压力损失等性能指标, 分析结果说明了其优越性。***后通过实流实验验证了设计的合理性。此设计方法可为多孔孔板流量计的结构设计和性能优化提供一定的参考。
1、多孔孔板流量计：
标准孔板流量计是使用***早、应用***广泛的一种差压式流量计, 具有结构简单、测量精度高等特点。其测量原理为对于充满管道的流体, 当它流经管道内的节流件时, 流体介质将会在节流件处形成局部收缩, 因而流速增加, 静压力降低, 于是在节流件前后便产生了一定的压差。流体流量愈大, 产生的压差愈大, 这样可依据压差来衡量流量的大小。根据不可压缩流体的连续性方程和伯努利方程, 定常流体的体积流量可以通过如下公式表示[8]:
式中:C为流出系数, 无量纲;β为等效直径比, 无量纲;D为孔板直径;Δp为压差, 单位为Pa;qv为体积流量, 单位为m3/s;ρ为流体介质密度。
多孔孔板流量计是美国航空航天局 (NASA) 下属的马歇尔航空飞行中心***早提出的。这种新型流量计具有对称多孔结构, 是目前***先进的差压式流量计之一。相比传统差压式流量计, 不仅结构简单、安全可靠、适用面广, 还具有精度高、直管段要求低、量程比宽、压损小等优点[9-11]。
多孔孔板流量计的测量原理基于能量守恒定律和质量守恒定律。流量检测时, 所测介质在通过多孔节流整流器的同时进行流体整流, 减小节流装置后形成的涡流, 形成较稳定的紊流, 从而使引压管路能够获取到较稳定的差压信号, 并进一步通过伯努利方程计算得出工艺所需体积流量、质量流量等参数[12-14]。
2、对称多孔孔板差压式流量计结构设计：
在工程实际应用中, 每个多孔流量计都要根据不同测量条件来设计, 其开孔面积、节流孔的大小、节流孔的具体形状、节流孔个数及排列方式等结构参数均会对多孔孔板流量计的性能产生影响。由于缺乏完整的结构参数设计和性能优化设计准则的指导, 在一定程度上限制了其应用范围。对于不同的测量函数孔的数量、如何分布函数孔以及函数孔的结构等无疑是***主要的设计参数, 目前还没有统一的标准。
本文结合多孔整流器和标准孔板的测量原理, 提出并设计流量计的孔板结构为在节流板中心一个圆孔的基础上, 对称分布数量不等的圆孔, 如图1所示, 均匀分布的圆孔的总的面积和标准孔板的面积相等。
图1 对称多孔孔板差压式流量计的孔板结构Fig.1 Orifice plate structure of symmetrical multi-hole orifice differential pressure flowmeter
当介质流过圆孔时, 流体被平衡调整, 涡流被***小化, 形成近似理想流体, 通过取压装置和变送器, 可获得稳定的差压信号, 根据伯努利方程计算出流体的流量:
式中:Q为介质流量, 单位为m3/h;K为仪表系数;Y为膨胀系数;Δp为差压值, 单位为Pa;ρ为介质工况密度, 单位为kg/m3。
基于以上对称多孔孔板差压式流量计结构设计的方法, 以孔板管径80 mm、等效直径比0.45、测量介质为常温水的条件进行研究。首先建立多孔孔板流量计的计算模型, 如图2所示。参照流量测量节流装置设计手册建立流量计的几何尺寸, 在流量计测量的上下游部分设计有一定的直管段来确保流量计在测量的时候流体的流场处于一种均匀稳定的状态并使因节流而被破坏的流场能够恢复到节流前的状态。
3、多孔孔板流量计：
依据流量计的设计尺寸, 在Creo3.0中建立其三维计算模型, 取板前4D、板后8D的流场区域作为计算域, 并将其导入ICEM专用划分网格软件中进行网格划分, 网格的划分采用全六面体结构化网格的划分方法, 对计算域进行局部加密以保证计算精度, 网格划分结果如图3所示。
图2 对称多孔孔板差压式流量计结构Fig.2 Structure of symmetrical multi-hole orifice differential pressure flowmeter
图3 多孔孔板流量计网格划分结果Fig.3 Mesh divide result of multi-hole orifice flowmeter
由于多孔孔板流量计的流场情况较为复杂, 对湍流模型的要求较高, 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是湍流动能;ε是湍流耗散率;ρ是流体密度;μ是流速;μt是湍流粘度;Gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb是由浮力产生的湍流动能。C1ε、C2ε、C3ε是常量, 分别为C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09, σk、σε是k方程和ε方程的湍流prandtl数, 分别为σk=1.0、σε=1.3。
设置入口条件为速度入口 (velocity-inlet) , 出口为自由发展出流 (outflow) , 以各项参数的残差小于0.000 01为收敛标准, 分别计算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等几种入口流速下流量计的流场特性。文中给出几种典型流速条件下的计算结果, 如图4所示。
图4 不同流速下的多孔孔板流量计速度分布云图Fig.4 Cloud chart of velocity distribution of multi-hole orifice flowmeter under different flow rates
图4 不同流速下的多孔孔板流量计速度分布云图Fig.4 Cloud chart of velocity distribution of multi-hole orifice flowmeter under different flow rates
由图4可以看出, 入口流速在0.2~7 m/s时多孔孔板流量计下游速度汇聚趋势明显, 相比于标准孔板其壁面回流区较小, 但随入口流速不断增大回流区长度随之增大, 变化范围为0.5D~1.2D。由此可见, 多孔孔板流量计尾流流场能够快速进入稳定状态。板前死区较小, 且随流速增大而逐渐增大。
通过Fluent求解计算获得孔板前后的差压值, 进而得到流量计的压力损失。本文取压口设置为上下游取压口距离孔板上下游端面的距离为0.04 m, 通过在Fluent中定义相应取压面, 分别求取上下游取压面的平均压力值, 获得压差值和压力损失值如下表1所示。不同入口流速下, 标准孔板流量计和多孔孔板流量计的压力损失的对比情况如表1和图5所示。
表1 不同流速下多孔孔板流量计的压力损失Table 1 Permanent pressure loss of multi-hole orifice flowmeter under different flow rates
由表1和图5可以看出, 随着入口流速的不断增大, 多孔孔板流量计的压力损失呈逐渐增大的趋势;相比于标准孔板流量计, 由于涡流的减少, 多孔孔板流量计具有更小的压力损失, 压力损失较标准孔板节流装置降低约1/3。
图5 不同流速下的流量计压力损失Fig.5 Permanent pressure loss of the flowmeter under different flow rates
图6所示为不同流速下, 多孔孔板和标准孔板流量计的流出系数对比曲线。由图6可知, 多孔孔板流量计的流出系数较标准孔板流出系数有明显提高, 同时随着流速的变化流出系数能够保持良好的稳定性。
图6 不同流速下的流量计流出系数Fig.6 Discharge coefficient of the flowmeter under different flow rates
为了检验所设计的多孔孔板差压流量计的性能指标, 和标准孔板节流装置进行了实流试验, 结合现场使用反馈情况, 其性能指标对比如表2所示。
4、结论：
本文以管径80 mm、节流比β=0.45的多孔孔板为研究对象, 通过对不同入口流速下的多孔孔板流量计进行分析, 得出此种流量计节流件前后产生的涡流大大降低, 无需很长的直管段整流, 显著提高了测量精度;压力损失由于涡流的减少较标准孔板节流装置降低了约1/3。试验对比分析表明, 多孔孔板流量计比常规标准孔板节流装置具有明显的优势, 其适应性更好。
表2 多孔平衡流量计与常规标孔节流装置的技术指标对比Table 2 Comparison of technical indexes between multi-hole balanced flowmeter and conventional orifice throttling device
