应用于低温流体的多孔板流量计特性研究

  多孔板流量计具有多孔圆盘节流整流器结构,其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,而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,在流体(尤其是低温流体)流量测量领域具有广阔的应用前景。多孔板的开孔面积、节流孔的大小、个数及排列方式等结构参数均会对多孔板流量计的性能产生影响。为了进一步探讨多孔板流量计测量低温流体流量时的特性,设计适合低温流体的多孔板流量计,本文针对以下几个方面开展了较为系统的理论、数值模拟和实验研究工作：

1.流体节流过程的流量及压损理论分析 基于标准孔板流量计节流测量的原理,根据连续性方程和伯努利方程推导了流量与压力损失的计算公式,并根据公式分析了影响多孔板流量计性能参数即流出系数与压力损失系数的因素,可为数值仿真与实验研究提供理论指导。

2.多孔板性能的数值模拟与分析 通过Fluent仿真软件,采用数值模拟的方法,经网格独立性验证和模型验证后,结合Realizable k-ε湍流模型与Schnerr-Sauer空化模型,对流体种类和结构参数对多孔板性能的影响进行了数值模拟。根据模拟计算结果,系统研究了液氮、液氧、液氢和水的物性以及多孔板的开孔形式、多孔板厚度、等效直径比和开孔大小等结构参数对流出系数C、压力损失系数ξ与雷诺数Re稳定区间的影响情况。在此基础上,分析了多孔板对低温流体的适用性,并提出符合圆管中紊流速度分布规律的开孔方式,为多孔板的结构优化设计提供初步的参考意见。

3.基于低温流体液氮的多孔板特性实验研究 结合模拟计算结果,对多孔板进行了实验研究。在DN25的低温流动实验平台上,开展了以液氮为工质的流量测量实验,旨在验证数值模拟提出的开孔方式符合圆管中紊流速度分布规律的多孔板性能较优的结论。在此基础上,进一步利用DN50的低温流动实验平台对孔距与半圆孔对多孔板性能的影响情况进行了研究。分析了不同孔距的多孔板流出系数C与压力损失系数ξ的变化情况,以及半圆孔的引入对C和ξ的影响,可进一步指导多孔板的结构优化设计。