標準孔板流量計內部流場的CFD數值模擬

　　孔板流量計因其結構簡單、耐用而成為目前際上標準化程度、應用為廣泛的種流量計,但也存在著流出系數不穩定、線性差、重復性不等缺點。采用CFD數值模擬來分析研究管內孔板類節流元件的相關流場在外已有數十年的歷史[1-5]。Sheikholeslami等人和Barry等人使用Fluent軟件模擬了孔板流量計工作性能隨著雷諾數、直徑比、管道表面粗糙度、上游旋渦以及上下游流動邊界條件的變化情況,在使用二維軸對稱模型的情況下,他們認為采用80×60的網格足以得到與經驗數據相差在2%以內的流出系數值[6-7]。美Texas A&M大學的Morri-son等人采用CFD對孔板流量計進行了參數化研究,并測量了孔板下游的流場[8-9];后來又采用實驗和CFD模擬對計量管內部的粗糙度規格進行評定改進,認為可以通過CFD模擬來獲得任意雷諾數和管壁粗糙度下的管流通用速度分布圖[10]。挪威科技大學(NTNU)的Erdal等人采用Phonics軟件研究了充分發展流動條件下,單孔孔板下游的流場,并采用二維軸對稱模型分析討論了不同邊界條件、差分算法和湍流模型等對孔板前后流場模擬結果的響[11-12]。悉尼大學的Langrish等人利用CFX軟件中的標準湍流模型,模擬了三維軸對稱突擴管內雷諾數達到105時的湍流流動情況[13]。2003年,美福公司的研究人員采用Fluent 6.0軟件模擬了汽車傳動液壓控制系統管路用孔板節流元件的流場,討論了流出系數與直徑比、孔板橫截面形狀、孔板軸向厚度、孔板出入口幾何形狀之間的關系[14]。

　　近5年來,內些單位也開始圍繞孔板類節流元件的流場問題進行數值模擬研究[15-17]。但迄今尚無人利用商業CFD軟件專門針對孔板流量計的內部流場進行系統分析,與相關經驗公式進行對比討論,因此開展這方面的工作非常有必要。

　　1CFD模型及計算結果

　　1.1理論基礎

　　標準孔板流量計有D和D/2取壓、角接取壓和法蘭取壓等多種方式,其中D和D/2取壓法的結構如圖1所示。對于壓縮流體的水平管流動,在忽略沿程摩擦阻力損失的情況下,根據流體流動的伯努利方程(能量守恒)和連續性原理。