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影响多孔孔板流量计计量精度的因素分析

2019-11-14    

   多孔孔板流量计是一种节流式流量计,在圆形板片上布置多个介质流通孔.文献【1-2】对按照特定方式设计的多孔孔板局部压力损失系数e和节流特性的主效应因素进行实验研究,拟合出局部压力损失系数ξ与等效直径比β之问的关系式,并且得出等效直径比β是影响多孔孔板节流效应的主效应因素.文献[3-4]将A + FlowTeK的多孔孔板流量计同传统节流装置进行比较,得出多孔孔板流量计具有精度高、压损小、需要前后直管段短等优点.文献【5】利用实验方法研究了孔分布、孔板厚度以及扰动对多孔孔板的流出系数Cd的影响.科研人员对多孔孔板的研究工作主要是利用实验和数值仿真的方法对宏观上的性能指标进行验证,本文对流场中的流动机理进行深人细致的研究,进一步提高孔孔板流量计的性能.
   介质经过多孔节流件后形成多股受限型射流,由于多股射流之间的卷吸和掺混,增加了流场的复杂性.Taylor在1949年提出了射流卷吸假说,1986年Tume:对这个假说的发展进行了详细说明.文献【6-8】系统地研究了射流人射间距对双股射流汇聚区和联合区流动结构的影响;文献【9】利用PIV技术在人射速度不同的情况下对双股平行射流的卷吸效应、湍流强度、速度剖面以及雷诺应力进行了研究.文献【10】利用PLIF技术对平行双股射流流场中的混合区进行测量.长期以来研究人员分别从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多股射流进行了大量的研究工作,对流场中的一些流动特性和流动机理取得了丰富的成果.本文利用多股射流理论和实验相结合的方法对多孔孔板计量精度的影响因素进行研究.
   介质经过多孔孔板后形成多股受限型射流,射流自孔口出射后与周围静止流体间形成速度不连续的间断面,间断面失稳而产生漩涡.漩涡卷吸周围流体进人到射流,同时不断移动、变形、分裂产生紊动,其影响逐渐向内外发展形成内外两个自由紊动的剪切层.自由剪切层中的漩涡通过分裂、变形、卷吸和合并等物理过程,除了形成大量的随机运动小尺度紊动涡体外,还存在一部分有序的大尺度涡结构.大尺度涡的拟序结构由纵向涡和展向涡组成,其中展向涡结构对剪切层的发展控制起主要作用,对紊流的产生、能量的传递、动量输运和紊动掺混等产生直接影响[11一13],因此,大尺度的展向涡结构是影响多孔孔板流量计计量性能的关键因素.
   大尺度涡对周围流体有强烈的卷吸作用,使周围流体随射流而运动,增加了射流的总质量.卷吸量是反映射流卷吸作用强弱的标准,其大小与剪切层中大尺度涡的发展演化过程及强度相关.在管壁的约束下,介质进人多孔孔板后形成的射流只能卷吸有限的环境流体.在静压差的影响下,射流间以及射流与壁面之间产生回流,回流区的尺寸由流通孔之问的间距决定.由连续性方程可知,管道中任一与流向垂直截面上的质量通量与管道人口处的质量通量相等,从而可以得出漩涡的卷吸流量与回流通量相等的结论.因此,本文利用回流通量来表征漩涡卷吸作用的强度,从而揭示漩涡的卷吸作用对流量计计量精度的影响规律.
  多孔孔板流量计流场情况较为复杂,这就要求湍流计算模型对含有大量漩涡及剪切层的流场具有较好的计算效果;多孔孔板流量计采用壁面取压方式,该取压方式要求湍流计算模型对近壁区域有较好的计算效果.本研究选择SST (剪切应力传输)k一ω湍流模型.该模型是由Mente:提出的双方程湍流模型,集成了Standard k一ω。模型与Standard k一ε模型的特点.不但在近壁区域及尾流有很好的预测效果,而且在高雷诺数流动区域和剪切层中有较好的预测效果.文献「18]对多孔孔板的仿真计算进行了详细描述.
   为了能够较为全面地反映流场中回流通量的分布规律,本研究在仿真计算结果的后处理中截取多个径向截面,该截面位于多孔孔板下游具有回流的区域中,提取整个截面上的轴向速度.为了求出各截面上的回流通量,利用delaunay三角化函数将整个截面上坐标点重构成三角形网格,计算每个网格的面积及通过该网格的法向速度,如图5所示,其中图5 (a)的坐标为管道径向位置,单位为M.