标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟

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第2期陈家庆等:标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟53

圆柱端面向外、向内边界层的第一行百分比选用15%,共10层,比例设为1.1;分别将圆环面和半圆面以Map、Pave的方式进行网格划分。上游直管段的轴向网格密度沿BA、CD、EF、GH方向以1.1的比例由密变疏,下游直管段的轴向网格密度沿IJ、KL、MN、OP方向以1.1的比例由密变疏,孔板轴线方向(CK、EM)上的网格平均分布。最终采用Cooper进行网格划分,最终所得网格划分状况如图2(b)所示。在初始验证性算例中,取β=0.4、qv=0.5m3/h;以常温下的水作为流体介质,其密度、粘度根据Flu-ent6.2.16数据库中对应的物性参数来选取。进、出口的边界条件分别设置为速度入口、出流(outflow),取流体重力加速度沿着-Y轴方向。此时对缨的入口流速v=0.0176839m/s,则上游直管段内和节流孔处的雷诺数Re分别为1760、4400,可见流体在上游直管段内为层流滚动,在节流孔内为湍流滚动。为此,Fluent数值模拟时采用3ddp求解器,选择标准k-ε两方程湍流模型和加强壁面处理,离散方程组的压力速度耦合选择SIMPLE算法,动量、湍滚动能、湍流耗散率均采用一阶迎风差分格式。图3(a)为内部的速度大小分布等值线图,水流经由孔板节流后,形成了一个对称的速度尖峰,中心轴线上的速度最大,

逐渐向

两边递减;在孔板的下游形成一个尖核状的速度峰,而在下游靠近壁面处形成一个旋绕区。图3(b)为湍滚动能的分布图,湍滚动能在孔板下游区域较强,并在孔板内壁所在面附近形成双峰。通过在Fluent中读取孔板前后D和D/2轴截面上的平均压力值ph、pl,得出Δp=14.05Pa,进而计算出数值模拟流出系数C′=0.6508;根据ISO经验公式计算出的推荐流出系数C=0.6323,两者的相对误差δ为2.93%,可见C′与C吻合较好。虽然CFD数值模拟与试验实测一样都存在着各种误差影响,但仍足以证明CFD数值模拟模型的正确性。

2各参数变化对流出系数影响的探讨

为了研究不同流量、直径比、孔板厚度和流体介质对标准孔板流量计滚动状况的影响,得出一些具有指导意义的结论,在工况温度均为300K的状况下,每次仅改变其中某个参数,利用Fluent进行数值模拟和相关分析探讨。如不特别指出,所建三维模型边界层的第一行百分比都选用15%。

2.1流量的影响

以水为流体介质,对β=0.5、E=3mm的标准孔板流量计,根据具体的滚动状况在Fluent求解器中选用层流或k-ε湍流模型,但网格划分模式不变(即都采用边界层网格加密处理)。得出不同流量下的流场计算结果如表1所示。

由表中可以看出,在包含层流、过渡流和湍流状态的不同流量下,数值模拟流出系数C′与ISO公式流出系数计算值C均吻合得较好,并且在层流状态下(Re2100),C′与C的误差维持在2%以内。随着流量的不断增大,C逐渐减小,而C′随着滚动状态的不同其变化规律也不同。在层流状态下,随着流量的增大C′逐渐减小;在过渡流状态下(2100Re4000),随着流量的增大C′逐渐增大;在湍流状态下(Re4000),随着流量的增大C′逐渐减小。并且,在湍流状态下,C′始终大于C。2.2直径比β的影响

标准孔板流量计的直径比β一般在0.2～0.75之间选取。图4为以水为流体介质,在Q=10m/h、E=3mm时,不同直径比β下滚动状况的计算结果。

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图3主要滚动参数在纵向对称轴剖面上的分布图Fig.3Distributionofsomemainflowparametersonthelo