摘要:多孔孔板差壓式流量計因其快速平衡調(diào)整流場和有效降低壓力損失等能力得到廣泛應(yīng)用,但其尚缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和性能優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。針對提出的對稱多孔孔板差壓式流量計進行實流試驗,研究其計量性能并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析,結(jié)果表明,對稱多孔孔板差壓式流量計可有效提高計量精度(+0.5%)、降低壓力損失,具有更好的適應(yīng)性,試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性,驗證了數(shù)值模擬的正確性并對新型流量計進行了標(biāo)定，研究結(jié)果可有效拓寬多孔孔板流量計的應(yīng)用范圍。
0引言
流量計量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛,廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)以及人民生活等領(lǐng)域，諸多流量計中,傳統(tǒng)差壓式流量計因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實驗數(shù)據(jù)豐富、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點,應(yīng)用最為廣泛。但在實際應(yīng)用中很多工況條件無法滿足測量要求(如低于標(biāo)準(zhǔn)中推薦的雷諾數(shù)范圍、測量介質(zhì)中混有泥沙等),進而限制了其應(yīng)用范圍。
在這些情況下,非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計得到快速發(fā)展和進一步的應(yīng)用，目前最具代表性的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計主要有錐形流量計和多孔孔板流量計多孔孔板流量計不但繼承了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的優(yōu)點，而且能夠快速平衡調(diào)整流場，明顯減少渦流、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動能損失,在國際上引起廣泛關(guān)注，自2006年被引進我國市場以來,得到廣泛應(yīng)用。但因涉及商業(yè)機密,多孔孔板流量計的結(jié)構(gòu)參數(shù)與流出系數(shù)等計算公式未曾公開。為了掌握該流量計的核心技術(shù),國內(nèi)科研技術(shù)人員對其進行了大量研究，主要集中于孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及計量性能等方面.[448。目前,實際應(yīng)用中要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計流量計，缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和性能優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則指導(dǎo)。
對多孔孔板流量計進行了大量的研究工作,結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板聯(lián)合使用的測量原理,提出了一種對稱多孔孔板差壓式流量計的設(shè)計方法(即在中心節(jié)流孔周圍均勻環(huán)形分布若干孔),采用CFD數(shù)值模擬預(yù)測了其內(nèi)部流場,并研究了孔數(shù)量對多孔孔板流量計流場特性的影響規(guī)律[920但數(shù)值模擬只能為研究提供方向性的指導(dǎo)，并不能很好的指導(dǎo)實際生產(chǎn)。本文基于數(shù)值模擬結(jié)果搭建對稱多孔孔板差壓式流量計實流標(biāo)校試驗平臺,對其計量性能進行試驗研究，檢驗了CFD設(shè)計成果的有效性,并對新型流量計進行了標(biāo)定。
1多孔孔板流量計
課題組提出并設(shè)計的多孔孔板流量計結(jié)合了多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量原理,基本結(jié)構(gòu)為在節(jié)流板中心一個圓孔的基礎(chǔ)上,對稱分布數(shù)量不等的圓孔,如圖1所示,均勻分布的圓孔的總面積和標(biāo)準(zhǔn)孔板的開孔面積相等。流量計整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
多孔孔板流量計的測量原理是以能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的,即在流量檢測時,所測介質(zhì)流過圓孔的同時進行流體整流，減小節(jié)流裝置后形成的渦流,形成較穩(wěn)定的紊流(近似理想流體),從而獲得穩(wěn)定的差壓信號,根據(jù)伯努利方程計算出流體的流量:
式中:Q為介質(zhì)流量;K為儀表系數(shù);Y為膨脹系數(shù);△p為差壓值(Pa);ρ為介質(zhì)工況密度。
2數(shù)值模擬
針對設(shè)計的對稱多孔孔板差壓式流量計,分別對開孔數(shù)量為1.4、5.7(孔的分布位置如圖3所示,參數(shù)如表1所示)的流量計采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)分析了其內(nèi)部流場情況,如圖4所示，研究了孔數(shù)量對多孔孔板流量計流場特性的影響規(guī)律,得出對稱多孔孔板差壓式流量計具有可降低節(jié)流件前后渦流、快速平衡內(nèi)部流場(前后直管段要求:前1D~3D,后0.5D~1D,其中D為通流直徑)、提高測量精度、降低壓力損失、適應(yīng)性更好的優(yōu)點，隨著孔數(shù)量的增加壓力損失逐漸降低、流出系數(shù)提高的結(jié)論。
3試驗標(biāo)校平臺的組成
為了驗證數(shù)值模擬的正確性,搭建對稱多孔孔板差壓式流量計試驗標(biāo)校平臺,由對稱多孔孔板差壓式流量計、截止閥、差壓變送器、流量調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、水泵和水槽及管路系統(tǒng)組成,如圖5所示,其中對稱多孔孔板差壓式流量計和電磁流量計與試驗管道均通過法蘭連接。試驗過程中,流量計工裝示意圖如圖6所示。
工作原理如下:通過試驗管路變頻調(diào)速水泵及上游側(cè)流量調(diào)節(jié)閥開度的適當(dāng)調(diào)節(jié),獲得流速0~7m/s連續(xù)可調(diào)的流體介質(zhì),并采用高精度電磁流量計(作為標(biāo)準(zhǔn)器具,精度+0.2%R)測量實際流量(流速),利用高準(zhǔn).確度差壓變送器(EJA110E系列、量程0~100kPa、精度+0.065%FS)測量壓差值及壓力損失值。
為了與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較,相應(yīng)設(shè)置保持一致性:介質(zhì)采用水(環(huán)境溫度5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大氣壓力86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管路規(guī)格DN80(節(jié)流元件上下側(cè)直管段長度約為5m,充分保證了多孔平衡流量計測量中對前后直管段研究的要求),取壓方式為法蘭取壓(上下游取壓孔軸線距離多孔流量計節(jié)流件上下游端面均為25.4+0.5mm)。其他參數(shù)為介質(zhì)水密度ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mPa.s、流東膨脹系數(shù)e=1。實流試驗現(xiàn)場如圖7所示，試驗用對稱多孔孔板差壓式流量計如圖8所示。
4試驗結(jié)果分析
按要求搭建試驗標(biāo)校平臺,進行實流試驗,獲得流量計試驗的差壓與壓力損失值,如表2所示，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比,為了更為直觀和分析的方便,將不同開口數(shù)量流量計的壓力損失值繪制成曲線,如圖9所示。
由圖9可以看出，對稱多孔孔板差壓式流量計的壓力損失比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的要小一些，并且隨著孔數(shù)的增加壓力損失呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。
流出系數(shù)是評價節(jié)流式儀表性能的最重要參數(shù)之
為實際流量與理論流量的比值,是統(tǒng)計量,受設(shè)計、制造、安裝及使用條件的影響。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程和伯努利方程,定常流體的體積流量為:
注:每點標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)值Q、差壓值△P、壓損值δ記錄3次,為了節(jié)省篇幅,取其平均值進行表格相應(yīng)欄的填寫
式中:C為流出系數(shù),無量綱;β為等效直徑比，無量綱(β2=A0/A,其中A0為孔板節(jié)流孔開孔面積,A為管道截面面積);d為孔板節(jié)流孔等效直徑;△p為壓差;q,為體積流量;ρ為流體介質(zhì)密度。
依據(jù)式(2)，確定流出系數(shù)C的數(shù)值:
結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和式(3)得不同開口數(shù)量流量計的流出系數(shù),如表3所示,為了與數(shù)值模擬結(jié)果進行直觀對比，將不同開口數(shù)量流量計的流出系數(shù)繪制成曲線,如圖10所示。
由圖10可以看出,對稱多孔孔板差壓式流量計的流出系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的要大一些(對于標(biāo)準(zhǔn)孔板,其試驗范圍內(nèi)流出系數(shù)平均值為0.6140,對于多孔孔板流量計其試驗范圍內(nèi)流出系數(shù)平均值為4孔孔板0.6221、
5孔孔板0.6268.7孔孔板0.6346),隨著孔數(shù)增加流出系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。
結(jié)合圖9和10,試驗結(jié)果和數(shù)值模擬計算的結(jié)果相比,壓力損失與流出系數(shù)的變化趨勢完全一致,但在數(shù)值上存在一定偏差,誤差在8%。
流出系數(shù)的系統(tǒng)誤差e為:
式中:C0為理論流出系數(shù)，計算方法依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS05167--2003的規(guī)定;Ci為實際流出系數(shù)的平均值。
若忽略管道制造和安裝誤差以及溫度、流體密度的影響,依據(jù)式(3)可以得到:
對于電磁流量計(標(biāo)準(zhǔn)表)精度為0.2級,EJA110E高精度壓差傳感器(變送器)的精度為+0.065%,經(jīng)計算,流出系數(shù)的不確定度為4孔+0.467%、5孔士.0.439%.7孔+0.446%,即流出系數(shù)的誤差均不超過士0.5%,由此并基于流出系數(shù)定義可見流量計的計量精度為0.5%。
5結(jié)論
本文對多孔孔板差壓式流量計進行了實流試驗,分析了標(biāo)準(zhǔn)孔板與對稱多孔孔板流量計的計量性能并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比,結(jié)論如下。
1)實流試驗結(jié)果與CFD數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢上體現(xiàn)出完全的一致性,但在數(shù)值上存在一定的偏差,因此CFD計算結(jié)果并不能完全代替試驗研究的成果。但是這種偏差并不是很大，作為工程上的估算其精度能夠滿足要求。
2)通過對稱多孔孔板差壓式流量計的實流標(biāo)定,結(jié)果顯示流出系數(shù)C相對于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計有較大的提高,量程范圍大大拓寬,是一種可以應(yīng)用于實際測量的新型流量計產(chǎn)品。具體性能指標(biāo)如下:精度+0.5%;前后直管段要求為前1D~3D,后0.5D~1D。
3)對稱多孔孔板差壓式流量計具有壓力損失小、流出系數(shù)高、適應(yīng)性好等特點，完全可以直接應(yīng)用于工程中目前該流量計已經(jīng)在市場得到應(yīng)用,一定程度上拓寬了其應(yīng)用范圍
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