一种流线型孔板流量计的研究

　　1　引言

　　孔板节流差压式流量计是一种历史悠久、使用广泛的流量测量装置。早在20世纪初,美国就开始利用孔板测量天然气的流量。直到ISO成立约30年后(1980年),ISO/TC 30颁布了第一个流量测量节流装置的国际标准———ISO5167,孔板流量计进入了一个成熟阶段。孔板流量计以其结构简单、测量精度高得到了广泛的工程应用。但是,标准孔板过高的压力损失、低雷诺数情况下的非线性偏移、易磨损而降低精度和造成污物淤塞等仍然是孔板节流式流量计不可克服的缺陷。最新版本的ISO5167:2003(E)[1]国际标准,又对孔板流量计的下游直管段和加工精度提出了更高的要求,使得孔板在实际工程的应用中受到了更多的限制。因此,设计出低压损、宽量程比的新型孔板测流装置,有着重要的现实意义。

　　孔板式流量计是通过检测流体流过节流孔前后产生的压差来计算流体流量的节流装置。按照标准(ISO5167)设计、制造、安装的孔板即标准孔板流量计,在使用前无需标定就可以根据标准文件确定压差和流量的关系并估计其测量误差[2]。但是,标准孔板往往需要上游和下游较长的直管段,对制造的精度也有很高的要求,当被测流体中存在污物和杂质的时候,很容易造成淤塞和节流件的磨损,从而大大降低其测量精度此外,标准孔板测量的范围窄,一般量程比只能做到1:4左右,在中低雷诺数时无法精确测量,且不可恢复的压力损失大,在高雷诺数时对管道造成巨大的永久压损。

　　2　新型孔板流量计的数值研究与产品开发

　　标准孔板的测流原理依据公式(1):

　　在实际使用过程中,流出系数C往往并不一个常数。当孔板的几何形状确定的时候,C只与雷诺数有关系。图1为标准孔板在不同雷诺数时的C值变化情况。

　　从图1可以看出,当Re小于10000时,C开始呈非线性偏移,此时孔板流量计将无法准确测量管道流量;在高雷诺数的情况下孔板的流出系数仅在0.6左右,这表明孔板对管道产生了很大的阻塞效应,在很多情况下造成了巨大的能量浪费。

　　本文旨在利用三维CFD数值模拟和实验方法,开发出一种一体化的、低压损、宽量程比的流量测量装置。论文首先对标准孔板进行了三维的数值模拟,选取典型通径DN40,流速1 m/s,雷诺数为40000。模拟结果如图2a,通过模拟结果可以看出,流体在板前一定区域范围内开始往中间收缩,并在板后形成一股射流;板前后存在死区与大涡流区,这是造成永久压力损失的主要因素。此外,孔板前的流体流动状态直接影响板后的射流区域,当流速降低时,孔板迫使流体的强制收缩能力下降,因此板后并不存在明显射流,此时C随着雷诺数的减少而增加,导致了C的非线性偏移,如图2a所示。