流体动力学软件在孔板测量中的应用

　　为测量不同条件下各种不同被测介质的流量,至今已发展了种类繁多的流量仪表,一般可分为如下10大类[1-2]:①差压式流量计;②浮子式流量计;③容积式流量计;④叶(涡)轮式流量计;⑤电磁流量计;⑥流体振荡式流量计;⑦超声流量计;⑧热式流量计;⑨科里奥利质量流量计;⑩明渠流量计.这些方法虽然测量范围宽、使用方便,但也容易受到介质的流动状态和环境条件的影响[3].以孔板、喷嘴和文丘里管为代表的节流式差压流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表,约占流量仪表总数的一半以上,成功地应用于工业领域已愈百年[4].

　　随着实际问题的需求以及计算机技术的飞速发展和高速巨型计算机的出现,利用计算机进行流量测量的方法应运而生.计算流体动力学(ComputationalFluid Dynamics,简称CFD)正是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的.

　　CFD软件现已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具,成功应用于水利、航运、海洋、环境、食品、流体机械与流体工程等各种技术科学领域.过去只能靠实验手段才能得到的某些结果,现在已完全可以借助CFD模拟来准确获取[5-6].

　　目前比较好的CFD软件有: Fluent、CFX、hoenics、Star-CD等. CFX软件是CFD领域的重要软件平台之一,目前应用较为广泛. CFX具有精确数值处理、稳健快速求解、先进网格技术、物理模型丰富、CAD处理工具强大等许多优点,因此它被广泛应用于石化、能源、防火安全、冶金、环保、航空航天、机械、汽车、生物技术、水处理等领域[7-8].把CFX软件应用到已经逐步走向成熟的流量测量领域不仅有助于改进工程设计,而且还会节省实验工作量,是今后发展的一个重要方向.

　　1　孔板流量计的流量测量原理

　　孔板流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的流量仪表.它结构简单、工作可靠、成本低廉、又具有一定准确度,能满足工程测量的需要.同时它也是国内外研究最早、最细、试验数据最多、使用经验最丰富、标准化程度最高的计量手段,加之结构简单、牢固,易于复制,通用性强,价格低廉,从而获得了相当广泛的应用.

　　1·1　孔板流量计的组成

　　孔板流量计由标准节流装置、导压管、差压计(压差传感器)和显示仪表组成.其组成框图如图1所示.

　　1·2　流量测量原理

　　如果在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件,则管内流速在通过该节流件时就会造成局部收缩.在收缩处,流速增加,静压力降低,因此,在节流件前后将产生一定的压力差[9-10].实践证明,对于一定形状和尺寸的节流件,在一定的测压位置和前后直管段及一定的流体参数情况下,节流件前后的差压Δp与流量qm之间满足下面的函数关系[11]