两种湍流模型在多孔孔板流场数值计算中的比较.pdf

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1、第40卷第6期化工机械783两种湍流模型在多孔孔板流场数值计算中的比较赵珊珊¨张涛1(1．天津大学电气与自动化工程学院；2于洪仕1’2郑丹丹1辽宁工程技术大学电子与信息工程学院)摘要根据多孔孔板流量计的流场特点选择SST四方程和SSTk-to湍流模型对多孔孔板进行仿真计算，将流出系数计算结果与实流实验结果进行比较。结果表明：相时于SST^·∞湍流模型来说，SST四方程湍流模型更适合计算多孔孔板流量计的流场，而且雷诺数较小时计算精度较高。另外，多孔孔板流量计的环隙比接近1时流出系数线性度最好，达0．8％；环隙比远小于l时流出系数线性度最差．为3．

2、6％。关键词多孔孔板流量计流出系数湍流模型仿真中图分类号TH814文献标识码A文章编号0254-6094(2013)06-0783-06在流量测量领域，以节流装置为检测元件的差压式流量计应用范围广泛、使用成熟。标准孔板具有结构简单、易加工制造及价格低廉等优点，被广泛应用于石油、天然气等领域。然而在实际应用中，由于具体工况的限制和孔板自身机构的特点，标准孔板具有压损大、能耗高、量程比小、精度低及直管段要求高等诸多缺陷，越来越不能满足当代工业生产的需要。许多学者尝试在标准孑L板的基础上进行改进，设计出一种新型孔板——多孔孔板。多孔孔板既具有传统标准

3、孔板的优良特性，又克服了标准孔板的缺陷，具有测量精度高、重复性好、直管段要求低、永久压力损失低、量程比宽以及雷诺数使用范围广等优点¨’2’。近年来国内外学者对多孔孔板进行了研究，目前对多孔孔板的研究大多是基于实验和理论推导的方法，张吉礼和赵天怡日1根据正交理论设计了多孔孔板并进行试验，结果表明开孔率是影响多孔孔板节流特性的主效应因素，邓洁等¨-研究了不同几何尺寸的孔板作为水力空化发生器对空化数的影响，Reader．HarrisMJ等峥。对孔板的流出系数计算公式进行了进一步的研究，使其适用于低雷诺数和小直径孔板的计算。随着计算机性能的迅速提高，计

4、算流体力学(CFD)数值模拟已经成为研究节流式流量计的有力工具。陈家庆等拍。对不可压缩流体在不同流量、不同直径比、不同孔板轴向厚度和不同流动介质下的内部流场进行了数值模拟计算，结果表明随着结构参数和工作条件的改变，孔板的流出系数都会随之发生变化；徐英等¨1将CFD仿真和实流试验结合，探索不同等效直径比、不同前后锥角以及不同雷诺数等对流出系数的影响规律，发现内锥流量计的流出系数不仅和雷诺数有关，还与等效直径比和前后锥角相关。但是国内外尚没有针对多孔孔板数值模拟的研究。笔者将SSTk-to和SST四方程湍流模型应用于多孔孔板的数值仿真中，比较两种湍

5、流模型对多孔孔板流场模拟的适用性，同时研究不同环隙比对多孔孔板性能的影响。1多孔孔板的结构设计参数图1为一块在密封管道中同轴安装的多孔孔板，其等效直径比为卢。其中D。为中心节流孔的直径，D：为单圈环状排列孔的直径，D，为单圈环状排列孔圆心所在圆的直径，D为多孔孔板流量计的直径，d．为中心孔边缘与单圈环状排列孔边·赵珊珊，女，1988年9月生，硕士研究生。天津市，300072。784化工机械2013年缘的间距，d：为单圈环状排列孔边缘与管壁的间距。间距d。、d：和定义环隙比k的表达式为：如半(1)，D—D，一D2d：=—f。dlD3一Dl—D2忙

6、百2百万■万◎砸(2)(3)图1多孔孔板结构示意图3种多孔孔板的直径比均为0．6。孔板A的尺寸扭曲率控制在0．749以内，角度扭曲率控制结构参数为d。=4．50ram、d2=12．25ram、k=在0．8以内。0．367，孔板B的结构参数为d。=8．50ram、d：=2．2边界条件设置8．25ram、k=1．030，孔板c的结构参数为d。=管道入口为速度入口，出口为自由流出，管壁11．50ram、d：=4．25ram、k=2．700。为固壁边界，采用无滑移边界条件。其中入口参由于多孔孔板的孔分布是由中心孔和外围均考量选择湍流强度J=0．16Re

7、‘1朋和水力直径H=匀排列的孔组成的，因此中心孔与每个排列孔之100ram。间形成双股射流。同时，由于管壁的存在，每两个2．3湍流模型排列孔之间形成受限性双股射流，可见多孔孔板由于多孔孔板流量计采用壁面取压方式，要的流场十分复杂。节流孔的个数、等效直径比以求湍流计算模型对近壁区域有较好的计算效果，及孔间距等结构参数对孔板的性能影响很大，d。、同时多孔孔板的流场中存在大量的回流区，因此d：分别对中心孔和每个排列孔之间形成的双股要求湍流计算模型对漩涡和尾流有很好的预测效射流和每两个排列孔之间形成的受限性双股射流果，SSTJ

8、}一∞和SST四方程模型

9、均满足此条件。有重要影响，所以笔者定义环隙比k来综合考察由于管道中存在大量的漩涡，必定会形成一定的这两个参数对多孔孔板性能的影响。压力梯度，并且管道中