平衡流量计流动特性数值计算分析

孟洋　李华奇　尹涛

【摘 要】本项目选取DN50平衡流量计和孔板流量计为研究对象，通过CFX数值计算对比两种流量计的流动特性，平衡流量计孔板背面涡流明显减少，因此阻力减小、精度提高、稳定段缩短。本文详细介绍了数值计算流场区域、网格划分和物理模型等内容，对计算结果进行充分分析。

【关键词】平衡流量计；数值计算；DN50

【Abstract】This program researches the DN50 balanced flow meter and the orifice flow meter， and compares flowing characteristic between them by CFX. The eddy of balanced flow meter reduces obviously， therefore the resistance of balanced flow meter is lower， the precision is higher， and the steady tube is shorter than the orifice flow meter. This text detailedly introduces the numerical calculations flowing area、grid plotting、physical model and so on， and fully analyses the result of numerical calculation.

【Key words】Balanced flow meter； Numerical calculation； DN50

0 引言

由于平衡流量计相比于孔板流量计具备精度高、量程比宽、前、后稳定段短、压损低、长期稳定、耐赃污、适用性广等多项优点，现已广泛应用到美国天然气、炼油、气体行业、化工厂、钢铁厂、发电厂等各个行业，是一种具有广阔应用前景的节能仪表[1]。

传统节流装置只有一个流体流通孔径，孔两边的死区产生大量的涡流消耗流体的动能，会导致很大的压力损失，随机和杂乱涡流所形成的噪声引起取压点信号波动，使测量线性度和重复性降低，单孔结构需要很长的前、后稳定段来整理流场和恢复压力。

平衡流量计对传统节流装置进行了极大的改进，变单孔为多孔结构，具有能平衡调节流场的显著特征。平衡流量计设计有多个函数孔径，能巧妙实现流体平衡测量，明显减少涡流的形成、降低死区效应、减少流体动能的损失、降低涡流带来的取压点信号波动[1]。

本文采用数值计算方法对平衡流量计内部流动特性进行研究，并与孔板流量计内部流动特性进行对比，检验其在平衡调节流场及流量测量方面的性能优势，以CFX为设计工具开展平衡流量计前期研究，为试验模型设计奠定基础。

1 数值模拟分析

1.1 计算模型和条件

平衡流量计节流板上开孔所遵循的原则有两条：

1）平衡流量计开孔面积比的平方根与普通孔板流量计直径比β相同[2]；

2）流体流过每个孔的平均流速相等。

开孔策略包括：开孔数量、开孔位置、开孔大小，具体选取需要根据DN值、β值调整。

设计确定DN50、β=0.5的平衡流量计节流板开孔图见图1（a），为了初步验证开孔原则及策略的合理性，在保持β值不变前提下，改变多孔板开孔大小，见图1（b），将两种开孔方式计算结果进行比较。

选取DN50平衡流量计和DN50孔板流量计为研究对象，直径比β都取为0.5，节流板厚度依照孔板流量计设计标准都取为2.5mm[2]，由于孔板流量计只是作为对比研究，简化节流板中心孔φ25，其末端不倒角。

平衡流量计节流孔板从中心到边缘共布置三排孔，孔板前后均为DN50直管段，节流孔板孔边缘结构为直角，实现双向测量，不易磨损，β值可长期保持不变，大大延长检定周期，节省检定费用[1]。平衡流量计流场计算区域见图2。

在确定了计算区域后进行计算网格划分。在CFX10.0前处理软件ICEM中给出了多种可用的网格形式，有四面体网格、三棱柱体网格、六面体网格等。孔板流量计和平衡流量计流场区域均采用四面体非结构化网格进行划分，提高工作效率。根据内部流道尺寸相应的设定四面体网格大小，针对一般工程计算，保证流道截面沿直径方向划分10个网格节点即可保证计算精度，以此为网格划分方法在整个流场区域内合理的设定网格大小。孔板流量计和平衡流量计节流孔板处的网格划分对计算结果影响最为敏感，这两处的网格划分适当加密。

网格对计算结果的影响是很大的，所以对于网格需要特别进行敏感性分析，本研究主要通过在孔板流量计和平衡流量计节流孔板区域加密网格进行比较，讨论网格对计算结果的敏感性分析。对于孔板流量计，由于内部流场较紊乱、涡流较多，因此网格细化对于计算收敛没有作用，为了节省计算时间，最终数据处理采用网格较粗、计算达到收敛的结果。平衡流量计网格加密前后计算均达到收敛，网格加密前后计算结果对比见表1，网格加密前后对计算结果影响仅有0.8%，可采用加密前网格进行计算。

ICEM完成几何造型和网格划分后，再进入CFX10.0-Pre中，进行流体物性参数和边界条件的定义，同时确定计算物理模型。选取常温下的水（25℃）作为流体介质，参考压力设定为1.0MPa，其密度、粘度采用CFX数据库中对应默认值。进行边界条件定义时，所有未指定的面均作无滑移固体表面处理，入口面和出口面需要特别指定，入口边界条件给定为入口平均流速，计算工况见表2。入口湍流强度采用中等强度5%；出口边界条件给定为等压面，其值取为0Pa。

由于计算流量覆盖范围对应流体流动状态均为湍流，且流道结构无特殊性，计算物理模型选取常用的k-ε双方程湍流模型。在对一阶迎风收敛与高精度收敛计算结果对比后，发现差压计算结果最大偏差不超过3%，数值计算收敛方式均采用一阶迎风（upwind），收敛残差为1×10-4。

1.2 计算结果与分析

1.2.1 平衡流量计节流孔板流速分布

通过后处理程序CFX10.0-Post对计算结果进行分析处理，平衡流量计入口流速2.4m/s工况下，从内到外1、2、3排孔的孔内平均流速分别为9.5m/s、9.6 m/s、9.6 m/s，因此平衡流量计节流孔板开孔方式满足平衡流量计设计原则：即流体流过每个孔的平均流速相等。节流孔板开孔方式无需调整，可直接应用于试验模型设计。

孔径变化后从内到外1、2、3排孔的孔内平均流速分别为9.75m/s、9.64m/s、9.43m/s，通过比较得出：多孔板孔径变化会直接影响到流速分布。原开孔方式更佳。

1.2.2 孔板流量计与平衡流量计流动特性对比

流量计节流孔板前后的涡流会导致差压测量波动性较大和重复性不佳，进而影响流量计测量精度。在流量计入口流速2.4m/s工况下，计算得到的孔板流量计和平衡流量计节流孔板前后涡流图见图3。

由图3可见，相比于孔板流量计，平衡流量计节流孔板变一孔为多孔后，涡流明显减少，死区范围缩小，流线也随之平坦，这些变化有利于获取高质量差压信号，巧妙实现流体平衡测量，提高流量计测量精度。流量计多种入口流速工况计算结果对比表明：流线和漩涡大小不随流量计流量大小变化而变化，因此无论流量大小，差压测量受涡流影响不可避免。

平衡流量计孔径变化后涡流增加，且流线明显更为弯曲。涡流增加对差压测量产生不利因素，流线弯曲会增加平衡流量计的前后稳定段长度，因此原开孔方式更佳。

流体流经节流孔板后，需要一定长度的稳定段使流动充分发展，稳定的流场利于获取稳定的差压信号，孔板流量计和平衡流量计节流孔板前后全压分布云图见图4。

由图4可见，孔板流量计需要10D的后稳定段来稳定流场，而平衡流量计大约只需要1D的后稳定段即可使流体充分发展，因此平衡流量计所需前、后稳定段长度相比于孔板流量计可大幅缩短。平衡流量计孔径变化后需要的后稳定段大致为4D，说明原开孔方式更佳。

1.2.3 孔板流量计与平衡流量计阻力系数、流出系数C对比

平衡流量计在角接取压和法兰取压两种取压方式下，圆周方向存在三个取压位置，详见图5。不同取压位置对压力测量存在影响，以角接取压为例，表3分别列出三种取压位置计算结果。

计算结果表明A、C取压位置压力基本相等，B取压位置压力不等，但A、B、C位置得到的差压基本一致，由于数值计算无法获得压力测点的稳定性，最终取压位置的确定尚需试验验证。

数值计算得到孔板流量计和平衡流量计阻力系数分别为：24.2、16.9，可见在相同β值下，平衡流量计阻力系数是孔板流量计的70%，在节能方面具备优势。

在量程范围1～56m3/h内，平衡流量计角接取压、法兰取压流出系数C分别为0.202、0.235，不同取压方式对流出系数C存在明显影响。平衡流量计具体的取压方式还有待试验验证。

平衡流量计流出系数C随雷诺数Re增大而增大，是由于平衡流量计有效减少涡流，测压点处涡流对压力影响远远小于孔板流量计，去除涡流影响后，根据流出系数计算公式，其趋势和阻力系数变化正好相反，计算数据吻合了这种趋势。平衡流量计流出系数C随雷诺数Re增大而增大的变化趋势也与西安交大《多孔板流量测量的实验研究》试验数据相吻合[4]。平衡流量计阻力系数随雷诺数Re增大而减小，变化趋势也与真实情况相吻合。

2 结论

数值计算表明，平衡流量计阻力系数是孔板流量计的70%，具备节能优势。相比与孔板流量计，平衡流量计需要的前、后稳定段更短，流线更平坦，且流经节流孔板产生的涡流大幅减少，这些因素能有效提高平衡流量计测量精度。

平衡流量计流场符合设计构想，通过不同开孔方式计算结果对比，初步验证了开孔原则和策略的合理性。平衡流量计具体取压方式及取压位置有待试验验证。试验模型可依照平衡流量计计算流场区域进行设计。

【参考文献】

[1]于杰.多孔平衡节流装置应用特点及工程考虑[J].医药工程设计，2008，5.

[2]GB/T 2624—93 流量测量节流装置用孔板、喷嘴、文丘里管测量充满圆管的流体流量[S].

[3]张家庆，王波，等.标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟[J].试验流体力学，2008，6.

[4]马太义，王栋等.多孔板流量测量的实验研究[J].核动力工程，2010，4.

[责任编辑：汤静]