基于差压式孔板流量计的缩径管段流场数值研究关键探索

基于差压式孔板流量计的缩径管段流场数值研究关键探索

程焕焕

绍兴市能源检测院   浙江绍兴  312000

摘要：在对差压式孔板流量计的缩径管段流场数值进行深入研究的过程中，需要对典型差压流量计的内部流程进行模拟分析。在实际研究中需要研究孔板流量计的具体情况，分析不同流体流速、不同介质粘度以及缩径管段对流场数值产生的不同影响。可以为开展差压式流量计设计和标定提供一定参考。

关键词：差压式孔板流量计；缩径管段；流场数值

前言

差压式流量计的数值模拟研究工作比较深入，但是目前在开展深入分析时，很少将数值模拟与理论经验进行有效结合，这导致对内部流场进行研究时存在一定不足。在本次研究中主要是以差压式孔板流量计为基础，通过ANSYS－CFX软件，根据相关计算公式开展缩颈管段流场数值分析，研究影响内部流程的各种因素。从而为实际工程操作提供可靠建议。

1差压式孔板流量计概述

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。在具体的应用过程中需要已知流体条件、检测件与管道的几何尺寸，保证流量测量结果的准确性。差压式流量计是以流体流动的节流原理，通过流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的，是当前流量测量过程中比较常用的方法。差压式流量计的应用时间比较长，当前比较常用的差压式流量计的类型有30多种。比较普遍、具有代表性的差压式流量计主要有孔板流量计、环形孔板流量计、V锥流量计以及经典文丘里管流量计。其中V锥流量计、孔板流量计是比较普遍的差压式流量计，在石油、化工、电力、冶金等行业均有所应用。在本次研究过程中，主要是以差压式孔板流量计为核心进行分析。

孔板流量计和V锥流量计都是以质量能量守恒定律为核心进行设计的。在介质充满管道后，流经缩径区域的过程中，流体受节流作用影响会出现局部收缩。在这种情况下，压缩部分会转变为动能形成明显的压降值，初始流速越大，节流形成的压降值也会越大。利用压降值监测结果，根据相关的公式可以对流体进行准确测量[1]。孔板流量计的结构比较简单，孔板入口锐角受冲蚀作用比较明显，会对测量精度产生负面影响。再加上孔板本身受结构限制，杂质会在孔板前堆积，量程比较小，会出现较大压力损失。V锥流量计的锥体在管段轴线上设计，流体节流收缩在椎体与壁面渐缩区域进行，可以弥补孔板流量计的缺陷。因此，在差压式孔板流量计应用过程中，会将其与V锥流量计进行联合使用。在V锥流量计使用时具有良好的防尘及抗污能力，锥体本身的边界层效应也可以减少锥体最大截面形成的冲蚀情况，流出系数在原设定值上可以保持不变。

2基于差压式孔板流量计的缩径管段流场数值要点

2.1不同流体流量的影响

在对流体流量产生的具体影响进行分析时，需要了解其对缩径管段流场分布产生的影响。在研究时需要建立模拟模型，管内径为100毫米，缩径孔的直径为50毫米，将水作为流动介质。考虑到在实际应用过程中，不同的流态中的介质流量会存在一定差异。因此，需要选择层流区、过渡区和紊流区的三个流量值进行模拟和计算。模拟时可以获取不同流量下的雷诺数、高低压时需要取压孔压降值、流出系数。通过计算可以获取理论值。模拟获取的流出系数以及理论编程计算值的吻合度比较高，尤其是在层流区，误差甚至在1.5%左右。数值模拟流出系数值比编程计算值更大，通过编程计算可以确定流量不断增加，流出系数会逐渐减少，层流区域递减速度比较快。模拟分析后，在层流区、紊流区的流出系数随着流体的流量增加出现降低趋势；但是在过渡区的流出系数随着流量增加而增加[2]。主要因为过渡区流态具有一定的不确定性，摩阻系数受粗糙度和雷诺数的影响比较大。

在本次模拟过程中出现的变化规律并不代表在其他模拟工况下仍然是该变化规律。还需要进行深入研究论证。在层流区流动系数的变化主要受这一流态下雷诺数变化幅度的影响。雷诺数变化比较迅速，会导致流出系数出现大幅度波动。这说明流量变化会导致流量系数出现变化。

2.2.不同介质黏度的影响

在不同介质黏度产生的影响研究，模拟的管内径为100毫米，缩径孔的直径为50毫米，流量为10m3/h。在研究时需要选择不同粘度值的典型管输流体进行数值模拟和计算对比。通过计算可以确定粘度不断增加，数值模拟和理论计算结果的变化规律相同。粘度增加，流出系数也会逐步上升。数值模拟获取的流出系数值比理论计算值更大，主要是因为理论计算值是以大量试验回归获取的经验公式。在试验中缩径孔污物沉积影响会对计算结果产生影响。因此，模拟值一般比理论计算值更大。但是两者误差保持在5%以内。在低黏度区域的误差相对较小，控制在3%以内。说明流出系数和输出介质的黏度存在密切联系。

2.3缩径管段冲蚀影响

在该影响因素研究时，需要对标准孔板流量计在不同相流领域中的管段冲蚀问题进行分析，建立的模型为稀相气固两相流作为基础。选择天然气的气速为10m/s，球形固相颗粒直径为50μm，密度为2000kg/m

3，固相流量为1kg/h。管长为5米，管内径为50毫米，截面比0.5。通过模拟确定固相颗粒在缩径孔上游可以在管段底部均匀沉积，流经缩径孔受节流加速的影响会出现峰值速度带。因此，固相颗粒对管段的最大冲蚀量并不是在孔板截面上发生的，主要是缩径孔下游峰值速度带和管段内顶部接触部分出现。

结束语

   经过以上研究可以获取以下结论：（1）在开展差压式孔板流量计数值模拟时，可以获取缩径管段内部的流场分布情况。数值模拟获取的流出系数变化规律与理论计算值的变化规律保持一致。流量变化会导致流出系数变化。（2）不同粘度的流体粘度增加会导致流出系数增加；（3）在不同相的流体经过缩径孔区域时，节流加速会促使速度峰值出现。

参考文献：

[1]牛亚琳,周宇仁,朱晨彬,等.差压式孔板流量计中各种因素对计量结果的影响[J].企业科技与发展,2022(004):000.

[2]王鹏,古丽尼沙·哈山,刘艳,等.基于流场仿真对孔板流量计k系数的影响因子分析[J].计量与测试技术,2022(003):049.

[3]王鑫慧,康鹏桂,周克媛,等.基于差压式流量计的大气总悬浮颗粒物采样器流量仿真研究[J].机电工程技术,2021,50(5):3.