孔板流量計因其結(jié)構(gòu)簡單、耐用而成為目前際上標準化程度、應用為廣泛的種流量計,但也存在著流出系數(shù)不穩(wěn)定、線性差、重復性不等缺點。采用CFD數(shù)值模擬來分析研究管內(nèi)孔板類節(jié)流元件的相關(guān)流場在外已有數(shù)十年的歷史[1-5]。Sheikholeslami等人和Barry等人使用Fluent軟件模擬了孔板流量計工作性能隨著雷諾數(shù)、直徑比、管道表面粗糙度、上游旋渦以及上下游流動邊界條件的變化情況,在使用二維軸對稱模型的情況下,他們認為采用80×60的網(wǎng)格足以得到與經(jīng)驗數(shù)據(jù)相差在2%以內(nèi)的流出系數(shù)值[6-7]。美Texas A&M大學的Morri-son等人采用CFD對孔板流量計進行了參數(shù)化研究,并測量了孔板下游的流場[8-9];后來又采用實驗和CFD模擬對計量管內(nèi)部的粗糙度規(guī)格進行評定改進,認為可以通過CFD模擬來獲得任意雷諾數(shù)和管壁粗糙度下的管流通用速度分布圖[10]。挪威科技大學(NTNU)的Erdal等人采用Phonics軟件研究了充分發(fā)展流動條件下,單孔孔板下游的流場,并采用二維軸對稱模型分析討論了不同邊界條件、差分算法和湍流模型等對孔板前后流場模擬結(jié)果的響[11-12]。悉尼大學的Langrish等人利用CFX軟件中的標準湍流模型,模擬了三維軸對稱突擴管內(nèi)雷諾數(shù)達到105時的湍流流動情況[13]。2003年,美福公司的研究人員采用Fluent 6.0軟件模擬了汽車傳動液壓控制系統(tǒng)管路用孔板節(jié)流元件的流場,討論了流出系數(shù)與直徑比、孔板橫截面形狀、孔板軸向厚度、孔板出入口幾何形狀之間的關(guān)系[14]。

　　近5年來,內(nèi)些單位也開始圍繞孔板類節(jié)流元件的流場問題進行數(shù)值模擬研究[15-17]。但迄今尚無人利用商業(yè)CFD軟件專門針對孔板流量計的內(nèi)部流場進行系統(tǒng)分析,與相關(guān)經(jīng)驗公式進行對比討論,因此開展這方面的工作非常有必要。

　　1CFD模型及計算結(jié)果

　　1.1理論基礎(chǔ)

　　標準孔板流量計有D和D/2取壓、角接取壓和法蘭取壓等多種方式,其中D和D/2取壓法的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于壓縮流體的水平管流動,在忽略沿程摩擦阻力損失的情況下,根據(jù)流體流動的伯努利方程(能量守恒)和連續(xù)性原理。