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进出口条件对多孔板活动特性影响
发布时刻:2019-05-16

摘要:对不同进出口条件下液氮经多孔板活动特性进行了数值模仿与剖析,首要研讨了进口温度和出口压力对多孔板流出系数和压力丢失系数的影响,以探究用做多博狗博彩时的安稳作业区域。成果表明,进口温度和出口压力不影响安稳区雷诺数下限值、安稳区内均匀流出系数值和均匀压力丢失系数值;安稳区雷诺数上限值随出口压力下降而减小,随进口温度下降出现先添加后减小的现象;跟着雷诺数进一步增大,流出系数将在空化区出现另一个安稳区域。
1导言
  多博狗博彩承继了规范博狗博彩结构简略牢靠、无运动部件等长处,并且能够平衡调整流场,在流体(尤其是低温流体)流量丈量范畴具有宽广的使用远景。当液体特别是低温液体流经多孔板时,节省降压进程或许导致空化的发作,发作的气液两相流会使流体活动阻力添加,流出系数和压力丢失系数不再坚持安稳,然后对流体流量丈量进程构成不安稳要素。
  在流量丈量使用中,常用流出系数、压力丢失系数等目标来衡量多博狗博彩的功能,许多研讨作业也环绕多孔板的结构参数,如开孔直径、孔板厚度、孔的散布等对这两个目标的影响打开[1-5],其间Malava-si等[3-4]和田红等[5]研讨发现孔板压力丢失和流出系数随雷诺数增大会出现非安稳、安稳和空化3个区域。流体温度和压力是影响空化的重要要素。Chen等[6]在对液氮水翼空化进行模仿剖析时提出,温度及温度相关物理性质对低温空化有重要影响。叶超等[7]对单孔板的水力空化现象进行了数值模仿,研讨发现进口压力越大,流量越大,空化效应越显着。一起,温度和压力作为重要的操作参数,它们的改变也或许会影响流量计的功能。Malavasi等[3]曾在对水经多孔板活动的试验研讨中说到,压力丢失安稳区间的上限值会随压力改变。因而,研讨温度和压力对多孔板活动功能影响具有必定重要意义。而现有的关于多孔板的研讨大多选用常温流体为工质,对低温流体的使用还需进一步探究,故本研讨将结合低温流体打开。
  本文选用数值模仿的办法,以低温液氮为工质,研讨进口温度和出口压力对多孔板活动功能的影响,剖析在不同进口温度和出口压力工况下,多孔板的流出系数和压力丢失系数随雷诺数的改变规则,探究流量计安稳区域规模,进而为多孔板在流量丈量方面的使用供给理论参阅。
2功能目标
  流出系数C为经过孔板节省设备的实践流量值与理论流量值之比,一般由试验丈量取得,流出系数的巨细以及是否安稳是衡量博狗博彩的重要目标,其表达式如下[8]:

  式中:qv为流体的体积流量,m3/s;β为等效直径比,其值为孔板开孔总面积与管道截面积比值的开方;D为管道内径,m;ρ为流体密度,kg/m3;Δp为孔板两头测得的压差,Pa。
  经过数值模仿依据环室取压的办法[9]取得压差Δp后,由式(1)即可确认流出系数C.
  跟着雷诺数Re的增大,流出系数C将阅历从不安稳到安稳以及再到不安稳(空化)的进程[5],将流出系数从不安稳转为安稳的临界雷诺数界说为雷诺数下限值Rec,L,将由安稳再到不安稳(空化)的临界雷诺数界说为雷诺数上限值Rec,H,Rec,L与Rec,H之间的区域则为流出系数安稳区,即多博狗博彩能够安稳作业的区域。流出系数安稳区间规模由式(2)确认:

  式中:Ci为核算得到的安稳区间各流出系数值,C为安稳区间均匀流出系数。
  关于博狗博彩,别的一个重要目标参数是流体经过节省孔板后存在的永久压力丢失,标志了流体能量的耗费。在实践使用中也经常用一个无量纲压力丢失系数ζ来衡量流量计的压损特性[8],其相关的核算式为:

  式中:Δω是永久压力丢失,其值为孔板上游1D与下流6D场所测得的静压之差,Pa;u为均匀流速,m/s。
3模型与验证
3.1物理模型与网格区分
  研讨选用的多孔板三维物理模型如图1所示,其间管道直径D为50mm,多孔板结构为中心开孔(d=12mm)的等孔径孔板,孔板厚度为6.35mm,等效直径比β为0.6788。上下流直管段长度别离为10D和15D,进出口边界条件别离设置为速度进口和压力出口。
  网格区分时,将整个核算区域分为上游区、中心区(多孔板上游1D和下流2D规模内)和下流区,均选用六面体网格方式,中心区内网格较密,沿上游区和下流区方向逐突变疏,并操控相邻网格间份额小于1.4。经网格无关性验证,挑选数量约为120万的网格进行核算。
3.2数值模型与验证
  经核算,液氮在管内活动时雷诺数一般在104及以上,归于湍流规模。一起为了对节省降压进程或许出现的空化现象进行描绘,本文选用了根据混合模型(mixturemodel)的两相流根本操控方程,并引入了Realizablek-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型。其间,Realizablek-ε模型相关于Standardk-ε模型在核算流线激烈曲折及有涡流的活动时精度有比较重要的改善[10],已被广泛使用于湍流核算,而Schnerr-Sauer空化模型具有杰出的鲁棒性和快速收敛性,当气泡数密度设置为108时,能够很好地用于液氮、液氢等低温流体的空化进程[11]。
  以Hord低温流体空化试验中编号为283C液氮水翼[12]的试验数据以及Huang等[2]试验中编号为No.12的多孔板试验成果来验证上述挑选的模型能够合理地描绘低温流体空化进程以及多孔板的活动进程。图2给出了水翼压力p和温度T随壁面散布的模仿值和试验值,考虑到Hord压力和温度的丈量误差别离为6900Pa和0.2K,能够以为模仿与试验成果吻合度较好。图3给出了流出系数C的模仿成果和试验成果的比照状况,在小雷诺数非安稳区相对偏差均小于4%,在安稳区相对偏差均小于2%。因而,上述挑选的核算模型能够较好地满意本文模仿需求,将被用于后续核算。
4成果与剖析
  经过FLUENT流体核算软件,选用上述的物理模型和数值模型,以液氮为工质流体,研讨不同的进口温度和出口压力对多孔板活动功能的影响。相应的液氮物性由REFPROP软件供给。
4.1不同进口温度影响
  坚持出口压力(pout=0.20MPa)不变,对不同进口温度(Tin=70.36、72.36、74.36、76.36、77.36、78.36、79.36和81.36K)下液氮经多孔板的活动进程进行了模仿核算。相应工况下流出系数C和压力丢失系数ζ的改变状况如图4所示,在不同工况下,跟着Re增大,C和ζ都出现出低雷诺数不安稳区、安稳区和空化不安稳区3个区域,当进入到空化区时,不同进口温度对应的安稳区间雷诺数规模有所差异。经核算(如表1所示),不同进口温度下的C和ζ根本相同,Rec,L也根本安稳在2.5×105左右,可是Rec,H随进口温度改变有所不同,从81.36K时的最小值14.112×105到74.36K时的最大值18.056×105。

多孔博狗博彩系数模仿成果
  未发作空化时,影响C和ζ的要素首要是流速缩短系数和孔板部分阻力系数[5],这两个要素在Re小于104—105时会跟着Re改变,而当Re大于105时根本坚持不变[13]。因而,C和ζ随Re增大会有一个从不安稳到安稳的进程,该进程由孔板结构和Re决议而不受温度的影响,Rec,L根本坚持不变。而Rec,H本质上是因为节省后流体出现空化导致的,空化引起的气液两相流添加了活动阻力,使C下降,ζ增大。空化的发作与流体的物性有关,流体温度越高,对应的蒸腾压力越高,空化越简单发作,Rec,H减小。进一步调查发现,当进口温度高于液氮沸点77.36K时,过热程度越大,Rec,H越小,且C和ζ的改变越剧烈;而当进口温度低于液氮沸点77.36K时,Rec,H跟着过冷度的增大先增大后减小。对pout=0.15MPa工况相同进行了模仿核算,成果发现C和ζ也出现出了与0.20MPa时类似的改变状况,可是从增大转向减小趋势的临界过冷度有所区别,0.20MPa时在过冷度3K时到达最大Rec,H,而在0.15MPa时在过冷度5K时到达最大Rec,H,即当出口压力较低时,使流量计安稳作业的雷诺数区间规模最佳所需的过冷度更大。


  如图5所示,将原横坐标雷诺数Re改为液氮进口速度u后发现,安稳区间的临界速度值跟着过冷度的增大一向呈增大趋势,并无先增大后减小的现象。

  雷诺数的界说式为Re=ρuD/μ,其间管道直径D坚持不变,u为流体速度,流体密度ρ和动力粘度μ为流体的物性,两者均随温度的增大而减小,但改变规则不完全共同。由此可知,在过冷度逐步增大的进程中,C和ζ随Re改变不同于其随u改变是由温度引起的液氮物性的不同改变所导致的。
4.2不同出口压力影响
  坚持进口温度Tin为77.36K不变,对不同出口压力(pout=0.15、0.20和0.25MPa)工况进行模仿核算。如图6和表2所示,跟着出口压力改变,Rec,L动摇较小,安稳在2.4×105左右,C和ζ也根本相同,但Rec,H随出口压力的上升而增大,存在十分显着的差异:在0.15MPa时为12.544×105,在0.20MPa时为16.934×105,而在0.25MPa时到达了21.638×105。


  从低雷诺数不安稳区到安稳区,未发作空化,C和ζ只跟Re和孔板结构有关,所以该进程亦不随出口压力的改变而改变。而跟着Re添加,流体的湍流强度加大,流场中各点的压强脉动增强,使某些点上低于空化临界压力的概率添加,空化易于发作。对多博狗博彩而言,出口压力的改变会直接影响流量计内部流场的压力散布。相同雷诺数下,下降出口压力,孔板上游压力也随之下降,经节省降压后更简单小于对应的饱和压力而发作空化,Rec,H也就越小。
4.3空化安稳区现象
  进一步加大Re后发现,流出系数C除了低雷诺数不安稳区、安稳区和空化不安稳区3个区域以外,还存在一个空化安稳区(如图7所示)。此刻流出系数将到达另一个安稳值,且其相同简直不随进口温度和出口压力的影响。在该区域,流体到达了超空化状况[14],随流速添加,下流取压面上压力维持在饱和压力不变,qv与Δ槡p构成另一线性关系,故流出系数又到达安稳,而空化加重导致压力丢失继续增大。

5定论
  选用数值模仿的办法研讨了多博狗博彩使用于低温流体液氮流量丈量的功能特征,侧重探讨了进口温度和出口压力对其首要功能参数流出系数和压力丢失系数的影响,并得出如下定论:
(1)安稳区雷诺数下限值Rec,L和均匀流出系数C以及均匀压力丢失系数ζ均由多孔板结构决议,不随进口温度和出口压力改变。
(2)进口温度和出口压力会影响空化生成,然后影响安稳区雷诺数上限值Rec,H。恰当下降进口温度和进步出口压力,能够增大多博狗博彩安稳作业区间的雷诺数规模。
(3)随Re增大,流出系数C在低雷诺数不安稳区、安稳区和空化不安稳区等3个区域之后还存在一个空化安稳区。

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