槽式孔板流场计算

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[摘 要]利用FLUENT单精度求解器，对管道内气液两相流体的二维流场进行仿真，利用槽式孔板作为一次节流元件，计算过程中使用空气/水两相流作为被测介质，进行两相流场的数值计算，最终获得气液两相流体通过孔板前后的压力和速度等值线图。

[关键词]FLUENT，槽式孔板，两相流，流场数值计算

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0128-01

近几十年随着工业现在化的发展，在天然气和石油的开采等众多领域出现了气液两相流，研究两相流的相关参数对于生产的安全和效率有及其重要的意义。

如图1是两相流实验装置图，实验工质为空气/水。两相流体流型充分发展后进入测量段，在测量段串联安装两块槽式孔板，测量孔板前端压力、两块孔板压差信号，即：上游孔板压差（dp1）、下游孔板压差（dp2）和流体温度，共四个参数。充满管道的流体流经管道内的槽式孔板装置，在孔板附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力差。在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。

参数测量方法：孔板前段压力测量采用压力变送器，取压点位于孔板上游；（dp1）和（dp2）测量采用压差变送器，两个孔板相距15D；流体温度测量采用热电阻温度变送器，变送器位于孔板下游5D处。图2为槽式孔板的基本结构，孔板的流通面积均匀分布在整个管道截面上，根据孔径比的不同，由若干圈径向分布的槽式小孔组成。本次实验中前后孔板的孔径比分别为0.4和0.75，孔奖燃扑愎式给出：

β：槽式孔板等效孔径比；Aslot：所有开孔面积；A：管道横截面积。节流装置前后的压差与多相流体的流量及相分率等因素有关，可根据下述关系式测出多相流体的质量流量：

Qm=ε（π/4）d2式中：Qm为混合物的质量流量，α为流量系数，ε为可压缩系数，d为孔板的开孔截面直径，P为流体通过槽式孔板前后压差，ρ为混合物密度

一、数值计算

（一）模型设定

使用fluent默认的2D求解器，选择K-β湍流模型。设定空气为不可压缩，空气从入口到出口段的时间非常短，不足以使其与外界发生热交换，克看作是绝热流体，因此本文没有求解能量方程。

（二）材料与操作条件设定

材料属性选择水-水蒸汽，材料密度0.5542kg/m3，材料动力黏度1.34×e-5，定压比热容2014J/（kg・℃），操作压力为101.325×107Pa。设置来流流体速度为Va=1（m/s）。内壁粗糙度厚度保持默认为0m，粗糙度常数Cs取默认0.5。

（三）后处理

（1）实验得到的压力云图如图2及速度矢量图如图3。

（2）标准孔板仿真实验

为分析槽式孔板流动特性，在同样的工况下，对标准孔板进行仿真实验，实验结果如图4和图5所示。

二、结论

本文利用计算流体力学理论，应用CFD的前置处理器Gambit和FLUENT软件，对槽式孔板的气液两相流动特性进行了数值模拟，通过与标准孔板对比，得出如下结论：

1）气液两相流体流经槽式孔板后的压力以及流速等流动特性恢复比标准孔板更为迅速。

2）气液两相流体流经槽式孔板前后的一段距离上压力平稳，取压范围宽，为取压带来了方便。

3）槽式孔板对下游直管段要求比标准孔板低，为取压带来了方便。