孔中心距對限流孔板壓降的影響

王天豪，吉華，李倩，段宗幸，吳孫珂

孔中心距對限流孔板壓降的影響

王天豪，吉華，李倩，段宗幸，吳孫珂

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

為研究多級限流孔板（MHO）中布孔的中心距對壓力降的影響，先根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出多級限流孔板的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，基于Fluent的Standard-湍流模型，建立了流體的三維數(shù)值計(jì)算模型，對降壓作用最大的第一級限流孔板（MHO-1）的壓降1進(jìn)行了調(diào)查。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：等間距布孔時(shí)，MHO-1、第二級限流孔板（MHO-2）的孔中心距分別為28 mm、30 mm時(shí)，1最大；MHO-1上孔中心距不變時(shí)，只改變等間距布孔的MHO-2上第1層孔中心距2c1和第2層孔中心距2c2，2c1的變化比2c2的變化對1的影響更加明顯；總體趨勢是1隨著MHO-1、MHO-2上孔中心距的增大而減小。

限流孔板；孔中心距；數(shù)值計(jì)算；壓降

限流孔板在管道中可作為節(jié)流元件用來限定流量和降低壓力，許多學(xué)者關(guān)注到了孔板幾何結(jié)構(gòu)對壓降的影響。Barros Filho J A等[1]研究了節(jié)流孔坡度對壓降的影響，并得到較大坡度壓降較大的結(jié)論。李琳等[2-3]采用Standard湍流模型，分析孔板間距和雷諾數(shù)對管路局部阻力的影響，研究表明：隨著雷諾數(shù)的增大，局部阻力會(huì)增大，最后會(huì)趨于一個(gè)定值，對于一定的孔板間距范圍，兩孔板間距越小，影響越明顯，局部阻力越小。于洪仕等[4]研究了節(jié)流孔前后倒角對多孔孔板流量計(jì)流場特性的影響，得到節(jié)流孔前倒角是影響永久壓力損失的關(guān)鍵因素，節(jié)流孔后倒角對尾流流場具有調(diào)整作用的結(jié)論。K H Yau等[5]研究了開孔率對壓降和流動(dòng)穩(wěn)定性、均勻性的影響，開孔率為0.5的較0.7的壓降大，但流動(dòng)穩(wěn)定性較差。王慧鋒等[6]針對單級孔板，在孔中心距和等效直徑比一定的情況下，對不同孔分布的壓損系數(shù)和流出系數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)開孔較少、有中心孔以及環(huán)形分布的孔板壓損系數(shù)更小，流體流動(dòng)特性更穩(wěn)定，但未考慮孔板級數(shù)以及孔板上孔中心距對壓降性能的影響。

本文基于Fluent軟件的Standard湍流模型，研究了多級限流孔板的內(nèi)部流場流動(dòng)特性，并從原理上分析了產(chǎn)生壓降的主要因素，最后得出孔中心距對壓降性能的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

表1為工況條件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[7]，得到如表2的主要計(jì)算結(jié)果。

表1 工況條件

孔板的基本幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，（b）～（e）表示了MHO-1、MHO-2、MHO-3、MHO-4的布孔方式，其中d下標(biāo)第一個(gè)數(shù)字代表MHO-，表示中心距，表示其他孔與中心孔的層數(shù)，如1c1表示是MHO-1第一層鄰近孔與中心孔的中心距。如果孔板開孔分布和數(shù)目隨機(jī)選擇，研究工作將會(huì)非常復(fù)雜[6]，節(jié)流孔的分布多為對稱分布[6,8-9]，所以本文布孔方式為：根據(jù)開孔數(shù)目，布孔盡可能對稱，選擇矩形或環(huán)形分布，如圖1（b）（c）所示。

表2 設(shè)計(jì)結(jié)果

表中：MHO-（＝1,2,3,4）為第級孔板；δ為MHO-厚度；sn為MHO-直徑；z為孔板各個(gè)連接件長度；z為MHO總體長度；n為MHO-的數(shù)目；hn為MHO-上的節(jié)流孔孔徑。

圖1 孔板的基本幾何結(jié)構(gòu)

基于計(jì)算結(jié)果和布孔方式，采用UG軟件建立了多級限流孔板的流體計(jì)算域的三維幾何模型，并使用ICEM CFD進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分。

1.2 FLUENT求解器設(shè)置

如圖1（a）所示，設(shè)定壓力進(jìn)口邊界條件和壓力出口邊界條件p；壁面采用無滑移條邊界件；由于介質(zhì)為氣體，密度較小，因此忽略重力選項(xiàng)，物性設(shè)置為ideal-gas；壓力與速度耦合選用SIMPLE；動(dòng)量離散方式選用Second Order Upwind；湍流模型采用Standard模型，Standard模型中的5個(gè)常數(shù)采用c＝0.9、1＝1.44、2＝1.92、σ＝1.0、σ＝1.3[10]。

2 結(jié)果分析

為了便于數(shù)據(jù)對比、分析，將沿著軸的壓力p和沿以入口處為坐標(biāo)原點(diǎn)的軸向距離化為無量綱形式，Z＝/(1＋1＋2)，P＝p/p。

由于研究過程中所涉及的孔板開孔數(shù)目較少，每級限流孔板的孔中心距數(shù)目為2。等間距是指在MHO-上d1＝d2＝const，否則為非等間距。由于壓降主要發(fā)生在MHO-1、MHO-2，尤其是MHO-1的壓降1，因此本文重點(diǎn)分析MHO-1、MHO-2上孔中心距對1的影響。所研究的三維模型中3c1＝3c2＝45 mm、4c1＝4c2＝50 mm固定不變，只改變MHO-1、MHO-2上孔中心距的大小。

2.1 流場壓力分布

如圖2所示，流體流經(jīng)孔板后，節(jié)流孔內(nèi)發(fā)生壓力驟降，這是由于充滿管道的流體流經(jīng)孔板時(shí)，流體在孔板節(jié)流孔處收縮，流速增加，流體靜壓降低，會(huì)在孔板兩側(cè)產(chǎn)生很大的壓差。

2.2 MHO-1上等間距時(shí)孔中心距大小對壓降?p1的影響

因?yàn)榭拷麺HO-2入口處的流體壓力又開始發(fā)生劇烈變化，所以圖3、4和表3、4中壓力數(shù)據(jù)來自于Z∈[0～0.8]。

圖2 MHO-1前、后靜壓

以圖3中孔中心距為28－28－30－30（依次表示1c1、1c2、2c1、2c2的大?。┫?i>P隨著Z的變化曲線為例，可以看出P先驟減，然后恢復(fù)。這是由于運(yùn)動(dòng)流體的慣性，流經(jīng)節(jié)流孔后保持原來的流動(dòng)方向，在孔板出口形成最小流束收縮截面，此處流速最大，壓力最低。之后流束漸擴(kuò)，壓力逐漸升高，直至流體充滿管道，壓力恢復(fù)到最大值，研究模型MHO-1、MHO-2板間距不足以使流體得到完全恢復(fù)，又由于孔在孔板上分散分布，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的雙股射流理論，流體流經(jīng)多孔限流孔板后在管道中形成受限性多股射流，多股射流間形成會(huì)聚區(qū)，最終合二為一進(jìn)入聯(lián)合區(qū)。此外，由于卷吸現(xiàn)象的存在，會(huì)聚區(qū)內(nèi)形成射流間回流區(qū)，各股射流間回流區(qū)中有大量的漩渦存在，導(dǎo)致了永久壓損。契合了圖3中同一曲線上P最大恢復(fù)值小于Z＝0時(shí)n的值。

如圖3所示，隨著MHO-1、MHO-2上孔中心距的增大，(P)min在逐漸增大，且曲線上平緩處與(P)min的差值在逐漸減小，當(dāng)布孔間距為28－28－30－30時(shí)，(P)min＝0.299，此時(shí)1最大。當(dāng)布孔間距為34－34－30－32時(shí)，(P)min＝0.431，此時(shí)1最小。隨著MHO-1、MHO-2上孔中心距的增大，壓力恢復(fù)時(shí)波動(dòng)在逐漸減小，這說明多孔孔板上孔中心距在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，會(huì)使得流體分布更加均勻，減少了渦流的形成和湍流摩擦，降低了動(dòng)能損失，流動(dòng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，在相同的計(jì)算條件下，永久壓力損失要低一些。

圖3 MHO-1等間距布孔對?p1的影響

為了比較孔中心距對1的影響，定義p為壓降比r＝1/i。

從表3可以看出，當(dāng)MHO-1上孔中心距固定不變且MHO-2上等間距時(shí)，1隨著2c1、2c2的增大而減小，如布孔間距為28－28－34－34和28－28－30－30時(shí)前者1較后者減少16.27%；當(dāng)?shù)乳g距的MHO-2上孔中心距固定不變時(shí)，1隨著MHO-1上孔中心距的增大而減小，如布孔間距為34－34－30－30和28－28－30－30時(shí)前者1較后者減少12.37%。當(dāng)非等間距的MHO-2上孔中心距固定不變時(shí)，1隨著MHO-1上孔中心距的增大而減小，布孔間距為30－30－32－34時(shí)除外；當(dāng)MHO-2上非等間距且MHO-1上孔中心距不變時(shí)，1隨著MHO-2上孔中心距的增大而減小。在等間距的MHO-1上孔中心距不變的情況下，只改變等間距的MHO-2上2c1和2c2兩者任一的大小，2c1的變化比2c2的變化對1的影響明顯的多，如布孔間距為30－30－30－32和30－30－32－32時(shí)，前者較后者2c1減小了2 mm、1增大了3.86%，但是布孔間距為30－30－32－34和30－30－32－32時(shí)，前者較后者2c2增大了2 mm、1減少了0.32%。

2.3 MHO-1上非等間距時(shí)孔中心距大小對壓降?p1的影響

如圖4所示，MHO-2上孔中心距的增大，(P)min在逐漸增大且曲線上平緩處與(P)min的差值在逐漸減小，當(dāng)布孔間距為30－32－30－30時(shí)，(P)min＝0.376，此時(shí)1最小，當(dāng)布孔間距為30－32－34－34時(shí)，(P)min＝0.442，此時(shí)1最大。

表3 等間距時(shí)，MHO-1的rp值

圖4 MHO-1非等間距布孔對?p1的影響

如圖4所示，當(dāng)MHO-1上孔中心距固定不變時(shí)，MHO-2布孔由等間距轉(zhuǎn)變?yōu)榉堑乳g距后，兩種布孔間距的壓力曲線非常接近，如布孔間距30－32－30－30變?yōu)?0－32－30－32，但是MHO-2布孔由非等間距轉(zhuǎn)變?yōu)榈乳g距后，兩種布孔間距的壓力曲線間隔較遠(yuǎn)，如布孔間距由30－32－30－32變?yōu)?0－32－32－32。

從表4可以看出，當(dāng)MHO-1上孔中心距固定不變時(shí)，1隨著MHO-2上孔中心距的增大而減小，布孔間距為32－34－30－30時(shí)除外；當(dāng)MHO-2上孔中心距固定不變時(shí)，1隨著MHO-1上孔中心距的增大而減小，布孔間距為30－32－34－34時(shí)除外；在非等間距的MHO-1上孔中心距不變的情況下，只改變等間距的MHO-2上2c1和2c2兩者任一的大小，2c1的變化比2c2的變化對1的影響明顯的多，如布孔間距為30－32－30－32和30－32－32－32時(shí)，前者較后者2c1減小了2 mm、1增大了4.79%，但是布孔間距為30－32－32－34和30－32－32－32時(shí)前者較后者2c2增大了2 mm、1減少了0.57%。

表4 非等間距時(shí)，MHO-1的rp值

在壓降要求誤差范圍較大和孔板上開孔直徑較大的情況下，通過適當(dāng)縮減d2的大小，可以有效地避免孔落在對數(shù)值計(jì)算求解精度要求較高的湍流邊界層內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）布孔間距對壓降的影響有所不同，總體趨勢是1隨著MHO-1、MHO-2上孔中心距的增大而減小。

（2）MHO-1上孔中心距同時(shí)為28 mm、MHO-2上孔中心距同時(shí)為30 mm時(shí)，(P)min＝0.299，此時(shí)1最大，壓降效果最好。

（3）當(dāng)MHO-1上孔中心距不變時(shí)，只改變等間距的MHO-2上第1層孔中心距2c1和第2層孔中心距2c2兩者任一的大小，2c1的變化比2c2的變化對1的影響更加明顯。

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Influence of Hole Center Distance on Pressure Drop of Restriction Orifice

WANG Tianhao，JI Hua，LI Qian，DUAN Zongxing，WU Sunke

( School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The aim is to study the influence of hole center distance on the pressure drop in the multi-stage restriction orifice (MHO). Firstly, the basic structural parameters of the multi-stage restriction orifice were calculated according to the design standard. Secondly, three-dimensional numerical fluid models were established on the basis of Fluent's Standard-turbulence model. The pressure drop (1) of the first-stage restriction orifice (MHO-1), which has the greatest impact on the pressure drop was investigated. The numerical calculation results show that when the equispaced hole center distance of MHO-1 and the second-stage restriction orifice (MHO-2) is 28mm and 30mm respectively, the1is maximal. When the hole center distance of MHO-1 is certain and the equispaced hole center distance of the first and the second stage of MHO-2 are changed,2c1has greater impact on1than2c2. The general trend is that1decreases when the hole center distance increases.

restriction orifice；hole center distance；numerical calculation；pressure drop

TH703

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.010

1006－0316 (2020) 02－0059－05

2019－08－12

四川大學(xué)德陽校市科技合作專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2018CDDY-S18-DY）、橫向項(xiàng)目（17H0784）

王天豪（1995－），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械；吉華（1972－），男，四川武勝人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械。