新型差压式多孔孔板流量计的应用研究

  孔板流量计是一种典型的差压式流量计，它主要通过检验测试孔板前后的压力差来测量管道中的流量。由于其结构设计简单，无活动部件，可靠耐用，安装维护方便，在工业上得到了广泛的应用。在当前工业生产里，孔板流量计常用于气体、液体和水蒸气的流量测量。然而，由于流体流经孔板时的摩擦效应和边界层分离现象，标准孔板流量计面临着压力损失大和测量精度低的问题。此外，由于标准孔板流量计对上游流体状态的变化很敏感，它一般适用于充分发展的流动，常常要很长的上游直线管道，这也在某些特定的程度上限制了它的使用。为了更好的提高孔板流量计的性能，多孔孔板流量计在工业中被慢慢的变多的应用。

  2004年，美国国家航空航天局下属的马歇尔航空飞行中心提出一种新型差压式多孔孔板流量计，并在火箭设计中获得了应用。这种新型流量计具有对称的多孔结构，它不但继承了标准孔板流量计结构相对比较简单、无运动部件等优点，且能够平衡调整流场，减少涡流、降低死区效应 以及减少流体动能的损失。

  多孔孔板流量计相较于标准孔板流量计有着更优异的性能，其需要更少的上游管道，能耗低，还可以提供更加精确的流体流量测量。然而，多孔孔口排列的不确定性和复杂的几何特征使其结构设计和优化变得极为复杂，这极大地限制了其的应用。为了更好地设计多孔孔口流量计，国内外学者进行了广泛的研究并取得了一定的成果。Ma 等通过实验研究了多孔孔板作为一种新型节流装置的流量系数、压力损失、抗漩涡性能等特点。Zhao 等提出了多孔孔板的分类方案并进行了实验模拟。Malavasi 等测试了孔数、尺寸、厚度和雷诺数对多孔孔板压降的影响。

  Huang等对一个特定的多孔孔板进行了实验，并与标准孔板进行了比较。Singh等使用计算流体动力学模拟研究了多孔孔板的流动状态。马有福等使用数值方法研究了多孔板的孔数和厚度对压力损失系数的影响。Mehmood等使用中心复合设计和计算流体力学来评估孔数、直径比和板厚度对压力损失系数的影响。结果显示，压力损失系数是直径比的强函数，流量系数随着孔数的增加而改善。陈虹等采用数值方法研究了孔板倒角对平衡型低温流量计工作性能影响，他们发现适当开设前倒角可以有效提升流量计的工作性能。而开设后倒角对流量计性能的影响较小。

  虽然近年来国内外学者对多孔孔板进行了大量的理论和实验研究，但多孔孔板流量计目前还没有一个通用的设计和使用标准。本研究的最大的目的是研究多孔孔板结构参数对孔板流量计性能的影响。首先，通过与同尺寸规格的标准流量计对比，分析了多孔流量计的流场特性。然后，对具有相同板厚和直径比、不同孔数( N=3，4，5，6)和间隙比( Cr=0.4，0.5，0.6，0.7)的16个多孔孔板进行CFD分析。以压力损失系数、流量系数和压力恢复长度为主要性能参数，分析了孔数和孔分布对多孔孔板流量计性能的影响。研究结果可为多孔孔板流量计的结构设计和优化提供参考。