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 化學工程學院，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，先根據設計標準計算出多級限流孔板的基本結構參數。在此基礎上，基于Fluent的Standard-湍流模型，建立了流體的三維數值計算模型，對降壓作用最大的第一級限流孔板（MHO-1）的壓降1進行了調查。數值計算結果表明：等間距布孔時，MHO-1、第二級限流孔板（MHO-2）的孔中心距分別為28 mm、30 mm時，1最大；MHO-1上孔中心距不變時，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；數值計算；壓降

限流孔板在管道中可作為節流元件用來限定流量和降低壓力，許多學者關注到了孔板幾何結構對壓降的影響。Barros Filho J A等[1]研究了節流孔坡度對壓降的影響，并得到較大坡度壓降較大的結論。李琳等[2-3]采用Standard湍流模型，分析孔板間距和雷諾數對管路局部阻力的影響，研究表明：隨著雷諾數的增大，局部阻力會增大，最后會趨于一個定值，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]研究了節流孔前后倒角對多孔孔板流量計流場特性的影響，得到節流孔前倒角是影響永久壓力損失的關鍵因素，節流孔后倒角對尾流流場具有調整作用的結論。K H Yau等[5]研究了開孔率對壓降和流動穩定性、均勻性的影響，開孔率為0.5的較0.7的壓降大，但流動穩定性較差。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和流出系數進行比較，發現開孔較少、有中心孔以及環形分布的孔板壓損系數更小，流體流動特性更穩定，但未考慮孔板級數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部流場流動特性，并從原理上分析了產生壓降的主要因素，最后得出孔中心距對壓降性能的影響規律。

1 計算模型

1.1 幾何模型

表1為工況條件，根據標準[7]，得到如表2的主要計算結果。

表1 工況條件

孔板的基本幾何結構如圖1所示，（b）～（e）表示了MHO-1、MHO-2、MHO-3、MHO-4的布孔方式，其中d下標第一個數字代表MHO-，表示中心距，表示其他孔與中心孔的層數，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目隨機選擇，研究工作將會非常復雜[6]，節流孔的分布多為對稱分布[6,8-9]，所以本文布孔方式為：根據開孔數目，布孔盡可能對稱，選擇矩形或環形分布，如圖1（b）（c）所示。

表2 設計結果

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

圖1 孔板的基本幾何結構

基于計算結果和布孔方式，采用UG軟件建立了多級限流孔板的流體計算域的三維幾何模型，并使用ICEM CFD進行結構性網格劃分。

1.2 FLUENT求解器設置

如圖1（a）所示，設定壓力進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；由于介質為氣體，密度較小，因此忽略重力選項，物性設置為ideal-gas；壓力與速度耦合選用SIMPLE；動量離散方式選用Second Order Upwind；湍流模型采用Standard模型，Standard模型中的5個常數采用c＝0.9、1＝1.44、2＝1.92、σ＝1.0、σ＝1.3[10]。

2 結果分析

為了便于數據對比、分析，將沿著軸的壓力p和沿以入口處為坐標原點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目較少，每級限流孔板的孔中心距數目為2。等間距是指在MHO-上d1＝d2＝const，否則為非等間距。由于壓降主要發生在MHO-1、MHO-2，尤其是MHO-1的壓降1，因此本文重點分析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，流體流經孔板后，節流孔內發生壓力驟降，這是由于充滿管道的流體流經孔板時，流體在孔板節流孔處收縮，流速增加，流體靜壓降低，會在孔板兩側產生很大的壓差。

2.2 MHO-1上等間距時孔中心距大小對壓降?p1的影響

因為靠近MHO-2入口處的流體壓力又開始發生劇烈變化，所以圖3、4和表3、4中壓力數據來自于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的大小）下P隨著Z的變化曲線為例，可以看出P先驟減，然后恢復。這是由于運動流體的慣性，流經節流孔后保持原來的流動方向，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，壓力逐漸升高，直至流體充滿管道，壓力恢復到最大值，研究模型MHO-1、MHO-2板間距不足以使流體得到完全恢復，又由于孔在孔板上分散分布，根據文獻[11]中的雙股射流理論，流體流經多孔限流孔板后在管道中形成受限性多股射流，多股射流間形成會聚區，最終合二為一進入聯合區。此外，由于卷吸現象的存在，會聚區內形成射流間回流區，各股射流間回流區中有大量的漩渦存在，導致了永久壓損。契合了圖3中同一曲線上P最大恢復值小于Z＝0時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，當布孔間距為28－28－30－30時，(P)min＝0.299，此時1最大。當布孔間距為34－34－30－32時，(P)min＝0.431，此時1最小。隨著MHO-1、MHO-2上孔中心距的增大，壓力恢復時波動在逐漸減小，這說明多孔孔板上孔中心距在一定范圍內增大時，會使得流體分布更加均勻，減少了渦流的形成和湍流摩擦，降低了動能損失，流動穩定性增強，在相同的計算條件下，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MHO-1上孔中心距固定不變且MHO-2上等間距時，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時前者1較后者減少16.27%；當等間距的MHO-2上孔中心距固定不變時，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時前者1較后者減少12.37%。當非等間距的MHO-2上孔中心距固定不變時，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時除外；當MHO-2上非等間距且MHO-1上孔中心距不變時，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，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，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，當布孔間距為30－32－30－30時，(P)min＝0.376，此時1最小，當布孔間距為30－32－34－34時，(P)min＝0.442，此時1最大。

表3 等間距時，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MHO-1上孔中心距固定不變時，MHO-2布孔由等間距轉變為非等間距后，兩種布孔間距的壓力曲線非常接近，如布孔間距30－32－30－30變為30－32－30－32，但是MHO-2布孔由非等間距轉變為等間距后，兩種布孔間距的壓力曲線間隔較遠，如布孔間距由30－32－30－32變為30－32－32－32。

從表4可以看出，當MHO-1上孔中心距固定不變時，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時除外；當MHO-2上孔中心距固定不變時，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，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時前者較后者2c2增大了2 mm、1減少了0.57%。

表4 非等間距時，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，通過適當縮減d2的大小，可以有效地避免孔落在對數值計算求解精度要求較高的湍流邊界層內。

3 結論

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

（3）當MHO-1上孔中心距不變時，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。

[1]Barros Filho J A，Santos AA C，Navarro MA，et a1. Effect of chamfer geometry on the pressure drop of perforated plates with thin orifices[J]. Nuclear Engineering and Design，2015（284）：74-79.

[2]白兆亮，李琳. 有壓管道中孔板相對間距對局部阻力系數的影響及其機理研究[J]. 水電能源科學，2015，33（1）：177-182.

[3]李琳，白兆亮. 有壓管道孔板局部阻力相鄰影響系數研究[J]. 水電能源科學，2016，34（5）：107-109，97.

[4]于洪仕，張濤，許文達. 節流孔倒角對多孔孔板流量計流場特性的影響[J]. 電子測量與儀器學報，2015，29（9）：1356-1364.

[5]Yau K H，Kua E C，Balvinder S. Numerical investigation of a thick plate restriction orifice on the pressure drop performance[J]. Materials Science and Engineering，2017（243）：209-215.

[6]王慧鋒，凌長璽. 幾何特征對多孔板特性的影響[J]. 華東理工大學學報（自然科學版），2015，41（5）：677-685.

[7]HG/T 20570.15－95，管路限流孔板的設置[S]. 1996.

[8]于洪仕，張濤，葛利俊. 多孔孔板流出系數和壓力損失的影響因素[J]. 化工自動化及儀表，2016，43（1）：20-22.

[9]周乃君，向衍，余亞雄. 多孔均流式流量計的結構設計與特性仿真[J]. 儀表技術與傳感器，2015（5）：50-52.

[10]劉向紅，羅毓珊，王海軍. 孔板對載流管道中流致振動的影響分析[J]. 核動力工程，2013，34（S1）：132-135，144.

[11]董志勇. 射流力學[M]. 北京：科學出版社，2005：98-108.

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

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

王天豪（1995－），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向為流體機械；吉華（1972－），男，四川武勝人，博士，副教授，主要研究方向為流體機械。