摘要(yao):本文分析(xi)了孔闆流(liu)量計的結(jie)構,其工作(zuo)原理屬差(cha)壓流量計(ji)範疇,從仿(pang)真角度對(dui)孔闆流量(liang)計進行瞬(shun)态分析,得(de)出“壓差-流(liu)量點🔴”、“壓差(cha)開方根-流(liu)✔️量點"的拟(ni)合方程,流(liu)量值x;與壓(ya)差開方根(gen)yi的線性關(guan)系;随着流(liu)量的逐漸(jian)增大,壓差(cha)差值呈增(zeng)大的✏️趨勢(shi).且流體介(jie)質的分子(zi)量越大,k系(xi)數越小;相(xiang)較于對稱(cheng)偏離,偏離(li)程度的大(da)小對h系數(shu)的影💋響不(bu)穩定,呈🧑🏾‍🤝‍🧑🏼先(xian)增大後減(jian)小、再增大(da)波浪線上(shang)升的趨勢(shi),沒有嚴格(ge)的規律而(er)🆚言。
0引言
　　孔(kong)闆流量計(ji)是根據伯(bo)努利公式(shi),利用流體(ti)在流動過(guo)程中遵守(shou)能量守恒(heng)定律,即動(dong)能和靜壓(ya)能之和不(bu)變,以流體(ti)通🏃🏻‍♂️過節流(liu)作🔞用的孔(kong)闆時産生(sheng)壓差的💜原(yuan)理而進行(hang)測量,廣泛(fan)應用于石(shi)油、化工、冶(ye)金、電力、供(gong)熱供水👅等(deng)領域的過(guo)程控制和(he)測量。”
　　目前(qian),CFD仿真手段(duan)是比較熱(re)門的方法(fa),廣泛應用(yong)于産品設(she)計、優化參(can)數。采用solidworks軟(ruan)件建立DN150标(biao)準孔闆流(liu)量計幾何(he)模型,基于(yu)CFD軟件對此(ci)狀态下孔(kong)闆流量計(ji)内部流場(chang)進行數值(zhi)模拟分析(xi);等應用FLUENT流(liu)體仿真軟(ruan)件,對空氣(qi)經過孔闆(pan)前後的壓(ya)力和速度(du)進行仿真(zhen)研究;'應用(yong)計算流體(ti)力學軟件(jian),對不同結(jie)構參數的(de)孔闆流量(liang)計進行數(shu)值模拟;運(yun)用CFD方法,在(zai)Fluent軟件中采(cai)用标📱準k-e模(mo)型和離散(san)相模型對(dui)孔闆内濕(shi)天然氣流(liu)動進📧行模(mo)拟，将模拟(ni)結果與NEL實(shi)驗數🛀🏻據進(jin)行驗證;(5]趙(zhao)奇等以計(ji)算流❄️體力(li)學(CFD)爲工具(ju),模拟了标(biao)準孔闆流(liu)量計與一(yi)類兩通道(dao)非标準孔(kong)闆流量計(ji)的内部流(liu)場;[6]李過房(fang)自主開發(fa)了孔闆流(liu)星計流場(chang)的數值模(mo)拟軟🥰件,詳(xiang)細分析軟(ruan)件收斂的(de)條件,并給(gei)出了在層(ceng)流和湍流(liu)條件下㊙️流(liu)出系數的(de)計算結果(guo);采用計算(suan)流體力學(xue)(CFD)模拟方法(fa)對孔闆流(liu)動進行了(le)較準确的(de)預測;等采(cai)用CFD模拟方(fang)法,确定了(le)單相非牛(niu)頓流體的(de)流量系數(shu)與雷諾數(shu)(比0.4.0.6和0.8)的關(guan)系,并對不(bu)同濃度的(de)非🈲牛🌂頓流(liu)體的流量(liang)系數♌進行(hang)了分析。
　　此(ci)外,孔闆流(liu)量計作爲(wei)差壓流量(liang)計範疇,流(liu)經孔闆的(de)🈚流量與🏃‍♀️節(jie)流件前後(hou)壓差開方(fang)根成一定(ding)的線性㊙️關(guan)系😍,存在h系(xi)數,但很少(shao)有人對k系(xi)數的影響(xiang)因子進㊙️行(hang)分析🚶‍♀️,本文(wen)将✉️從以下(xia)幾個方面(mian)去探讨不(bu)同楔角大(da)小、不同流(liu)體介，質不(bu)同偏離情(qing)況對壓差(cha)及k系數的(de)影響,爲在(zai)實際檢測(ce)、使用及産(chan)品設計等(deng)領域提⛱️供(gong)參考。
1孔闆(pan)流量計結(jie)構與工作(zuo)原理
1.1孔闆(pan)流量計結(jie)構
　　孔闆流(liu)量計屬于(yu)差壓流量(liang)計範疇,作(zuo)爲一個節(jie)流件,使上(shang)下遊♊産生(sheng)壓力差，主(zhu)要分爲标(biao)準孔闆和(he)非标準孔(kong)闆(錐形人(ren)口孔闆、1/4圓(yuan)孔闆、偏心(xin)孔闆、圓缺(que)孔闆、多孔(kong)‼️孔闆等🥰)。其(qi)結構簡單(dan),如圖1所示(shi)㊙️:D爲管道内(nei)徑,d爲孔闆(pan)内徑,E爲孔(kong)闆🐇厚度,e爲(wei)節流孔厚(hou)度。其中d≥12.5mm,出(chu)口🌂楔角φ在(zai)30°~60°之間💃，e在(0.005~0.02)D之(zhi)間,E在e~0.05D之間(jian)。
 
1.2工作原(yuan)理
　　孔闆流(liu)量計工作(zuo)時，是将孔(kong)闆與多參(can)數差壓變(bian)送👨‍❤️‍👨器(或差(cha)壓變送器(qi)、溫度變送(song)器及壓力(li)變送器)配(pei)套組成的(de)差壓流量(liang)裝置,可測(ce)量氣體、蒸(zheng)汽、液體等(deng)介質的流(liu)量,孔闆流(liu)量計的流(liu)量公式爲(wei):
 
式中:qv---流過(guo)孔闆流量(liang)計的體積(ji)流量,m³/h;
C---流出(chu)系數,通過(guo)标準流量(liang)實驗裝置(zhi)檢定.得到(dao);
ε---膨脹系數(shu),當被測介(jie)質爲液體(ti)時,ε=1可忽略(lue),當被測介(jie)質爲氣體(ti)時,因介質(zhi)可壓縮,ε爲(wei)小于1的數(shu)值,需要經(jing)過研究方(fang)能得☁️到;
m---流(liu)通截面與(yu)管道截面(mian)之比,僅與(yu)孔闆流量(liang)計相關🐉幾(ji)何參數有(you)關;
D--管道内(nei)徑,m;
△p---孔闆節(jie)流件前後(hou)産生的差(cha)壓，由差壓(ya)變送器測(ce)量得到,Pa;
ρ---被(bei)測流體密(mi)度,kg/m³。
因此C、ε、m、D、ρ爲(wei)常數,設:
 
　　由(you)式(3)可知,流(liu)過孔闆流(liu)量計的體(ti)積流量與(yu)節流件前(qian)🐕後壓差的(de)開方根呈(cheng)線性關系(xi),且經過原(yuan)點。
2仿真理(li)論與試驗(yan)方案設計(ji)
2.1模型建立(li)
　　本文三維(wei)模型建立(li)由SolidWorks2020完成,根(gen)據上文1.1中(zhong)有關要求(qiu),初步設計(ji):D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學(xue)模型。
2.2仿真(zhen)理論分析(xi)[2]
　　計算流體(ti)動力學基(ji)本思想是(shi)把原來在(zai)時間域及(ji)空間域上(shang)連續的物(wu)理量的場(chang)(速度場、壓(ya)力場等),用(yong)一系列有(you)♈限個💃離散(san)點上✏️的變(bian)量值的集(ji)合來代替(ti),通過一定(ding)的原則和(he)方式建立(li)起關于這(zhe)些離散點(dian)上場變量(liang)之間關系(xi)的代數方(fang)⭕程組,然後(hou)求解方程(cheng)組獲得場(chang)變量的近(jin)似值。
2.3試驗(yan)思路
　　通過(guo)仿真分析(xi):一是研究(jiu)流體介質(zhi)在管道内(nei)的流動狀(zhuang)态,根據2.1相(xiang)關參數建(jian)立模型,滿(man)足“前十後(hou)五”直🔴管段(duan)🏃‍♀️要求,進行(hang)瞬時動态(tai)分析,研究(jiu)壓力、流速(su)的分布及(ji)變化規律(lü);二是研🔞究(jiu)不同楔角(jiao)φ對k系數及(ji)節流件前(qian)後壓👈差的(de)影響🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,分别(bie)取ψ爲30°、40°、45°、50°,60°條件(jian)下k系數的(de)變化規律(lü);三是研究(jiu)不同流體(ti)🔞介質對h系(xi)數的影響(xiang),分别取流(liu)體介質爲(wei)空氣、水、天(tian)然氣❤️等對(dui)k系數的影(ying)響;四是根(gen)據上下遊(you)管道夾持(chi)孔闆形成(cheng)👨‍❤️‍👨偏心狀态(tai),研究孔闆(pan)對中性對(dui)h系數的影(ying)響等。
3仿真(zhen)分析
3.1瞬态(tai)分析
　　根據(ju)2.1參數設計(ji),建立模型(xing);分析類型(xing)選擇内部(bu),排出内🍓部(bu)不具備流(liu)動條件的(de)腔,物理特(te)征選擇瞬(shun)态分析,分(fen)析總🐕時間(jian)設定爲2s,輸(shu)出時間步(bu)長設定爲(wei)0.02s;進行🍉瞬态(tai)分析選擇(ze)流體介質(zhi)爲空氣,入(ru)口流量分(fen)别選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等(deng)16個流量點(dian);如圖2所示(shi),上、下遊取(qu)壓口壓差(cha)随着⭕人口(kou)流量的增(zeng)大呈增大(da)趨勢;設x爲(wei)各流量點(dian).單位🏒爲m³/h,yw爲(wei)各流量點(dian)對應的上(shang)/下遊🈚取壓(ya)口壓差值(zhi)、單位爲Pa,y爲(wei)xix0.5、單位爲Pa0.5。
 
　　瞬(shun)态分析如(ru)圖3所示,以(yi)了解孔闆(pan)流量計在(zai)進行工作(zuo)時,介質的(de)🙇🏻流動狀态(tai)及壓力、速(su)度實時分(fen)别情況。設(she)定進口流(liu)量爲100m³/h,出口(kou)壓力條件(jian)爲标準大(da)氣壓、溫度(du)爲20℃;孔闆流(liu)量計的結(jie)構設計造(zao)成氣流通(tong)道變窄(管(guan)道突然變(bian)徑),氣流進(jin)入管道短(duan)時間(0.005s)内上(shang)遊取壓🚶‍♀️口(kou)壓力突然(ran)增大,空氣(qi)流🍓動加劇(ju),下遊管道(dao)壓力突然(ran)間變小形(xing)成負壓區(qu),但壓力分(fen)布不明顯(xian),僅在孔闆(pan)口周圍形(xing)成不同壓(ya)力分層;下(xia)遊管道壓(ya)力出現明(ming)顯分層、且(qie)逐漸趨✏️于(yu)穩定。
 
　　根據(ju)仿真數據(ju)得出“壓差(cha)-流量點”、“壓(ya)差開方根(gen)-流量🔴點”的(de)拟合方程(cheng),分别爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
　　由(you)于孔闆流(liu)量計工作(zuo)原理屬差(cha)壓流量計(ji)範疇,流量(liang)值xi與壓❓差(cha)開方根yi存(cun)在線性關(guan)系,通過變(bian)形可得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
　　則(ze)通過自定(ding)義設置截(jie)距爲0,xi=24.533yi,即系(xi)數k=24.533。
3.2不同楔(xie)角φ對h系數(shu)、壓差差值(zhi)的影響
　　根(gen)據2.1參數設(she)計，建立模(mo)型,其他條(tiao)件不變，隻(zhi)改變楔角(jiao)的大小，分(fen)别取φ爲30°、40°.45°、50°、60°條(tiao)件下k系數(shu)的變化規(gui)律;仿真流(liu)程如3.1所述(shu)。得✔️到結果(guo)如🌐圖4所示(shi),不同楔角(jiao)下，“壓差開(kai)方根-流量(liang)點✊”均呈理(li)想線性關(guan)系(R2=1),圖㊙️像幾(ji)乎是重⁉️合(he)的,說明楔(xie)角對h系數(shu)影響較小(xiao);線性關系(xi)分别爲:
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令(ling)截距均爲(wei)零,則楔角(jiao)30°、40°、45°、.50°.60°對應的系(xi)數k分别爲(wei):24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通過計算(suan),不同楔角(jiao)條件下,仿(pang)真壓差與(yu)計算壓差(cha)基本一緻(zhi)❌,如⭐圖5所示(shi)，
 
　　不難發現(xian):整體來看(kan),不論楔角(jiao)是哪一種(zhong)情況，在50m³/h以(yi)内的流💃量(liang)下,差值基(ji)本--緻,且均(jun)接近于0;随(sui)着流量的(de)🏃🏻‍♂️逐漸增大(da),壓差差值(zhi)呈增大的(de)趨勢;楔角(jiao)40°和楔角45°條(tiao)件下，差值(zhi)變化趨勢(shi)基本緻,且(qie)偏離方向(xiang)一緻;楔角(jiao)☔50°與楔角60°條(tiao)件下，差值(zhi)基本重合(he)🙇🏻,且偏離方(fang)向一緻;楔(xie)😄角30°對差值(zhi)的影響最(zui)大,在流量(liang)爲500m³/h時,達到(dao)最大值1.94Pa。流(liu)量400m³/h是差值(zhi)的“拐點”，當(dang)楔角爲40°、45°時(shi)🛀,差值最大(da),之後差值(zhi)開始降低(di);當楔角爲(wei)30°、50°、60°時，差值開(kai)始突然變(bian)大。
3.3不同流(liu)體介質對(dui)h系數的影(ying)響
　　爲了研(yan)究不同介(jie)質對k系數(shu)的影響,本(ben)文選擇氣(qi)态水、空氣(qi)、甲烷等三(san)種氣體作(zuo)爲流體介(jie)質進行單(dan)因素試驗(yan)仿真，取楔(xie)角爲45°等其(qi)他參數因(yin)素不變進(jin)行仿真,結(jie)果如圖6所(suo)示;三種不(bu)同介質條(tiao)件下，壓差(cha)與流量的(de)關系分别(bie)爲:
 
　　由于孔(kong)闆流量計(ji)工作原理(li)屬差壓流(liu)量計範疇(chou)，流量值xi與(yu)壓差開方(fang)根yi存在線(xian)性關系,根(gen)據3.1分析,氣(qi)态📞水、空氣(qi)、甲烷等♻️三(san)種氣體作(zuo)爲流體介(jie)質對應的(de)系📐數h:分别(bie)爲31.407、24.533.33.304;綜上😍所(suo)述,流體介(jie)質不同,壓(ya)🈲差與流量(liang)、壓差開方(fang)根與流量(liang)的變化趨(qu)勢一緻,但(dan)不‼️同流體(ti)介質對應(ying)的k系🔞數卻(que)相差很大(da)。
 
　　根據三種(zhong)氣體介質(zhi)的分子量(liang)分别爲18(H20)、29(空(kong)氣)、16(CH4),與k系數(shu)的對應關(guan)系如圖7所(suo)示;流體介(jie)質的分子(zi)量越大,h系(xi)數越小;随(sui)着分子量(liang)的增大、h:系(xi)數逐漸減(jian)小。
3.4孔闆對(dui)中性對k系(xi)數的影響(xiang)
　　本文孔闆(pan)對中性是(shi)指在安裝(zhuang)孔闆或實(shi)驗室檢定(ding)孔闆時,孔(kong)闆孔口的(de)中心線與(yu)管道中心(xin)線--緻程度(du),将上述中(zhong)心線的偏(pian)離距📱離作(zuo)爲試驗因(yin)子;如圖8所(suo)🔴示,偏離分(fen)爲對稱偏(pian)離(DCPL)和偏離(li)(PL)兩種;分别(bie)取偏離距(ju)離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔角(jiao)👣爲45°,介質爲(wei)空氣進行(hang)仿真實驗(yan)等。
 
　　如圖9所(suo)示,仿真結(jie)果顯示:不(bu)論哪種偏(pian)離情況壓(ya)差與流量(liang)的關⭐系曲(qu)線(變化趨(qu)勢)是一緻(zhi)的,且幾乎(hu)是重合的(de),并随着流(liu)量的不斷(duan)增大,壓差(cha)也不斷成(cheng)增大趨勢(shi);根據3.3中🌏流(liu)量值xi與壓(ya)差開方根(gen)👅yi存在線性(xing)關系,得出(chu)不⁉️同偏離(li)情況下對(dui)應的k系數(shu),對稱偏離(li)的情況下(xia),随着偏離(li)程度的增(zeng)大h系數呈(cheng)增大趨勢(shi);相較于對(dui)稱偏離,偏(pian)離程度的(de)大小對h系(xi)數的影響(xiang)不穩定,先(xian)增大後減(jian)小再增大(da)波浪線📱上(shang)升的趨勢(shi),沒有嚴格(ge)的規律而(er)言㊙️;因此,在(zai)使用或檢(jian)定👈孔闆流(liu)量🌐計時,--定(ding)要保證對(dui)中性，這樣(yang)檢出來的(de)數據才有(you)意義。
4結論(lun)
　　通過建模(mo)進行仿真(zhen)實驗得出(chu)以下結論(lun):
(1)分析了孔(kong)闆流量計(ji)的結構,其(qi)工作原理(li)屬差壓流(liu)量計範疇(chou)，推導出流(liu)量值xi與壓(ya)差開方根(gen)yi之間存在(zai)線性關系(xi),且通過原(yuan)點。
 
(2)完成對(dui)孔闆流量(liang)計瞬态分(fen)析,得出“壓(ya)差-流量點(dian)”、“壓差開方(fang)根-流量點(dian)”的拟合方(fang)程,根據.流(liu)量值xi與壓(ya)差開方根(gen)yi的線性關(guan)系🈲,通過自(zi)定義設置(zhi)截距爲0,得(de)出h系數。
(3)不(bu)同楔角φ對(dui)h系數、壓差(cha)差值的影(ying)響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對(dui)應的系數(shu)✏️k分别爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不(bu)💔論楔角是(shi)哪一種情(qing)況,在50m³/h以内(nei)的流量下(xia),差🏃‍♂️值基本(ben)一緻,且💁均(jun)接近于0;随(sui)着流量的(de)逐漸增大(da),壓差差值(zhi)呈增大的(de)趨勢。
(4)氣态(tai)水、空氣、甲(jia)烷等三種(zhong)氣體作爲(wei)流體介質(zhi)對應的系(xi)數k分别爲(wei)31.407、24.533.33.304;且流體介(jie)質的分子(zi)量越大,k系(xi)數越小;随(sui)着分子量(liang)的增大.h系(xi)數逐漸減(jian)小。
(5)不論哪(na)種偏離情(qing)況,壓差與(yu)流量的關(guan)系曲線(變(bian)化🐉趨勢)是(shi)☂️一.緻的,且(qie)幾乎是重(zhong)合的，并随(sui)着流量的(de)不🔞斷增🐆大(da),壓差也不(bu)斷成增大(da)趨勢;但在(zai)對稱偏離(li)的情況下(xia)❄️,随着偏離(li)程度的增(zeng)大k系數呈(cheng)增大趨勢(shi);相✨較于對(dui)稱偏離,偏(pian)離程度的(de)大小對h系(xi)數的影響(xiang)不穩定,先(xian)增大後減(jian)小再增大(da)波浪線上(shang)升的趨勢(shi),沒🛀有嚴格(ge)的規律而(er)言。
　　綜上所(suo)述,在設計(ji)孔闆流量(liang)計時,一定(ding)要考慮流(liu)量範圍🚶及(ji)楔角🌈大小(xiao)的選擇兩(liang)個重要因(yin)素;在使用(yong)時,-定要保(bao)證🚶對中性(xing),這樣得出(chu)的數據才(cai)有意義。另(ling)外🌈,在對孔(kong)闆流量✊計(ji)(差壓㊙️流量(liang)計)進行檢(jian)測時,出.具(ju)證書一定(ding)要✏️給出檢(jian)定介質,用(yong)戶🐅在使用(yong)時，一定要(yao)注意檢定(ding)用介💃🏻質與(yu)實際流體(ti)介質的差(cha)别,适時進(jin)行修正,才(cai)能保🌈證流(liu)量計的性(xing)能準确結(jie)算科學,以(yi)免帶來不(bu)必要的麻(ma)👅煩等。

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