摘要(yao):針對(dui)孔闆(pan)流量(liang)計 測(ce)量精(jing)度及(ji)節能(neng)降耗(hao)的要(yao)求，對(dui)5種結(jie)構的(de)單孔(kong)闆進(jin)🈲行了(le)數⭐值(zhi)模拟(ni)研究(jiu)。進行(hang)了數(shu)值模(mo)拟與(yu)标準(zhun)孔闆(pan)實驗(yan)比對(dui),對🈲模(mo)拟🐉方(fang)法的(de)可靠(kao)性進(jin)行了(le)驗證(zheng)，在此(ci)基礎(chu)🏒上進(jin)一步(bu)完成(cheng)🌐了5種(zhong)結構(gou)10組流(liu)速下(xia)的數(shu)值研(yan)究。通(tong)過📞速(su)度矢(shi)量♍圖(tu)得出(chu)孔口(kou)後流(liu)态的(de)變化(hua);計🎯算(suan)流量(liang)系數(shu)，得出(chu)流量(liang)系數(shu)與雷(lei)諾數(shu)關系(xi)曲線(xian)、軸線(xian)距離(li)與壓(ya)力關(guan)系圖(tu)、壓差(cha)與雷(lei)諾數(shu)關系(xi)圖。結(jie)果🌐表(biao)明,5種(zhong)孔㊙️闆(pan)中外(wai)凹型(xing)孔闆(pan)流量(liang)計II因(yin)爲闆(pan)前緩(huan)沖段(duan)較爲(wei)理想(xiang),對流(liu)體🤞起(qi)到了(le)整流(liu)的作(zuo)用，減(jian)弱了(le)闆前(qian)流體(ti)死區(qu)的形(xing)成和(he)👣闆後(hou)渦流(liu)的形(xing)成,降(jiang)低💘了(le)孔㊙️闆(pan)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi),且流(liu)量系(xi)數大(da),随雷(lei)諾數(shu)增🛀🏻大(da)壓差(cha)增大(da)緩慢(man),壓力(li)恢複(fu)快。
　　孔(kong)闆流(liu)量計(ji)是常(chang)見的(de)測流(liu)量裝(zhuang)置，以(yi)連續(xu)性方(fang)程和(he)伯努(nu)利方(fang)🐕程爲(wei)理論(lun)基礎(chu)。流體(ti)在通(tong)過節(jie)流元(yuan)件時(shi),由于(yu)流通(tong)面積(ji)的❤️突(tu)然收(shou)縮促(cu)使流(liu)體加(jia)速，産(chan)生👅節(jie)流效(xiao)應,使(shi)孔📱闆(pan)前後(hou)産生(sheng)壓🔞差(cha),通過(guo)測量(liang)壓差(cha)從而(er)計算(suan)出管(guan)道中(zhong)的流(liu)量。節(jie)流元(yuan)件的(de)尺寸(cun)和結(jie)構的(de)不同(tong),會導(dao)緻測(ce)量精(jing)度、測(ce)量壓(ya)力、管(guan)徑範(fan)圍及(ji)流量(liang)系數(shu)随雷(lei)諾數(shu)變化(hua)關系(xi)的差(cha)異。選(xuan)擇或(huo)者設(she)計出(chu)較爲(wei)理想(xiang)的孔(kong)闆流(liu)量㊙️計(ji),是計(ji)量⛹🏻‍♀️行(hang)業發(fa)展的(de)需要(yao)。采用(yong)數值(zhi)模拟(ni)分析(xi)研究(jiu)管内(nei)孔闆(pan)🎯類節(jie)流元(yuan)件的(de)相關(guan)流場(chang)已有(you)數十(shi)年的(de)曆史(shi),采用(yong)ANSYSFluent軟件(jian),選擇(ze)5種✌️标(biao)準及(ji)非标(biao)準孔(kong)🏃‍♀️闆作(zuo)爲對(dui)象,爲(wei)非标(biao)準孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的與(yu)發展(zhan)提供(gong)一定(ding)依❓據(ju)。
1研究(jiu)模型(xing)
1.1幾何(he)模型(xing)
　　模拟(ni)5種不(bu)同孔(kong)闆形(xing)狀的(de)孔闆(pan)流量(liang)計，見(jian)圖1。
　　5種(zhong)孔闆(pan)均按(an)照ISO5167國(guo)際标(biao)準，确(que)定孔(kong)闆尺(chi)寸。根(gen)據相(xiang)關規(gui)定,孔(kong)闆節(jie)流元(yuan)件的(de)孔徑(jing)與孔(kong)闆通(tong)徑比(bi)值d/D=0.2~0.8;最(zui)小孔(kong)徑dmin≥12.5mm;直(zhi)孔部(bu)分厚(hou)度🤟h=(0.005~0.02)D;總(zong)厚度(du)H<0.05D這5種(zhong)孔闆(pan)公稱(cheng)通徑(jing)D=40mm,節流(liu)元件(jian)的孔(kong)徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流(liu)量系(xi)數計(ji)算模(mo)型
　　計(ji)算每(mei)個孔(kong)闆流(liu)量計(ji)對應(ying)的流(liu)量系(xi)數見(jian)公式(shi)(1)
 
　　式中(zhong):qm爲流(liu)體的(de)質量(liang)流量(liang),kg/s;A0爲孔(kong)口截(jie)面積(ji),m2;p爲流(liu)體密(mi)♻️度,kg/m3;△p爲(wei)孔口(kou)兩側(ce)壓差(cha),Pa。
2模型(xing)驗證(zheng)及數(shu)值模(mo)拟
2.1實(shi)驗驗(yan)證過(guo)程
　　爲(wei)了确(que)保數(shu)值模(mo)拟過(guo)程設(she)置正(zheng)确,将(jiang)模拟(ni)結果(guo)與實(shi)驗值(zhi)進行(hang)了比(bi)對實(shi)驗采(cai)用裝(zhuang)置見(jian)圖2。
 
　　水(shui)由離(li)心泵(beng)從水(shui)箱抽(chou)出後(hou),經過(guo)孔闆(pan)流量(liang)計，通(tong)過彎(wan)♉管🐉再(zai)流🏃回(hui)水箱(xiang)。其中(zhong)孔闆(pan)流量(liang)計爲(wei)标準(zhun)型，管(guan)道💃🏻内(nei)徑40mm,孔(kong)闆口(kou)徑35mm,孔(kong)闆厚(hou)度5mm。在(zai)不同(tong)的閥(fa)門開(kai)度下(xia),測試(shi)孔闆(pan)流量(liang)計壓(ya)差,計(ji)算流(liu)量及(ji)流量(liang)計流(liu)量系(xi)數。實(shi)驗、模(mo)拟結(jie)果對(dui)比見(jian)圖3。
 
　　由(you)圖3可(ke)知，模(mo)拟與(yu)實驗(yan)吻合(he),對模(mo)拟方(fang)法的(de)可靠(kao)性進(jin)行了(le)驗證(zheng).。
2.2數值(zhi)模拟(ni)設置(zhi)
　　由于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)軸對(dui)稱特(te)性，流(liu)體在(zai)經過(guo)孔闆(pan)流🔴量(liang)計時(shi)也是(shi)對稱(cheng)的,因(yin)此選(xuan)用1/2實(shi)體及(ji)對稱(cheng)面結(jie)構。應(ying)用“mesh”進(jin)行模(mo)拟實(shi)體的(de)網格(ge)劃分(fen)，見圖(tu)4。
 
　　由于(yu)孔闆(pan)流量(liang)計結(jie)構簡(jian)單,因(yin)此在(zai)劃分(fen)網格(ge)時隻(zhi)需在(zai)節流(liu)元件(jian)處既(ji)縮口(kou)處進(jin)行網(wang)格的(de)加密(mi)。該模(mo)拟中(zhong)✏️采用(yong)的介(jie)質爲(wei)20℃的水(shui),p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作(zuo)壓力(li)爲标(biao)準大(da)氣壓(ya)。采用(yong)3D求解(jie)器，湍(tuan)流方(fang)程💋用(yong)“标準(zhun)k-epsilon”方程(cheng);選用(yong)速度(du)進口(kou)🐪和壓(ya)力出(chu)口邊(bian)界條(tiao)件,進(jin)行叠(die)代求(qiu)解計(ji)算。
　　在(zai)模拟(ni)過程(cheng)中取(qu)闆前(qian)2D、闆後(hou)5D,即闆(pan)前80mm、闆(pan)後200mm爲(wei)計算(suan)域。5種(zhong)孔闆(pan)設定(ding)10個統(tong)一的(de)進口(kou)流速(su),分别(bie)爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對(dui)應的(de)雷諾(nuo)數值(zhi)分别(bie)爲😘7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結(jie)果與(yu)讨論(lun)
　　以ʋ=0.2m/s時(shi)孔闆(pan)的模(mo)拟結(jie)果爲(wei)例,各(ge)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)速度(du)🛀🏻矢量(liang)雲圖(tu)見圖(tu)5.
 
 
 
　　由圖(tu)5可知(zhi)，流體(ti)在經(jing)過闆(pan)前區(qu)域時(shi)流道(dao)急劇(ju)收縮(suo)，速度(du)⛷️增大(da)。其中(zhong)标準(zhun)孔闆(pan)I所形(xing)成的(de)孔後(hou)大速(su)度值(zhi)高,爲(wei)🐪1.2m/s;外凸(tu)型孔(kong)💋闆川(chuan)I、加厚(hou)型孔(kong)闆IV次(ci)之,約(yue)爲1m/s;外(wai)凹型(xing)孔闆(pan)I1和🐪直(zhi)邊型(xing)孔闆(pan)V較小(xiao),分别(bie)📧爲0.88和(he)0.74m/s。外凸(tu)型孔(kong)闆II低(di)流速(su)較大(da)，直邊(bian)型孔(kong)☁️闆V次(ci)之,其(qi)餘均(jun)基本(ben)👅相等(deng)。經過(guo)☂️孔口(kou)後部(bu)分流(liu)體流(liu)動方(fang)向發(fa)生改(gai)變,産(chan)生了(le)一定(ding)的渦(wo)流區(qu)域，形(xing)🍉成湍(tuan)流,孔(kong)闆的(de).結構(gou)不同(tong)造成(cheng)☁️的旋(xuan)渦湍(tuan)流區(qu)域形(xing)狀及(ji)發展(zhan)長度(du)也明(ming)顯不(bu)同。标(biao)準孔(kong)闆I湍(tuan)流區(qu)較寬(kuan),湍流(liu)長度(du)較長(zhang)。外凹(ao)型💃🏻孔(kong)👅闆II湍(tuan)流段(duan)較短(duan),流場(chang)爲整(zheng)齊,從(cong)而也(ye)推測(ce)出其(qi)節流(liu)損失(shi)小。
　　對(dui)5種孔(kong)闆進(jin)行了(le)進一(yi)步的(de)數據(ju)采集(ji),保持(chi)孔闆(pan)的直(zhi)徑比(bi)不改(gai)變。由(you)流量(liang)分别(bie)計算(suan)對應(ying)的雷(lei)諾數(shu),采集(ji)每個(ge)孔闆(pan)每個(ge)流速(su)所對(dui)應的(de)闆前(qian)D、闆後(hou)D/2取壓(ya)點所(suo)在平(ping)面的(de)平均(jun)壓力(li)，即闆(pan)前40mm、闆(pan)後20mm計(ji)算壓(ya)差,并(bing)根據(ju)公式(shi)(1)計📱算(suan)出每(mei)個孔(kong)闆對(dui)應的(de)流量(liang)系數(shu),得到(dao)流量(liang)系數(shu)與雷(lei)諾數(shu)關系(xi)曲線(xian)圖見(jian)圖6。
 
　　由(you)圖6可(ke)知,雷(lei)諾數(shu)的變(bian)化對(dui)流量(liang)系數(shu)影響(xiang)不大(da),說明(ming)這幾(ji)種孔(kong)闆都(dou)具有(you)良好(hao)的穩(wen)定性(xing)。外凹(ao)型孔(kong)闆II的(de)流量(liang)系數(shu)比其(qi)他4種(zhong)大，标(biao)準孔(kong)闆I小(xiao);加厚(hou)型孔(kong)闆IV的(de)流量(liang)系數(shu)曲📧線(xian)在較(jiao)大及(ji)較小(xiao)雷諾(nuo)數時(shi)變化(hua)明顯(xian),因此(ci)該類(lei)型穩(wen)定性(xing)稍差(cha);直🧑🏾‍🤝‍🧑🏼邊(bian)型孔(kong)闆V穩(wen)定性(xing)好✨。
　　沿(yan)軸向(xiang)的距(ju)離L與(yu)壓力(li)的關(guan)系見(jian)圖7。
 
　　由(you)圖7可(ke)知，幾(ji)種孔(kong)闆壓(ya)降位(wei)置、壓(ya)降大(da)小及(ji)壓力(li)恢複(fu)性不(bu)同。加(jia)厚型(xing)孔闆(pan)IV的壓(ya)降位(wei)置靠(kao)前,直(zhi)邊型(xing)孔🤩闆(pan)V靠後(hou),其🚶餘(yu)三者(zhe)基本(ben)接💋近(jin);标準(zhun)孔闆(pan)I的壓(ya)降大(da),外凹(ao)型孔(kong)闆II壓(ya)降小(xiao);外凹(ao)型孔(kong)闆II的(de)壓力(li)👨‍❤️‍👨恢複(fu)快。
　　壓(ya)差△p與(yu)雷諾(nuo)數的(de)關系(xi)曲線(xian)見圖(tu)8。
 
　　由圖(tu)8可知(zhi)，幾種(zhong)孔闆(pan)壓差(cha)△p随着(zhe)雷諾(nuo)數的(de)增大(da)而增(zeng)🛀大♋,增(zeng)🐅加趨(qu)勢基(ji)本相(xiang)同,其(qi)中标(biao)準孔(kong)闆I增(zeng)加快(kuai)大,外(wai)凹型(xing)🏃🏻孔闆(pan)II增大(da)緩慢(man)。
4結論(lun)
　　通過(guo)流場(chang)模拟(ni)雲圖(tu)、流量(liang)系數(shu)與雷(lei)諾數(shu)的曲(qu)線關(guan)系🏃‍♂️、中(zhong)心軸(zhou)線🐆壓(ya)力分(fen)布曲(qu)線、壓(ya)差△p與(yu)雷諾(nuo)數的(de)曲線(xian)關系(xi)的分(fen)析可(ke)以得(de)出,5種(zhong)孔闆(pan)中外(wai)凹型(xing)孔闆(pan)流量(liang)計II因(yin)爲🔅闆(pan)前緩(huan)沖段(duan)較爲(wei)理想(xiang),對流(liu)體🌈起(qi)到了(le)整流(liu)⭐的作(zuo)用,減(jian)🐉弱了(le)闆前(qian)流體(ti)死區(qu)的形(xing)成和(he)❓闆後(hou)渦流(liu)的形(xing)成,降(jiang)低了(le)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)壓力(li).損失(shi)。且流(liu)量系(xi)🈚數大(da),随雷(lei)諾數(shu)增大(da)壓差(cha)增大(da)緩慢(man),壓力(li)恢複(fu)快，是(shi)😍5個類(lei)型中(zhong)性能(neng)較好(hao)的一(yi)種。在(zai)進行(hang)單孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的設(she)計時(shi)，不但(dan)要滿(man)足直(zhi)徑比(bi),還應(ying)該考(kao)👉慮孔(kong)闆的(de)厚度(du)和孔(kong)闆闆(pan)前的(de)過渡(du)段。孔(kong)闆的(de)厚度(du)不宜(yi)太薄(bao)🌍也不(bu)宜過(guo)厚,過(guo)渡段(duan)對流(liu)體要(yao)能進(jin)行整(zheng)合,使(shi)流體(ti)盡可(ke)能緩(huan)和⛷️的(de)流人(ren)。在孔(kong)闆❗的(de)設計(ji)及使(shi)用中(zhong),應結(jie)合實(shi)際情(qing)況,應(ying)用合(he)适尺(chi)寸類(lei)型的(de)孔闆(pan)，确保(bao)流量(liang)系數(shu)穩定(ding)🌈,并降(jiang)低壓(ya)力損(sun)失,保(bao)證流(liu)場穩(wen)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻定,進(jin)而提(ti)高孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的質(zhi)量和(he)測量(liang)的精(jing)🌈度。

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