摘要(yao):多孔孔闆(pan)流量計 是(shi)一種比傳(chuan)統的差壓(ya)測量裝置(zhi)更優良的(de)新型差壓(ya)式流量測(ce)量裝置,但(dan)其函數孔(kong)的确定目(mu)前沒有統(tong)一的标準(zhun)。針對該問(wen)題,采用CFD仿(pang)真軟件,在(zai)相同等效(xiao)直徑比的(de)情況下,針(zhen)對多孔孔(kong)闆的🍓函數(shu)孔結構‼️,研(yan)究了開孔(kong)數目、孔分(fen)布以及倒(dao)角等因素(su)對于減少(shao)壓力損失(shi)✍️所起到的(de)影響和作(zuo)用。根據仿(pang)真研究結(jie)果,制作了(le)一🔱種多孔(kong)孔闆流量(liang)計進行流(liu)體試驗，試(shi)驗結果表(biao)明該🌂方法(fa)的正确率(lü)。.
0引言
　　孔闆(pan)流量計 因(yin)其結構簡(jian)單、耐用而(er)成爲目前(qian)國際上标(biao)準化程度(du)高、應用♍最(zui)爲廣泛的(de)一種流量(liang)計,但也存(cun)在着流㊙️出(chu)系數不.穩(wen)定、線性差(cha)、重複性不(bu)高、永久壓(ya)力損失大(da)等缺點“。美(mei)國馬歇爾(er)航空飛行(hang)中心☔設計(ji)發明的一(yi)-種新型差(cha)壓式流量(liang)測量裝置(zhi)，即多孔孔(kong)闆流量計(ji)(又稱爲平(ping)衡流量計(ji))田㊙️。多孔孔(kong)闆流量計(ji)對傳統🚶節(jie)流裝置有(you)着極大的(de)突破,與傳(chuan)統差壓式(shi)流.量計相(xiang)比較,具有(you)永久壓力(li)損失小、精(jing)密度高、量(liang)程比大♊、直(zhi)管段短等(deng)優點。
　　多孔(kong)孔闆流量(liang)計測量原(yuan)理圖如圖(tu)1所示。雖然(ran)多孔⚽孔💁闆(pan)的結構與(yu)标準孔闆(pan)不同,其測(ce)量原理還(hai)是節⚽流測(ce)量,因😍此在(zai)流量計算(suan)時仍可采(cai)用标準孔(kong)闆的經典(dian)計算公式(shi)國:
 
　　式中:Q爲(wei)管道中流(liu)體的流量(liang);K爲無量綱(gang)系數;△p爲孔(kong)闆節流💔前(qian)後🙇‍♀️的壓力(li)差;ρ爲流體(ti)密度。
 
　　多(duo)孔孔闆流(liu)量計每個(ge)孔的尺寸(cun)和分布基(ji)于獨特👨‍❤️‍👨的(de)公式🔞和國(guo)測試數據(ju)定制，稱爲(wei)函數孔。至(zhi)于函數孔(kong)是如何定(ding)制,與哪些(xie)因素有關(guan),主要由什(shi)麽參數🧡來(lai)決定的，目(mu)前還沒有(you)相關的🥵文(wen)獻可以查(cha)閱。對于如(ru)何定制函(han)數孔，缺少(shao)一個統--的(de)标準。以💜因(yin)節流而産(chan)生的壓力(li)損失作爲(wei)對比參照(zhao)，通過仿真(zhen)對函數孔(kong)結構的研(yan)究，主要包(bao)括多孔🎯孔(kong)闆開孔數(shu)量、孔的分(fen)布以及倒(dao)角等因素(su)對減小壓(ya)力損失所(suo)起到的影(ying)響和作用(yong),對于函數(shu)孔的制定(ding)有一🔴定的(de)指導意義(yi);爲函數孔(kong)制定标準(zhun)化奠定基(ji)礎,将有助(zhu)于🔞推動多(duo)孔孔闆的(de)孔函數的(de)研究與應(ying)用進展。
1函(han)數孔結構(gou)的研究
　　以(yi)内徑D爲50mm、等(deng)效直徑比(bi)β=0.35的孔闆中(zhong),流動介質(zhi)純水爲研(yan)究對象,參(can)考标準孔(kong)闆在實際(ji)工業應用(yong)和本次仿(pang)真模拟，爲(wei)保證流體(ti)能夠以充(chong)分發展、理(li)想的湍流(liu)狀态進入(ru)流量計,設(she)🌐計有長度(du)分别❌爲10D、14D的(de)上下遊直(zhi)管段5。在此(ci)基礎上做(zuo)了3組不同(tong)的仿真♌模(mo)拟,并且☁️選(xuan)定其中一(yi)個模拟結(jie)果的設計(ji)方案進行(hang)實流實✊驗(yan),通過對比(bi)👣實流實驗(yan)結果與模(mo)拟仿真結(jie)果從而驗(yan)證仿真結(jie)果的正确(que)率。
1.1對開孔(kong)數量的研(yan)究
　　在此先(xian)研究孔的(de)結構爲無(wu)倒角的情(qing)況,對數量(liang)研究的時(shi)候👣要求其(qi)他參數均(jun)是相同的(de)，包括有孔(kong)分布以及(ji)孔的結構(gou)。設📞計時在(zai)-一個多孔(kong)孔闆.上每(mei)個小孔的(de)直徑是一(yi)樣的🌍，由等(deng)效🌈直徑比(bi)的定義可(ke)知開孔直(zhi)徑爲
 
數;An爲(wei)每個小孔(kong)的面積;A2爲(wei)是管道的(de)截面積。
　　設(she)計原則爲(wei):把孔隻分(fen)布在以孔(kong)闆的中心(xin)爲圓心🔴的(de)一個圓🌈周(zhou)上(孔在這(zhe)個圓周，上(shang)分布的時(shi)候不能夠(gou)出現相♋交(jiao)的情況,初(chu)步🌐選定圓(yuan)周的半徑(jing)爲12mm)。受條件(jian)的限🍉制,本(ben)次㊙️研究對(dui)象的開孔(kong)數最小爲(wei)1個,最大爲(wei)16個。無倒角(jiao)說明節流(liu)孔的厚度(du)與孔闆的(de)厚度相🏃🏻同(tong),其示意圖(tu)如圖2所示(shi)。
 
1.2對節流孔(kong)分布的研(yan)究
　　将節流(liu)孔(無倒角(jiao))均勻分布(bu)在兩個同(tong)心圓或者(zhe)兩個同心(xin)圓以❌及孔(kong)闆的中心(xin)上。調整同(tong)心圓的大(da)小🏃‍♂️,即改變(bian)的同心圓(yuan)大👌小d1;d2示意(yi)圖如圖3所(suo)示。
 
1.3對倒角的(de)研究
　　參考(kao)流量測量(liang)節流裝置(zhi)設計手冊(ce)回可知标(biao)準孔闆傾(qing)🥰斜🌐角⭐是在(zai)下遊端面(mian),其大小可(ke)以爲45°±15°，文中(zhong)将分2種情(qing)況研.究:下(xia)遊端面有(you)♋45°倒角;上下(xia)遊端面均(jun)有45°倒角。
2模(mo)拟仿真
　　模(mo)拟仿真是(shi)通過CFD軟件(jian)包fluent來完成(cheng)的。
2.1建模與(yu)劃分網格(ge)
　　建模與劃(hua)分網格都(dou)是在CFD前置(zhi)處理器gambit中(zhong)完成的。圖(tu)4爲上遊直(zhi)管段10D,下遊(you)直管段14D的(de)多孔孔闆(pan)流量計的(de)仿真模型(xing)💋。
 
　　文中直接(jie)選用體網(wang)格來劃分(fen)網格。選用(yong)體網格的(de)Element爲Tet/Hybrid即四面(mian)㊙️體/混合，同(tong)時選定TGrid作(zuo)爲Element的Type。爲了(le)提高計算(suan)精度，需對(dui)網格🥵做局(ju)部加密,考(kao)慮到在節(jie)流前後壓(ya)力會急🔞劇(ju)變化,因此(ci)對節流前(qian)後的直管(guan)段以及多(duo)孔孔闆做(zuo)局部加密(mi)處理。該文(wen)在對多孔(kong)✏️孔闆劃分(fen)🔴網格時候(hou)選用的節(jie)點間距爲(wei)0.5,在多孔孔(kong)闆前後4D的(de)直管段劃(hua)分🤩網格時(shi)候選用節(jie)點間距爲(wei)3,其餘部分(fen)的節點間(jian)距爲6。網格(ge)單元的數(shu)量爲398642萬。網(wang)格劃分結(jie)果如圖5所(suo)示。
 
2.2模(mo)型的求解(jie)
　　在本文中(zhong)選用壓力(li)基求解器(qi)就能滿足(zu)要求們。
　　本(ben)文中入口(kou)的雷諾數(shu)較大,流動(dong)爲湍流,需(xu)要設置湍(tuan)流模型🐕，采(cai)用Realizablekε模型。
　　邊(bian)界條件的(de)設定:入口(kou)邊界類型(xing)設定爲速(su)度入口,即(ji)🌈veloc-ity-inlet入口🐆的湍(tuan)流參數指(zhi)定方式選(xuan)用kandepsilon,出口邊(bian)界類型:設(she)定爲自由(you)出🔞流outflow,孔📞闆(pan)處爲默認(ren)内部邊界(jie)條件inte-rior,其餘(yu)爲均爲無(wu)滑移外部(bu)壁面,熱傳(chuan)輸模型爲(wei)絕熱。
2.3仿真(zhen)結果
　　本文(wen)主要是研(yan)究因節流(liu)而産生的(de)壓力損失(shi)(即節流前(qian)後的靜壓(ya)差),爲此以(yi)節流前後(hou)的壓差作(zuo)對比研究(jiu)。
2.3.1對多孔孔(kong)闆開孔數(shu)量的研究(jiu)
　　給定的速(su)度入口的(de)初始速度(du)爲1m/s。對一段(duan)長爲1.2m(等于(yu)前後直管(guan)段長度24D)的(de)直管道進(jin)行模拟仿(pang)真,參數設(she)💘置以及湍(tuan)流模型的(de)選擇與上(shang)述模拟相(xiang)同，結果可(ke)得直管段(duan)的沿📐程壓(ya)力損失爲(wei)📞314Pa。由，上述仿(pang)真計算結(jie)果的進出(chu)口壓力差(cha)減去直管(guan)道的沿程(cheng)壓力損失(shi)，即可得到(dao)節流前後(hou)的差壓。開(kai)孔數量和(he)差壓的關(guan)💚系如圖6所(suo)示，開孔數(shu)量和差壓(ya)信号的關(guan)系如表1所(suo)示。
 
　　由圖6可(ke)知,随着開(kai)孔數量的(de)增加,在開(kai)始階段壓(ya)損能夠明(ming)顯減⁉️少，當(dang)開孔數達(da)到12時壓損(sun)達到最小(xiao)值🔴，随後🌈壓(ya)損又增大(da)。
 
　　由表1可以(yi)看出，等效(xiao)直徑比爲(wei)0.35的多孔孔(kong)闆最佳的(de).開孔數是(shi)12,與開孔數(shu)爲1的孔闆(pan)相比較減(jian)小約29.4%的壓(ya)力損失。
2.3.2對(dui)節流孔分(fen)布的研究(jiu)
　　由方案設(she)計可知,本(ben)階段研究(jiu)主要有2種(zhong)情況:
(1)同心(xin)圓沒有中(zhong)心孔，以開(kai)孔數12爲研(yan)究對象;
(2)同(tong)心圓有中(zhong)心孔，以開(kai)孔數13爲研(yan)究對象。
孔(kong)的分布與(yu)差壓信号(hao)關系如表(biao)2所示。
 
　　從表(biao)2可以看出(chu),對于相同(tong)的開孔數(shu),在山不變(bian)的情況下(xia)，随👣着d1的🌈增(zeng)大,壓差減(jian)小。對比開(kai)孔數爲12,有(you)中心孔，開(kai)孔數爲13的(de)差壓信号(hao)隻大0.5%。
2.3.3對倒(dao)角的研究(jiu)
　　在試驗測(ce)量的時候(hou)，希望在減(jian)小壓損的(de)同時又能(neng)夠🐅得到較(jiao)大的測量(liang)信号,因此(ci)選取開孔(kong)數爲13,有中(zhong)🐇心孔的多(duo)🈚孔孔闆做(zuo)⁉️進一🌈步的(de)研究。由以(yi)上方案的(de)設計可🧡知(zhi),倒角的研(yan)究有2種情(qing)況:
(1)隻有1個(ge)倒角,在節(jie)流闆的下(xia)遊端面;
(2)2個(ge)倒角,在節(jie)流闆的上(shang)下遊端面(mian)均有倒角(jiao)。
　　以流量測(ce)量節流設(she)計手冊作(zuo)爲參考,設(she)計節流孔(kong)✔️的厚度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲(wei)0.02D,倒🛀角爲45°。由(you)此可得如(ru)表3所示的(de)模拟結果(guo)。
 
　　由表3可以(yi)看出倒角(jiao)的存在對(dui)于減小壓(ya)力損失有(you)着巨👉大的(de)影響,對比(bi)開孔數爲(wei)13、上下遊都(dou)有倒角的(de)與上下遊(you)都無倒角(jiao),壓力損失(shi)降低42.3%。綜合(he).上述3種情(qing)況,在直徑(jing)比都是0.35,開(kai)孔數爲13,上(shang)下遊均有(you)45°倒角的多(duo)孔孔闆與(yu)标準孔闆(pan)🎯相比，壓力(li)損失減小(xiao)59.8%。
3試驗測量(liang)
　　試驗是在(zai)現有的液(ye)體流量标(biao)準裝置(裝(zhuang)置主要由(you)穩壓🈚罐、法(fa)蘭、直管段(duan)、标定容器(qi)構成。其中(zhong)穩壓罐能(neng)夠讓流體(ti)以恒定的(de)速度進入(ru)直管段;法(fa)蘭用于孔(kong)闆的安裝(zhuang);标定容器(qi)用于測量(liang)💋流體的流(liu)量。).上使用(yong)自己設計(ji)💞的多孔孔(kong)闆完成的(de)。所選用的(de)孔闆即前(qian)文仿真部(bu)分開孔數(shu)爲13,d;=8、d2=13,上下遊(you)端面均有(you)倒角的多(duo)♍孔孔闆。多(duo)孔孔闆如(ru)圖7所示。
 
3.1試(shi)驗方法
　　取(qu)5個不同大(da)小的流量(liang)按流速從(cong)小到大，再(zai)從大到小(xiao),反複測量(liang)🌈差壓值,測(ce)量次數爲(wei)3,測量結果(guo)取平均值(zhi)對試驗測(ce):量時得❤️到(dao)的🚩流速進(jin)行模拟仿(pang)真,并與試(shi)驗結果相(xiang)比較。由此(ci)📐可得到⭕如(ru)圖8流量與(yu)差壓關🙇‍♀️系(xi)圖。
 
　　由圖8看(kan)出試驗結(jie)果與仿真(zhen)結果的誤(wu)差較小(誤(wu)差能夠控(kong)☂️制在7%左右(you)),說明本次(ci)模拟仿真(zhen)所選用的(de)計算模型(xing)、方法是可(ke)信賴的🐅。
4結(jie)論
　　以内徑(jing)是50mnm,等效直(zhi)徑比0.35的多(duo)孔孔闆作(zuo)爲研究對(dui)象,用仿真(zhen)軟件✊Fluent6.3模拟(ni)研究多孔(kong)孔闆函數(shu)孔結構,主(zhu)要是開💋孔(kong)數量、孔的(de)分布以及(ji)倒角對于(yu)減小壓力(li)損失所起(qi)❌到的作💛用(yong)，并對仿真(zhen)結果進行(hang)實流試驗(yan)驗證,得到(dao):.
(1)在相同等(deng)效直徑比(bi)的情況下(xia),增加開孔(kong)數以及倒(dao)角♻️的存在(zai)能有效減(jian)小壓力損(sun)失;在孔的(de)數量和結(jie)構都确定(ding)的前提下(xia)均勻而有(you)序地分布(bu)孔對測量(liang)的影響可(ke)忽略📱;
(2)試驗(yan)結果與仿(pang)真模拟結(jie)果基本吻(wen)合,說明隻(zhi)要使用🈲正(zheng)确的計算(suan)模型、精密(mi)的網格劃(hua)分以及準(zhun)确的計算(suan)方法，在沒(mei)🔴有試驗的(de)條件下也(ye)可以使模(mo)拟仿真對(dui)多孔孔闆(pan)進行研🙇‍♀️究(jiu)。

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