摘要:多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji) 因其快(kuai)速平衡(heng)調整流(liu)場和有(you)效降低(di)壓力損(sun)失等能(neng)力得🚶‍♀️到(dao)💋廣✨泛應(ying)用,但其(qi)尚缺乏(fa)完整的(de)結構參(can)數🚶‍♀️設計(ji)和性能(neng)優化設(she)計準則(ze)。針對提(ti)出的對(dui)稱多孔(kong)💘孔闆差(cha)壓式流(liu)量計進(jin)行實流(liu)🈚試驗,研(yan)究其計(ji)量性能(neng)并與數(shu)值模拟(ni)結果進(jin)行對比(bi)分析,結(jie)果表明(ming),對🙇🏻稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量🤞計(ji)可有效(xiao)提高計(ji)量精度(du)(+0.5%)、降低壓(ya)力損🚶失(shi),具有更(geng)好的适(shi)應性,試(shi)驗結果(guo)與數🌏值(zhi)模拟結(jie)果具有(you)一緻性(xing),驗證了(le)數值模(mo)拟的正(zheng)确性并(bing)對新型(xing)流量計(ji)進行了(le)标定，研(yan)究結果(guo)可有效(xiao)拓寬 多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji) 的應用(yong)範圍。
0引(yin)言
　　流量(liang)計量是(shi)工業生(sheng)産的眼(yan)睛,廣泛(fan)應用于(yu)科學研(yan)究、工農(nong)業生🔅産(chan)、國防建(jian)設以及(ji)人民生(sheng)活等領(ling)域，諸多(duo)流量計(ji)中,傳統(tong)差壓式(shi)流量計(ji)因其結(jie)構簡單(dan)、成本低(di)、實驗數(shu)據豐富(fu)、标準化(hua)程度高(gao)等優點(dian),應用最(zui)🏃‍♀️爲廣泛(fan)。但🛀🏻在實(shi)際應用(yong)中很多(duo)工況條(tiao)件無法(fa)滿足測(ce)量要求(qiu)(如低于(yu)标準中(zhong)推薦的(de)雷諾數(shu)範圍、測(ce)量介質(zhi)中混有(you)泥沙等(deng)),進而限(xian)制了其(qi)應用範(fan)圍。
　　在這(zhe)些情況(kuang)下,非标(biao)準 差壓(ya)式流量(liang)計 得到(dao)快速發(fa)展和進(jin)一步的(de)應用，目(mu)前最具(ju)代表性(xing)的非标(biao)㊙️準差壓(ya)式流量(liang)計主要(yao)有錐形(xing)流量計(ji)和多孔(kong)孔闆流(liu)量計多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)不但繼(ji)承了标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)的優點(dian)，而🧑🏾‍🤝‍🧑🏼且能(neng)夠🤩快速(su)平衡調(diao)整流場(chang)，明顯減(jian)少渦流(liu)、降低死(si)區效應(ying)、減少流(liu)體動能(neng)損失💰,在(zai)國際上(shang)引☔起廣(guang)泛關注(zhu)，自2006年被(bei)引進我(wo)國市場(chang)以來,得(de)到廣泛(fan)應用。但(dan)因涉及(ji)商業機(ji)密,多孔(kong)孔闆流(liu)量計的(de)結構參(can)數🐅與流(liu)出系數(shu)等計算(suan)公式未(wei)曾公開(kai)。爲了掌(zhang)握該流(liu)量計的(de)核心技(ji)術,國内(nei)科研技(ji)術🛀人員(yuan)對其進(jin)行了大(da)量研究(jiu)，主要集(ji)中于孔(kong)闆🏃‍♂️結構(gou)🛀🏻參數優(you)化及計(ji)量🐆性能(neng)等方面(mian).[448。目前,實(shi)際應用(yong)中要💛根(gen)據不同(tong)測💘量條(tiao)件來設(she)計流量(liang)計，缺乏(fa)完整的(de)結構參(can)數設計(ji)和性能(neng)優化🔅設(she)計準則(ze)指導。
　　對(dui)多孔孔(kong)闆流量(liang)計進行(hang)了大量(liang)的研究(jiu)工作,結(jie)合多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhun)孔闆聯(lian)合使用(yong)的測量(liang)原理,提(ti)出了一(yi)種㊙️對稱(cheng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流量(liang)計的設(she)計方法(fa)(即在中(zhong)心節流(liu)孔周💘圍(wei)均勻環(huan)形分布(bu)若幹孔(kong)),采用CFD數(shu)值模拟(ni)預測了(le)其内部(bu)流場,并(bing)研究了(le)孔數量(liang)對多孔(kong)孔闆流(liu)量計流(liu)場特性(xing)的影響(xiang)規律[920但(dan)數值👌模(mo)拟隻能(neng)爲研🔱究(jiu)提供方(fang)向性的(de)指導，并(bing)不能很(hen)好的指(zhi)導實際(ji)生産。本(ben)文基于(yu)數值模(mo)👈拟結果(guo)搭建對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式⛷️流(liu)量計實(shi)流标校(xiao)試驗平(ping)台,對其(qi)計量性(xing)能進行(hang)試驗研(yan)究，檢驗(yan)了CFD設計(ji)成果的(de)有效性(xing),并對新(xin)型流量(liang)計進行(hang)了标定(ding)。
1多孔孔(kong)闆流量(liang)計
　　課題(ti)組提出(chu)并設計(ji)的多孔(kong)孔闆流(liu)量計結(jie)合了多(duo)孔整流(liu)器和标(biao)準孔闆(pan)的測量(liang)原理,基(ji)本結構(gou)爲在節(jie)流闆中(zhong)心一個(ge)圓孔的(de)基礎上(shang),對稱分(fen)布數量(liang)不‼️等的(de)圓👅孔,如(ru)圖1所示(shi),均💁勻分(fen)布的圓(yuan)孔⛹🏻‍♀️的總(zong)面積和(he)标準孔(kong)闆🏃🏻的開(kai)孔面積(ji)相等。流(liu)量計整(zheng)體結構(gou)如圖2所(suo)示。

　　多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)的測量(liang)原理是(shi)以能量(liang)守恒定(ding)律和質(zhi)😘量守恒(heng)定律爲(wei)基礎的(de),即在流(liu)量檢測(ce)時,所測(ce)介質流(liu)過圓孔(kong)的同☀️時(shi)進行流(liu)體整流(liu)，減小節(jie)流裝置(zhi)後形成(cheng)的渦流(liu),形成較(jiao)穩定的(de)紊流(近(jin)似理想(xiang)流體),從(cong)而獲得(de)穩定的(de)差壓信(xin)号🔅,根據(ju)伯努利(li)方程計(ji)♉算出流(liu)體的流(liu)量:

式中(zhong):Q爲介質(zhi)流量;K爲(wei)儀表系(xi)數;Y爲膨(peng)脹系數(shu);△p爲差壓(ya)🈲值(Pa);ρ爲🎯介(jie)質⛹🏻‍♀️工況(kuang)密度。
2數(shu)值模拟(ni)
　　針對設(she)計的對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liu)量計,分(fen)别對開(kai)孔數量(liang)爲1.4、5.7(孔的(de)分布位(wei)置如圖(tu)3所示,參(can)數如表(biao)1所示)的(de)流量計(ji)采用CFD數(shu)值模拟(ni)技術分(fen)析了其(qi)内部流(liu)場情況(kuang),如圖4所(suo)示，研究(jiu)✔️了孔數(shu)量對多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)流場特(te)性的影(ying)響規律(lü),得出♉對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liu)量計具(ju)🥰有可降(jiang)低節流(liu)件前後(hou)渦流、快(kuai)速平衡(heng)内部流(liu)場(前後(hou)直管段(duan)要求:前(qian)1D~3D,後0.5D~1D,其中(zhong)D爲通流(liu)🌈直徑)、提(ti)高測量(liang)精度、降(jiang)低壓力(li)損失、适(shi)應性更(geng)好的優(you)點💋，随💋着(zhe)孔數量(liang)的增加(jia)壓力損(sun)失逐漸(jian)降低、流(liu)出系數(shu)提高的(de)結論。
3試(shi)驗标校(xiao)平台的(de)組成
　　爲(wei)了驗證(zheng)數值模(mo)拟的正(zheng)确性,搭(da)建對稱(cheng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流🔴量(liang)計試驗(yan)标校平(ping)台,由對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liu)量👅計、截(jie)💃止閥、 差(cha)壓變送(song)器 、流量(liang)調節閥(fa)、 電磁流(liu)量計 、水(shui)泵和水(shui)槽及管(guan)路系統(tong)組成,如(ru)圖5所示(shi),其中對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liu)量計和(he)電磁流(liu)量計與(yu)試驗管(guan)道均通(tong)過法蘭(lan)🙇‍♀️連接。試(shi)驗🤞過程(cheng)中,流量(liang)計工裝(zhuang)示意😄圖(tu)如圖☔6所(suo)示。
　　工作(zuo)原理如(ru)下:通過(guo)試驗管(guan)路變頻(pin)調速水(shui)泵及上(shang)遊側流(liu)量調節(jie)閥開度(du)的适當(dang)調節,獲(huo)得流速(su)0~7m/s連續☀️可(ke)調的流(liu)體介質(zhi),并采用(yong)高精度(du)電磁流(liu)量計(作(zuo)爲标準(zhun)器🈲具,精(jing)度🏃🏻‍♂️+0.2%R)測量(liang)實際流(liu)量(流速(su)),利用高(gao)準.确度(du)💋差壓變(bian)送器(EJA110E系(xi)列、量程(cheng)0~100kPa、精度+0.065%FS)測(ce)量壓差(cha)值及壓(ya)力損失(shi)值。
　　爲了(le)與數值(zhi)模拟結(jie)果進行(hang)比較,相(xiang)應設置(zhi)保持一(yi)緻性:介(jie)質采用(yong)水(環境(jing)溫度5℃~45℃)、濕(shi)度35%RH~95%RH、大氣(qi)壓力86kPa~106kPa,流(liu)速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管路(lu)規格DN80(節(jie)流元件(jian)上⛷️下側(ce)🙇🏻直管段(duan)長度約(yue)爲5m,充分(fen)保證了(le)多㊙️孔平(ping)衡流量(liang)計測量(liang)中對前(qian)後直管(guan)段研究(jiu)的要求(qiu)),取🔴壓方(fang)式爲法(fa)蘭取壓(ya)(上下遊(you)取壓孔(kong)軸線距(ju)離多孔(kong)流量計(ji)節流件(jian)上下遊(you)端面均(jun)爲25.4+0.5mm)。其他(ta)參數爲(wei)介質水(shui)密度ρ=998.403kg/m3、動(dong)力粘度(du)1.0mPa.s、流東膨(peng)脹系數(shu)e=1。實流試(shi)驗現場(chang)如圖7所(suo)示，試驗(yan)用對稱(cheng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流🛀🏻量(liang)🌈計如圖(tu)8所示。

4試(shi)驗結果(guo)分析
　　按(an)要求搭(da)建試驗(yan)标校平(ping)台,進行(hang)實流試(shi)驗,獲得(de)流量計(ji)試驗的(de)差壓與(yu)壓力損(sun)失值,如(ru)表2所示(shi)，并與數(shu)⁉️值模🐆拟(ni)結果進(jin)行對比(bi),爲了更(geng)爲直觀(guan)和分析(xi)的方便(bian),将不同(tong)開口數(shu)量流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)值繪制(zhi)成☁️曲線(xian),如圖9所(suo)示。

　　由圖9可(ke)以看出(chu)，對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)的壓力(li)⚽損失比(bi)标準孔(kong)闆流量(liang)計的要(yao)小一些(xie)，并且随(sui)着孔數(shu)的增加(jia)壓力損(sun)失呈💞現(xian)逐漸減(jian)小的趨(qu)勢。
　　流出(chu)系數是(shi)評價節(jie)流式儀(yi)表性能(neng)的最重(zhong)要參數(shu)之🛀

　　爲實(shi)際流量(liang)與理論(lun)流量的(de)比值,是(shi)統計量(liang),受設計(ji)、制造、安(an)裝及使(shi)用條件(jian)的影響(xiang)。根據不(bu)可壓縮(suo)流體的(de)連續性(xing)方程和(he)伯努利(li)方程,定(ding)常流體(ti)的體積(ji)流量爲(wei):


注:每點(dian)标準表(biao)數值Q、差(cha)壓值△P、壓(ya)損值δ記(ji)錄3次,爲(wei)了節省(sheng)篇幅,取(qu)其平均(jun)值進行(hang)表格相(xiang)應欄的(de)填寫
　　式(shi)中:C爲流(liu)出系數(shu),無量綱(gang);β爲等效(xiao)直徑比(bi)，無量綱(gang)(β2=A0/A,其中A0爲(wei)✏️孔闆節(jie)流孔開(kai)孔面積(ji),A爲管道(dao)截面面(mian)積);d爲孔(kong)闆節流(liu)孔等效(xiao)直徑;△p爲(wei)壓差;q,爲(wei)體積流(liu)量;ρ爲流(liu)體介質(zhi)密度。
依(yi)據式(2)，确(que)定流出(chu)系數C的(de)數值:

　　結(jie)合實驗(yan)數據和(he)式(3)得不(bu)同開口(kou)數量流(liu)量計的(de)流出系(xi)數,如表(biao)3所示,爲(wei)了與數(shu)值模拟(ni)結果進(jin)行直觀(guan)對比，将(jiang)不🈲同開(kai)口數量(liang)流量計(ji)的流出(chu)系數繪(hui)制成曲(qu)線,如圖(tu)10所示。
　　由(you)圖10可以(yi)看出,對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liu)量計的(de)流出系(xi)數比标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)的要大(da)一些(對(dui)于标準(zhun)孔闆,其(qi)試驗範(fan)圍内🏃流(liu)出系數(shu)平均值(zhi)爲0.6140,對于(yu)多孔✨孔(kong)闆流量(liang)計其試(shi)驗範圍(wei)内流出(chu)系數平(ping)均值爲(wei)4孔孔闆(pan)0.6221、

5孔孔闆(pan)0.6268.7孔孔闆(pan)0.6346),随着孔(kong)數增加(jia)流出系(xi)數呈現(xian)逐漸增(zeng)大㊙️的趨(qu)🐆勢🔅。
　　結合(he)圖9和10,試(shi)驗結果(guo)和數值(zhi)模拟計(ji)算的結(jie)果相比(bi),壓力損(sun)🙇🏻失與流(liu)出系數(shu)的變化(hua)趨勢完(wan)全一緻(zhi),但在數(shu)值上存(cun)在一定(ding)偏差,誤(wu)👅差在8%。
流(liu)出系數(shu)的系統(tong)誤差e爲(wei):

　　式中:C0爲(wei)理論流(liu)出系數(shu)，計算方(fang)法依據(ju)國際标(biao)準IS05167--2003的♉規(gui)🐕定;Ci爲😄實(shi)🚶‍♀️際流出(chu)系數的(de)平均值(zhi)。
　　若忽略(lue)管道制(zhi)造和安(an)裝誤差(cha)以及溫(wen)度、流體(ti)密度的(de)影響,依(yi)據式(3)可(ke)以得到(dao):

　　對于電(dian)磁流量(liang)計(标準(zhun)表)精度(du)爲0.2級,EJA110E高(gao)精度壓(ya)差傳感(gan)器(變送(song)器)的精(jing)度爲+0.065%,經(jing)計算,流(liu)出系數(shu)的不确(que)定度爲(wei)4孔+0.467%、5孔士(shi).0.439%.7孔+0.446%,即流(liu)出系數(shu)的誤差(cha)均不超(chao)過士0.5%,由(you)此并基(ji)于流出(chu)系數定(ding)義可見(jian)流量計(ji)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的計量(liang)精度爲(wei)0.5%。
5結論
　　本(ben)文對多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)進行了(le)實流試(shi)驗,分析(xi)了标準(zhun)孔闆與(yu)對稱多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)的計量(liang)性能并(bing)與數值(zhi)☀️模拟結(jie)果進行(hang)對比,結(jie)論如下(xia)。
1)實流試(shi)驗結果(guo)與CFD數值(zhi)模拟結(jie)果在趨(qu)勢上體(ti)現出完(wan)全的一(yi)緻🔴性,但(dan)在數值(zhi)上存在(zai)一定的(de)偏差,因(yin)此CFD計算(suan)結果并(bing)不能完(wan)全代替(ti)試驗研(yan)究的成(cheng)果。但是(shi)這種偏(pian)差并不(bu)是很大(da)，作爲工(gong)✌️程上的(de)估算其(qi)精度能(neng)夠滿足(zu)要求。
2)通(tong)過對稱(cheng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流量(liang)計的實(shi)流标定(ding),結果😍顯(xian)示流出(chu)系數C相(xiang)對于标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)有較大(da)的提高(gao),量程範(fan)🐅圍大大(da)拓寬,是(shi)一種可(ke)以應用(yong)于實際(ji)測量的(de)新型流(liu)量計🔞産(chan)品。具♊體(ti)性能指(zhi)标如下(xia):精度+0.5%;前(qian)後直管(guan)段要求(qiu)爲前1D~3D,後(hou)0.5D~1D。
3)對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)具有壓(ya)力損失(shi)小、流🈲出(chu)系數高(gao)、适應性(xing)好等特(te)點，完全(quan)可以直(zhi)接應用(yong)于工程(cheng)✨中目前(qian)該流量(liang)計已經(jing)在市場(chang)得到應(ying)用,一定(ding)程度上(shang)拓寬了(le)♊其應用(yong)範圍

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