摘要(yao):因多(duo)種工(gong)況條(tiao)件無(wu)法滿(man)足測(ce)量精(jing)度要(yao)求，傳(chuan)統 差(cha)壓式(shi)流量(liang)計 應(ying)用範(fan)圍受(shou)到一(yi)定限(xian)制。基(ji)于多(duo)孔整(zheng)流器(qi)和标(biao)準孔(kong)闆的(de)🈲流量(liang)測量(liang)原理(li)，提出(chu)一種(zhong)對稱(cheng)多孔(kong)孔闆(pan)差壓(ya)式流(liu)量計(ji) 的設(she)計方(fang)法。然(ran)後對(dui)該流(liu)量計(ji)進行(hang)計算(suan)流體(ti)動力(li)學(CFD)數(shu)值計(ji)算與(yu)仿真(zhen)分析(xi)，結果(guo)表明(ming)多孔(kong)孔闆(pan)差壓(ya)式流(liu)量計(ji)測量(liang)精度(du)較标(biao)準孔(kong)闆流(liu)量計(ji)提高(gao)1倍以(yi)上，永(yong)久壓(ya)力損(sun)失減(jian)小約(yue)1/3。最後(hou)進行(hang)實流(liu)試驗(yan)，試驗(yan)結果(guo)表明(ming)，多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計比(bi)常規(gui)标準(zhun)🙇🏻孔闆(pan)節流(liu)裝置(zhi)具有(you)明顯(xian)的優(you)勢，其(qi)适應(ying)性更(geng)好。此(ci)設計(ji)方法(fa)㊙️可爲(wei)多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)結構(gou)設計(ji)和性(xing)能優(you)💚化提(ti)供參(can)考。
0引(yin)言
　　流(liu)量計(ji)量是(shi)計量(liang)科學(xue)技術(shu)的重(zhong)要組(zu)成部(bu)分，廣(guang)泛應(ying)⁉️用于(yu)農業(ye)生産(chan)、石油(you)石化(hua)、科學(xue)研究(jiu)、國防(fang)建設(she)以及(ji)人民(min)生活(huo)的諸(zhu)多領(ling)域⭐。尤(you)其在(zai)能源(yuan)危機(ji)的後(hou)經⭐濟(ji)時代(dai)，流量(liang)計量(liang)的重(zhong)要性(xing)日益(yi)突出(chu)。相比(bi)其它(ta)流🌈量(liang)計，傳(chuan)統差(cha)壓式(shi)流量(liang)計因(yin)結構(gou)簡單(dan)、成🌂本(ben)低、重(zhong)複⚽性(xing)好、标(biao)準化(hua)程度(du)高等(deng)特💃點(dian)得到(dao)廣泛(fan)應用(yong)，但隻(zhi)有⭐在(zai)符合(he)标準(zhun)要求(qiu)的技(ji)術條(tiao)件下(xia)，才能(neng)準确(que)地測(ce)量⛷️流(liu)量。然(ran)而，工(gong)程實(shi)際應(ying)用中(zhong)，很多(duo)工👅況(kuang)條件(jian)不能(neng)滿足(zu)上述(shu)要求(qiu)，從而(er)無法(fa)達到(dao)所需(xu)要的(de)測量(liang)精度(du)(雷諾(nuo)數低(di)于标(biao)準中(zhong)推薦(jian)的雷(lei)諾數(shu)範圍(wei)、測量(liang)介💁質(zhi)中混(hun)有泥(ni)沙等(deng))進而(er)限制(zhi)了其(qi)應用(yong)範圍(wei)。
　　爲了(le)改善(shan)上述(shu)缺點(dian)，非标(biao)準差(cha)壓式(shi)流量(liang)計得(de)到快(kuai)速發(fa)🐉展和(he)進一(yi)步的(de)應用(yong)。基于(yu)差壓(ya)原理(li)的多(duo)孔孔(kong)☎️闆流(liu)量計(ji)不但(dan)繼承(cheng)了标(biao)準孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的結(jie)構簡(jian)單、無(wu)運動(dong)部件(jian)等優(you)點，且(qie)能夠(gou)平衡(heng)調整(zheng)流場(chang)，明顯(xian)減少(shao)渦流(liu)、降低(di)死區(qu)❓效應(ying)、減少(shao)流體(ti)動能(neng)的損(sun)失，是(shi)目前(qian)應用(yong)最爲(wei)廣泛(fan)的一(yi)種非(fei)标準(zhun)差㊙️壓(ya)式流(liu)量計(ji)。但在(zai)國内(nei)，多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)🌏相關(guan)核心(xin)技術(shu)研究(jiu)相對(dui)較少(shao)，實際(ji)應用(yong)中要(yao)根據(ju)不同(tong)測量(liang)條件(jian)來設(she)計流(liu)量計(ji)，缺乏(fa)完整(zheng)🛀的結(jie)構參(can)數設(she)計和(he)性能(neng)優化(hua)💰設計(ji)準則(ze)的指(zhi)導，在(zai)一🧑🏽‍🤝‍🧑🏻定(ding)程度(du)上遠(yuan)未達(da)到用(yong)戶之(zhi)首選(xuan)。
　　綜上(shang)所述(shu)，針對(dui)多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)結構(gou)設計(ji)和性(xing)能優(you)化國(guo)内已(yi)有一(yi)些研(yan)究，但(dan)缺乏(fa)統一(yi)的設(she)計準(zhun)則，不(bu)✂️利于(yu)😘工程(cheng)🔴應用(yong)。
　　結合(he)多孔(kong)整流(liu)器和(he)标準(zhun)孔闆(pan)聯合(he)使用(yong)的測(ce)量原(yuan)♋理🐆，提(ti)出一(yi)種對(dui)稱多(duo)孔孔(kong)闆差(cha)壓式(shi)流量(liang)計的(de)設計(ji)方法(fa)，采用(yong)計算(suan)流體(ti)動力(li)學(CFD)技(ji)術進(jin)行數(shu)值計(ji)算與(yu)仿真(zhen)分析(xi)。與标(biao)🔆準孔(kong)闆對(dui)比分(fen)析其(qi)流出(chu)系數(shu)及永(yong)久壓(ya)力損(sun)失等(deng)性能(neng)指标(biao)，分析(xi)結果(guo)說明(ming)🔱了其(qi)優越(yue)🤩性。最(zui)後通(tong)過實(shi)流實(shi)驗驗(yan)🏃‍♂️證了(le)設計(ji)的合(he)理性(xing)。此設(she)計方(fang)法可(ke)爲多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的結(jie)構設(she)計和(he)性能(neng)優化(hua)提供(gong)一定(ding)的參(can)考。
1多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)
　　 标準(zhun)孔闆(pan)流量(liang)計 是(shi)使用(yong)最早(zao)、應用(yong)最廣(guang)泛的(de)一種(zhong)差壓(ya)式流(liu)量計(ji)，具✌️有(you)結構(gou)簡單(dan)、測量(liang)精度(du)高等(deng)特點(dian)。其測(ce)量原(yuan)理爲(wei)對于(yu)充滿(man)管道(dao)的流(liu)體，當(dang)它流(liu)經管(guan)道内(nei)的節(jie)流件(jian)時，流(liu)體介(jie)質将(jiang)會♌在(zai)節流(liu)件處(chu)形成(cheng)局部(bu)收縮(suo)，因而(er)流速(su)增加(jia)，靜壓(ya)力降(jiang)低，于(yu)是在(zai)節💘流(liu)件前(qian)後便(bian)産生(sheng)了一(yi)定的(de)壓差(cha)💋。流體(ti)流量(liang)愈大(da)，産生(sheng)的壓(ya)🏃‍♀️差愈(yu)大，這(zhe)樣可(ke)依據(ju)壓差(cha)來衡(heng)量流(liu)量的(de)大小(xiao)。根據(ju)不可(ke)壓縮(suo)流體(ti)的連(lian)續性(xing)方程(cheng)和伯(bo)努利(li)方程(cheng)，定常(chang)流體(ti)的體(ti)積流(liu)量可(ke)以通(tong)過如(ru)下公(gong)式表(biao)示［8］:

　　式(shi)中:C爲(wei)流出(chu)系數(shu)，無量(liang)綱;β爲(wei)等效(xiao)直徑(jing)比，無(wu)量綱(gang);D爲孔(kong)闆直(zhi)徑;Δp爲(wei)壓差(cha)，單位(wei)爲Pa;qv爲(wei)體積(ji)流量(liang)，單位(wei)爲m3/s;ρ爲(wei)流體(ti)介質(zhi)密📞度(du)。
　　多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計具(ju)有對(dui)稱多(duo)孔結(jie)構，是(shi)目前(qian)最先(xian)進🤩的(de)差壓(ya)式💚流(liu)量計(ji)之一(yi)。相比(bi)傳統(tong)差壓(ya)式流(liu)量計(ji)🤞，不僅(jin)♻️結構(gou)簡單(dan)、安全(quan)💋可靠(kao)、适用(yong)面廣(guang)，還具(ju)有精(jing)度高(gao)、直管(guan)段要(yao)求低(di)、量程(cheng)比寬(kuan)、永久(jiu)👨‍❤️‍👨壓損(sun)小等(deng)優點(dian)。
　　多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)測量(liang)原理(li)基于(yu)能量(liang)守恒(heng)定律(lü)和✂️質(zhi)量👌守(shou)恒🥰定(ding)律。流(liu)量檢(jian)測時(shi)，所測(ce)介質(zhi)在通(tong)過多(duo)孔節(jie)流整(zheng)流器(qi)的同(tong)時進(jin)行流(liu)體整(zheng)流，減(jian)小節(jie)流裝(zhuang)置後(hou)形♌成(cheng)的渦(wo)流，形(xing)成較(jiao)穩定(ding)的紊(wen)流，從(cong)而使(shi)引壓(ya)管路(lu)能夠(gou)獲取(qu)到較(jiao)😄穩定(ding)的差(cha)壓信(xin)号，并(bing)🏃‍♂️進一(yi)步通(tong)🐉過伯(bo)努利(li)方程(cheng)計算(suan)得出(chu)⛱️工藝(yi)所需(xu)體積(ji)流量(liang)、質量(liang)流量(liang)等參(can)數［11-27］。
2對(dui)稱多(duo)孔孔(kong)闆差(cha)壓式(shi)流量(liang)計結(jie)構設(she)計
　　在(zai)工程(cheng)實際(ji)應用(yong)中，每(mei)個多(duo)孔流(liu)量計(ji)都要(yao)根據(ju)不💃同(tong)㊙️測量(liang)條件(jian)來設(she)計，其(qi)開孔(kong)面積(ji)、節流(liu)孔的(de)大小(xiao)、節流(liu)孔的(de)具體(ti)形狀(zhuang)、節流(liu)孔個(ge)數及(ji)排列(lie)方式(shi)等結(jie)構參(can)數均(jun)會對(dui)多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)性能(neng)産生(sheng)影響(xiang)。由于(yu)缺乏(fa)完整(zheng)的結(jie)構參(can)數設(she)計和(he)性能(neng)優化(hua)設計(ji)準❌則(ze)的指(zhi)導，在(zai)一定(ding)程度(du)上限(xian)制了(le)其應(ying)用範(fan)圍。對(dui)于不(bu)同的(de)測量(liang)函💃數(shu)孔的(de)數量(liang)、如🤞何(he)分布(bu)函數(shu)孔以(yi)及💃🏻函(han)數孔(kong)的🈲結(jie)構等(deng)無疑(yi)是⭐最(zui)主要(yao)的設(she)計參(can)數，目(mu)前還(hai)沒有(you)統一(yi)的标(biao)準。
　　結(jie)合多(duo)孔整(zheng)流器(qi)和标(biao)準孔(kong)闆的(de)測量(liang)原理(li)，提出(chu)并設(she)計流(liu)量計(ji)的孔(kong)闆結(jie)構爲(wei)在節(jie)流闆(pan)中心(xin)一個(ge)圓孔(kong)的基(ji)礎上(shang)，對稱(cheng)分布(bu)數量(liang)不等(deng)的圓(yuan)孔，如(ru)圖1所(suo)示，均(jun)勻分(fen)🔱布的(de)圓孔(kong)的總(zong)的面(mian)積和(he)标準(zhun)孔闆(pan)的面(mian)積♈相(xiang)等。

　　當介(jie)質流(liu)過圓(yuan)孔時(shi)，流體(ti)被平(ping)衡調(diao)整，渦(wo)流被(bei)最小(xiao)化，形(xing)成💔近(jin)似理(li)想流(liu)體，通(tong)過取(qu)壓裝(zhuang)置和(he)變送(song)器，可(ke)獲得(de)穩定(ding)的差(cha)壓信(xin)号，根(gen)💛據伯(bo)努利(li)方程(cheng)計算(suan)出流(liu)體的(de)流量(liang):

　　式中(zhong):Q爲介(jie)質流(liu)量，單(dan)位爲(wei)m3/h;K爲儀(yi)表系(xi)數;Y爲(wei)膨脹(zhang)系數(shu);Δp爲🥰差(cha)🔱壓值(zhi)🙇🏻，單位(wei)爲Pa;ρ爲(wei)介質(zhi)工況(kuang)密度(du)，單位(wei)爲kg/m3。
　　基(ji)于以(yi)上對(dui)稱多(duo)孔孔(kong)闆差(cha)壓式(shi)流量(liang)計結(jie)構設(she)計😄的(de)方法(fa)，以孔(kong)闆管(guan)徑80mm、等(deng)效直(zhi)徑比(bi)0.45、測量(liang)介質(zhi)爲常(chang)溫水(shui)的⚽條(tiao)件進(jin)行🙇‍♀️研(yan)究。首(shou)先❄️建(jian)立多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的計(ji)算模(mo)型，如(ru)圖2所(suo)示。參(can)照流(liu)量測(ce)量節(jie)流裝(zhuang)置設(she)計💚手(shou)冊建(jian)立流(liu)量計(ji)的❗幾(ji)何尺(chi)寸，在(zai)流量(liang)計測(ce)量的(de)上✊下(xia)遊部(bu)分設(she)計有(you)一定(ding)的直(zhi)管段(duan)來确(que)🐇保流(liu)量計(ji)在☔測(ce)量的(de)時候(hou)流體(ti)的流(liu)場處(chu)于一(yi)種均(jun)勻穩(wen)定的(de)狀态(tai)并使(shi)因節(jie)流而(er)被破(po)壞的(de)流場(chang)能夠(gou)恢複(fu)到節(jie)流前(qian)的狀(zhuang)态。

3多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計
　　依(yi)據流(liu)量計(ji)的設(she)計尺(chi)寸，在(zai)Creo3.0中建(jian)立其(qi)三維(wei)計算(suan)模型(xing)🔆，取闆(pan)前4D、闆(pan)後8D的(de)流場(chang)區域(yu)作爲(wei)計算(suan)域，并(bing)将其(qi)導📞入(ru)ICEM專用(yong)劃分(fen)網格(ge)軟件(jian)中進(jin)行網(wang)格劃(hua)分，網(wang)格的(de)劃分(fen)采用(yong)全六(liu)面體(ti)結構(gou)♻️化網(wang)格㊙️的(de)劃分(fen)方法(fa)，對計(ji)算域(yu)進行(hang)局部(bu)加密(mi)以保(bao)證計(ji)算精(jing)度，網(wang)格劃(hua)分結(jie)果👄如(ru)圖3所(suo)示。

　　由(you)于多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的流(liu)場情(qing)況較(jiao)爲複(fu)雜，對(dui)湍⛹🏻‍♀️流(liu)🙇🏻模🔞型(xing)的要(yao)求較(jiao)高，本(ben)文采(cai)用工(gong)程上(shang)常用(yong)的Standardk－ε湍(tuan)流模(mo)型，其(qi)方程(cheng)式✨表(biao)述㊙️如(ru)下［15］:

　　式(shi)中:k是(shi)湍流(liu)動能(neng);ε是湍(tuan)流耗(hao)散率(lü);ρ是流(liu)體密(mi)度;μ是(shi)流速(su);μt是湍(tuan)流粘(zhan)度;Gk是(shi)由層(ceng)流速(su)度梯(ti)度而(er)産生(sheng)的湍(tuan)流動(dong)能;Gb是(shi)由浮(fu)力🙇🏻産(chan)生💘的(de)湍流(liu)動能(neng)。C1ε、C2ε、C3ε是常(chang)量，分(fen)别爲(wei)C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是k方(fang)程和(he)ε方程(cheng)的湍(tuan)流prandtl數(shu)，分别(bie)爲🏒σk=1.0、σε=1.3。
　　設(she)置入(ru)口條(tiao)件爲(wei)速度(du)入口(kou)(velocity-inlet)，出口(kou)爲自(zi)由發(fa)展出(chu)流(outflow)，以(yi)🌂各項(xiang)參數(shu)的殘(can)差小(xiao)于0.00001爲(wei)收斂(lian)标準(zhun)，分别(bie)計算(suan)0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等幾(ji)種入(ru)口流(liu)速下(xia)流量(liang)計的(de)流場(chang)特性(xing)。文中(zhong)給出(chu)幾種(zhong)典型(xing)流速(su)條件(jian)下的(de)計算(suan)結果(guo)，如圖(tu)4所示(shi)。


　　由(you)圖4可(ke)以看(kan)出，入(ru)口流(liu)速在(zai)0.2～7m/s時多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)下👄遊(you)速度(du)彙聚(ju)趨勢(shi)明顯(xian)，相比(bi)于标(biao)準孔(kong)闆其(qi)壁面(mian)回流(liu)區較(jiao)小，但(dan)随❓入(ru)口🔞流(liu)速不(bu)斷增(zeng)大回(hui)流區(qu)長度(du)随之(zhi)增大(da)，變化(hua)範圍(wei)爲0.5D～1.2D。由(you)此可(ke)見💰，多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)尾流(liu)流場(chang)能夠(gou)快速(su)進入(ru)穩定(ding)狀态(tai)。闆前(qian)死區(qu)較小(xiao)，且👄随(sui)流速(su)增大(da)而逐(zhu)漸增(zeng)大。
　　通(tong)過Fluent求(qiu)解計(ji)算獲(huo)得孔(kong)闆前(qian)後的(de)差壓(ya)值，進(jin)而得(de)到流(liu)量計(ji)的永(yong)🏃🏻‍♂️久壓(ya)力損(sun)失。取(qu)壓口(kou)設置(zhi)爲上(shang)下遊(you)取壓(ya)口距(ju)離💘孔(kong)闆上(shang)下遊(you)端面(mian)的距(ju)離爲(wei)0.04m，通過(guo)在Fluent中(zhong)定義(yi)相應(ying)取壓(ya)面‼️，分(fen)别求(qiu)取上(shang)下遊(you)取壓(ya)面的(de)平均(jun)壓🍓力(li)值，獲(huo)得🌍壓(ya)差值(zhi)和永(yong)久壓(ya)力損(sun)失值(zhi)如下(xia)表1所(suo)示。不(bu)同入(ru)口流(liu)速下(xia)，标準(zhun)孔闆(pan)流量(liang)計和(he)多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)永久(jiu)壓力(li)損失(shi)的對(dui)比情(qing)況如(ru)表1和(he)圖✂️5所(suo)示。

　　由(you)表1和(he)圖5可(ke)以看(kan)出，随(sui)着入(ru)口流(liu)速的(de)不斷(duan)增大(da)，多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)永久(jiu)壓力(li)損失(shi)呈逐(zhu)漸增(zeng)大的(de)趨勢(shi);相比(bi)于标(biao)準孔(kong)闆🔞流(liu)量計(ji)，由于(yu)渦流(liu)的減(jian)少，多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)具有(you)更小(xiao)的永(yong)久壓(ya)力損(sun)失，永(yong)久壓(ya)力損(sun)失較(jiao)标準(zhun)孔闆(pan)節流(liu)裝置(zhi)降低(di)約1/3。
　　圖(tu)6所示(shi)爲不(bu)同流(liu)速下(xia)，多孔(kong)孔闆(pan)和标(biao)準孔(kong)闆流(liu)量✏️計(ji)的💰流(liu)💯出系(xi)✌️數對(dui)比曲(qu)線。由(you)圖6可(ke)知，多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的流(liu)出系(xi)數較(jiao)标準(zhun)孔闆(pan)流出(chu)系數(shu)有明(ming)顯提(ti)高，同(tong)時随(sui)着流(liu)速🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)變化(hua)流出(chu)系數(shu)能夠(gou)保持(chi)良好(hao)的穩(wen)定性(xing)。

　　爲了(le)檢驗(yan)所設(she)計的(de)多孔(kong)孔闆(pan)差壓(ya)流量(liang)計的(de)性能(neng)指标(biao)，和标(biao)準孔(kong)闆節(jie)流裝(zhuang)置進(jin)行了(le)實流(liu)試驗(yan)，結合(he)現場(chang)使用(yong)反饋(kui)情況(kuang)，其性(xing)能指(zhi)标對(dui)比如(ru)表2所(suo)示。

4結(jie)論
　　以(yi)管徑(jing)80mm、節流(liu)比β=0.45的(de)多孔(kong)孔闆(pan)爲對(dui)象，通(tong)過對(dui)不同(tong)入🤩口(kou)💜流速(su)下🔱的(de)多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計進(jin)行分(fen)析，得(de)出此(ci)種流(liu)量計(ji)節流(liu)件🚶前(qian)後産(chan)生的(de)渦流(liu)大大(da)降低(di)，無需(xu)很⛷️長(zhang)的直(zhi)管段(duan)整流(liu)，顯著(zhe)提高(gao)了測(ce)量精(jing)度;永(yong)久壓(ya)力損(sun)失由(you)于渦(wo)流的(de)減少(shao)較标(biao)準孔(kong)闆節(jie)流裝(zhuang)置降(jiang)低❗了(le)約1/3。試(shi)驗對(dui)比分(fen)析表(biao)明，多(duo)孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)比常(chang)規标(biao)準孔(kong)闆節(jie)流裝(zhuang)置具(ju)有明(ming)顯🛀🏻的(de)優勢(shi)，其适(shi)應🤞性(xing)更🔞好(hao)。

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