在流體(ti)機械瞬(shun)态流動(dong)的過程(cheng)中,需要(yao)對瞬時(shi)流量進(jin)行🔞測試(shi)．電磁流(liu)量計在(zai)測量快(kuai)速變化(hua)的流量(liang)時,其轉(zhuan)換器的(de)信号處(chu)理時❗間(jian)普⭐遍超(chao)過0．２s,需要(yao)經過特(te)殊設計(ji)才能達(da)到要求(qiu)🤩[5];渦輪流(liu)量計在(zai)測試小(xiao)流量的(de)瞬時變(bian)化時,存(cun)在強烈(lie)的非線(xian)性問題(ti)．而在許(xu)多場合(he),孔闆流(liu)量計能(neng)較好地(di)用于瞬(shun)态流量(liang)的❗測試(shi)．
基于CFD技(ji)術,通過(guo)改變流(liu)量﹑直徑(jing)比﹑孔闆(pan)厚度和(he)流體介(jie)質等,對(dui)孔闆内(nei)部穩定(ding)流動進(jin)行了研(yan)究．采用(yong)CFD技術研(yan)究了方(fang)形孔和(he)圓形孔(kong)闆流量(liang)計在測(ce)量濕夭(yao)然氣時(shi)的異同(tong);對錐體(ti)流量計(ji)的孔流(liu)💰系數進(jin)行數值(zhi)模拟;對(dui)周期性(xing)波動的(de)流量流(liu)經孔㊙️闆(pan)進🍓行了(le)實驗和(he)理♻️論分(fen)🌍析後指(zhi)出,孔闆(pan)前後壓(ya)差呈現(xian)非📐線性(xing),且滞後(hou)于流量(liang)的變化(hua),稱之爲(wei)“渦慣性(xing)”．
鑒于目(mu)前未見(jian)有對孔(kong)闆流量(liang)計在測(ce)量流量(liang)加速瞬(shun)态過程(cheng)的相關(guan)研究,爲(wei)了從内(nei)流角度(du)揭示壓(ya)差滞後(hou)于流量(liang)變化的(de)原因,考(kao)妞到采(cai)用試驗(yan)測量較(jiao)爲困難(nan),文中采(cai)用CFD方法(fa)分别對(dui)穩态和(he)加速過(guo)程的孔(kong)流系數(shu)進行數(shu)值預測(ce),重點分(fen)析孔流(liu)系數與(yu)流動狀(zhuang)态瞬時(shi)轉變間(jian)的聯系(xi),爲實現(xian)采用孔(kong)闆流量(liang)計測量(liang)瞬時流(liu)量提供(gong)參考。
1物(wu)理模型(xing)和數值(zhi)方法
1.1基(ji)本理論(lun)
孔闆流(liu)量計是(shi)一種差(cha)壓式流(liu)量計．對(dui)于不可(ke)壓流體(ti)的水平(ping)管流動(dong),忽略管(guan)壁摩擦(ca)阻力損(sun)失,根據(ju)流體的(de)連續性(xing)和💔機械(xie)能的相(xiang)互轉化(hua)可得
1.2模(mo)型﹑網格(ge)和邊界(jie)條件
圖(tu)1爲孔闆(pan)流量計(ji)的物理(li)模型示(shi)意.根據(ju)标準孔(kong)闆流量(liang)計的安(an)裝,圖1a中(zhong),上下遊(you)直管段(duan)長分别(bie)取10D和5D作(zuo)爲穩定(ding)直🛀🏻管段(duan).其中👈上(shang)下遊管(guan)内徑D取(qu)100mm,孔闆厚(hou)度δ取3mm.
流(liu)量從0以(yi)恒定加(jia)速度增(zeng)長,如圖(tu)1b所示;測(ce)壓點的(de)位置示(shi)于圖💘1c.
爲(wei)了準确(que)捕捉孔(kong)闆前後(hou)流場的(de)變化情(qing)況,首先(xian)在🐇壁🏃🏻面(mian)附近劃(hua)分了邊(bian)界層網(wang)格,邊界(jie)層第1層(ceng)厚度爲(wei)0.1mm,共10層,高(gao)度❄️增長(zhang)因子爲(wei)1.1;其次,用(yong)與孔闆(pan)等孔徑(jing)的圓柱(zhu)面作🏃爲(wei)分界面(mian),對内部(bu)流域進(jin)行切割(ge),并對該(gai)邊界面(mian)附近劃(hua)分同上(shang)的邊界(jie)層網格(ge),其内部(bu)區域采(cai)用蝶形(xing)網格劃(hua)分;最後(hou),在邊界(jie)層設置(zhi)好的基(ji)礎上,采(cai)用結構(gou)化網格(ge)生成方(fang)式完成(cheng)其餘部(bu)分的❓網(wang)格🥵劃分(fen).
圖２給出(chu)了孔闆(pan)附近的(de)網格分(fen)布.以常(chang)溫狀态(tai)下液态(tai)水作✍️爲(wei)流體介(jie)質,動量(liang)﹑湍動能(neng)和湍流(liu)耗散率(lü)方程的(de)離散選(xuan)擇二階(jie)迎風格(ge)式,壓力(li)和速度(du)耦合選(xuan)用SＩMＰLＥ算法(fa)⁉️,穩态和(he)♍加速條(tiao)件下的(de)湍流模(mo)型分别(bie)采用Realizablek－ε和(he)RealizableDＥS模型.穩(wen)态和加(jia)速過程(cheng)的進口(kou)均采用(yong)速度進(jin)口邊界(jie)條件,流(liu)體加速(su)曲線見(jian)圖1b,管壁(bi)爲無滑(hua)移壁面(mian)💃🏻邊界條(tiao)件.
由于(yu)流速不(bu)斷增大(da),考妞采(cai)用變時(shi)間步長(zhang)的方式(shi)以提高(gao)叠🤩代過(guo)程的經(jing)濟性,時(shi)間步長(zhang)△t與時刻(ke)t采用🏒式(shi)(1)的關系(xi)💚式:
流場(chang)求解軟(ruan)件爲Liｎux平(ping)台下的(de)Flueｎｔ6．3,采用曙(shu)光1800工作(zuo)站上的(de)8個ＩｎｔelXeoｎ處理(li)器(3．２GHz)進行(hang)并行計(ji)算,穩态(tai)叠代4000次(ci)約需２h,瞬(shun)态叠代(dai)２50個時間(jian)步約需(xu)２２h．
2結果分(fen)析
2.1孔流(liu)系數和(he)壓降
圖(tu)3給出了(le)孔流系(xi)數的數(shu)值模拟(ni)結果,Realiza-blek－ε模(mo)拟的穩(wen)态孔流(liu)🛀🏻系數💛C0與(yu)ＩSO試驗回(hui)歸曲線(xian)[10]的最大(da)誤差在(zai)3％以内,标(biao)🙇🏻準k－ε的❄️最(zui)大誤差(cha)達6％[6]．
對于(yu)流量Q≤0．6m3/h,C0随(sui)流量的(de)增加緩(huan)慢下降(jiang),之後保(bao)持在0．63左(zuo)右．與C0不(bu)同的是(shi),C從0開始(shi)随流量(liang)的增大(da)而增大(da),并逐🔆漸(jian)向C0靠近(jin),直至Q≥3．5m3/h後(hou)才達到(dao)🥰C0的水平(ping)．C在時間(jian)上滞後(hou)于C0．圖4中(zhong)△p－Q曲線顯(xian)示📱,Q≤3．0m3/h時,加(jia)速👣過程(cheng)孔闆前(qian)後壓降(jiang)高于同(tong)等流量(liang)下穩态(tai)壓降;Q≥3．0m3/h後(hou),瞬态壓(ya)降才降(jiang)爲穩态(tai)水平．
2.2速(su)度和壓(ya)力場分(fen)析
從内(nei)流角度(du)分析導(dao)緻第２．1節(jie)中C和C0不(bu)同的原(yuan)因,圖5和(he)圖6分☀️别(bie)給出并(bing)對比了(le)相同流(liu)量下穩(wen)态和加(jia)速過程(cheng)中流經(jing)孔闆🤩前(qian)後流體(ti)的速度(du)和壓力(li)場．對于(yu)Q≤3．0m3/h穩态條(tiao)件,孔闆(pan)後方始(shi)終可觀(guan)察到一(yi)個🧑🏾🤝🧑🏼被拉(la)長的主(zhu)渦和孔(kong)闆右上(shang)方的小(xiao)渦,流動(dong)的損失(shi)較大,同(tong)時表明(ming)流場中(zhong)已形成(cheng)穩定的(de)流動通(tong)道,動💛能(neng)和壓能(neng)的轉化(hua)已達到(dao)📞平衡,流(liu)動的損(sun)失❗(長漩(xuan)渦)也趨(qu)于🏃♂️穩定(ding)♋,并且壓(ya)差❤️随流(liu)量🈲的增(zeng)大而穩(wen)定增🈲大(da)．
加速過(guo)程中孔(kong)闆後方(fang)的漩渦(wo)是逐漸(jian)形成的(de):小流量(liang)🈚時流動(dong)🛀較✊爲平(ping)穩,流體(ti)不斷被(bei)加速的(de)流體向(xiang)下遊推(tui)☂️動,漩渦(wo)來不及(ji)形成,流(liu)動的損(sun)失較小(xiao);随着流(liu)量的不(bu)斷加大(da),孔闆後(hou)方開始(shi)出現流(liu)動分離(li)(約在✂️Q＞1．1m3/h時(shi));當流量(liang)進一步(bu)加大,孔(kong)闆後方(fang)出現了(le)🤩較大的(de)漩渦．加(jia)速前期(qi),壓力沿(yan)整個管(guan)道逐漸(jian)向🔆下遊(you)傳播,壓(ya)🚩能傳播(bo)的距😘離(li)較長,沒(mei)有在短(duan)距離内(nei)快速轉(zhuan)換爲💰動(dong)能．
經上(shang)述分析(xi)可以認(ren)爲,導緻(zhi)加速前(qian)期C和C0之(zhi)間差異(yi)🐪的内流(liu)🐪原✍️因是(shi),漩渦形(xing)成的滞(zhi)後以及(ji)加速前(qian)期壓力(li)能沒有(you)在短距(ju)離内全(quan)部轉化(hua)爲動能(neng)．
随着流(liu)量的增(zeng)大,孔闆(pan)後方出(chu)現了明(ming)顯的漩(xuan)渦,漩渦(wo)中心附(fu)近🤟區域(yu)即爲低(di)壓區．雖(sui)然孔流(liu)系數和(he)壓降的(de)瞬态和(he)穩👌态值(zhi)分别相(xiang)互接近(jin),然而由(you)于流體(ti)仍然處(chu)🈲于加速(su)階段,因(yin)此流動(dong)狀态(漩(xuan)渦的形(xing)狀和位(wei)置)和壓(ya)力分布(bu)與穩态(tai)條件㊙️相(xiang)比,仍然(ran)存在較(jiao)大差異(yi)．
3結論
通(tong)過CFD技術(shu),實現了(le)穩态和(he)加速流(liu)體流經(jing)孔闆後(hou)流🌈場的(de)數值模(mo)拟,得到(dao)了孔流(liu)系數﹑流(liu)場和壓(ya)力的模(mo)⭐拟結果(guo),主要概(gai)括爲:
1)穩(wen)态孔流(liu)系數C0的(de)數值預(yu)測值與(yu)ＩSO試驗回(hui)歸曲線(xian)十分接(jie)近,Realizablek－ε比标(biao)準k－ε的C0預(yu)測值更(geng)接近ＩSO試(shi)驗回歸(gui)曲線,誤(wu)差分别(bie)爲3％和6％;
２)加(jia)速過程(cheng),C随流量(liang)的增大(da)逐漸增(zeng)大并靠(kao)近穩态(tai)C0;加🤞速👨❤️👨前(qian)期,壓差(cha)高于穩(wen)态水平(ping),随着流(liu)量的不(bu)斷增大(da),瞬态♌和(he)穩态壓(ya)差相互(hu)接近．3)導(dao)緻加速(su)前期C和(he)C0之間差(cha)異的内(nei)流原因(yin)是,漩🙇🏻渦(wo)形成🚶♀️的(de)滞後以(yi)及加速(su)前期壓(ya)力能沒(mei)有在短(duan)距離内(nei)全部轉(zhuan)化爲動(dong)能．文中(zhong)内容可(ke)爲利用(yong)孔闆流(liu)量計測(ce)量瞬時(shi)流量提(ti)供參🔞考(kao)依據,爲(wei)流體🛀機(ji)械内部(bu)非定常(chang)流動等(deng)特殊問(wen)題的提(ti)供基☀️本(ben)保障．今(jin)後的工(gong)作将圍(wei)繞流量(liang)波動﹑階(jie)㊙️躍和突(tu)減等其(qi)他瞬态(tai)狀況．
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