摘要(yao):因多種(zhǒng)工況條(tiao)件無法(fa)滿足測(ce)量精度(dù)要求，傳(chuán)統 差壓(ya)式流量(liàng)計 應用(yòng)範圍受(shou)到一定(dìng)限制。基(ji)于多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhun)孔闆⛷️的(de)流量測(ce)量原理(li)，提出一(yi)種對稱(cheng)多孔孔(kǒng)闆差壓(yā)式流量(liang)計 的設(she)計方法(fa)。然後對(duì)該流量(liàng)計進行(háng)計算流(liú)體動力(lì)學(CFD)數值(zhi)計算與(yǔ)仿真分(fèn)析，結果(guǒ)表明多(duō)孔孔闆(pan)差壓👨‍❤️‍👨式(shi)流量計(jì)測量精(jīng)度較标(biao)💯準孔闆(pan)流量計(ji)提高1倍(bèi)以上，永(yǒng)久壓力(li)損失減(jian)小約1/3。最(zui)後進行(hang)實流試(shi)驗，試驗(yan)結果表(biǎo)明，多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計比(bi)常規标(biāo)準🐅孔闆(pan)節流㊙️裝(zhuāng)置具有(you)明✌️顯的(de)優勢，其(qí)适應性(xing)更好🧡。此(ci)設計方(fang)法🈲可爲(wèi)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的結(jié)構設計(jì)和性能(neng)優化提(ti)供參考(kao)。
0引言
　　流(liú)量計量(liang)是計量(liang)科學技(ji)術的重(zhong)要組成(chéng)部分，廣(guang)泛應用(yong)㊙️于農業(yè)生産、石(shí)油石化(huà)、科學研(yán)究、國防(fang)建設以(yi)及人民(mín)生🈲活的(de)🌏諸多📧領(lǐng)域。尤其(qí)在能源(yuán)危機的(de)後經濟(jì)時代，流(liú)量計量(liang)的重要(yao)性日✊益(yi)突出。相(xiang)比其它(tā)流量計(jì)，傳統差(cha)壓式流(liú)量計因(yīn)結構簡(jiǎn)單、成本(běn)低、重複(fú)性好、标(biāo)準化程(chéng)度高等(deng)特點得(dé)到廣泛(fàn)應用，但(dàn)隻有在(zài)符合标(biao)準要求(qiú)的技術(shù)條件下(xià)，才能準(zhun)确地測(ce)量流量(liang)。然而，工(gōng)程實際(jì)應用中(zhōng)，很多工(gong)況條件(jian)不能滿(man)足上述(shu)要求，從(cong)而無法(fǎ)達到所(suo)需要的(de)測量精(jīng)度(雷諾(nuò)數低于(yú)⛱️标準中(zhong)推薦的(de)雷諾數(shu)範圍、測(cè)量介質(zhi)中混有(yǒu)泥沙等(děng))進而限(xian)制了其(qí)應用範(fàn)圍。
　　爲了(le)改善上(shàng)述缺點(diǎn)，非标準(zhun)差壓式(shì)流量計(ji)得到快(kuai)🤩速♈發展(zhǎn)和進✌️一(yī)步的應(yīng)用。基于(yu)差壓原(yuan)理的多(duo)孔孔闆(pan)流量計(jì)不但繼(jì)承了标(biāo)準孔闆(pan)流量計(ji)的結構(gòu)簡單、無(wu)運動部(bù)件等優(yōu)點❌，且能(néng)夠平衡(heng)調整流(liu)場，明顯(xiǎn)減少渦(wō)流、降低(di)死區效(xiao)應、減少(shǎo)🌐流體動(dòng)能😘的損(sǔn)失，是目(mù)前應用(yòng)最爲廣(guǎng)泛的一(yi)種非标(biāo)準差壓(ya)式流量(liang)計。但在(zai)國内，多(duō)孔🤟孔闆(pan)流量計(ji)的🥵相關(guān)核心技(jì)術研究(jiū)💘相對較(jiao)少，實際(ji)應用中(zhōng)要根據(ju)不同♉測(ce)量條件(jian)來設🏃🏻‍♂️計(jì)流量計(jì)，缺乏完(wán)整的結(jie)構參數(shu)設計和(he)性能優(yōu)化設計(ji)準則的(de)指導，在(zai)一📱定程(cheng)度上遠(yuǎn)未達到(dao)用戶之(zhī)首選。
　　綜(zong)上所述(shu)，針對多(duo)孔孔闆(pǎn)流量計(ji)的結構(gòu)設計和(he)性能優(you)化國内(nèi)已有一(yī)些研究(jiū)，但缺乏(fá)統一的(de)設計準(zhǔn)㊙️則，不⭐利(lì)于工程(chéng)應用。
　　結(jie)合多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhǔn)孔闆聯(lian)合使用(yòng)的測量(liang)原♈理，提(tí)出♻️一㊙️種(zhǒng)對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)的設計(ji)方法✊，采(cǎi)用🏃🏻計算(suàn)流體動(dòng)力學(CFD)技(ji)術進行(háng)數值計(ji)算與仿(pang)真分析(xī)。與标準(zhǔn)孔闆對(dui)比分析(xī)其流出(chu)系數及(ji)永久壓(ya)力損失(shī)等性能(neng)指标，分(fèn)析🍓結果(guǒ)說明了(le)其優越(yue)💔性。最後(hòu)通過實(shí)流實驗(yàn)驗證了(le)設計的(de)合理性(xing)。此設計(jì)方法可(ke)爲☔多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計的(de)結構設(shè)計和性(xìng)能♌優化(huà)提供一(yī)定的參(can)考。
1多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計
　　 标(biao)準孔闆(pǎn)流量計(ji) 是使用(yong)最早、應(ying)用最廣(guang)泛的一(yī)種差壓(yā)式流量(liang)計，具有(yǒu)結構簡(jian)⛷️單、測量(liang)精度高(gāo)等特點(dian)。其測量(liàng)原理爲(wèi)對于充(chōng)滿管道(dao)的流體(tǐ)💋，當它流(liu)經管道(dao)内的節(jiē)流件時(shí)，流體介(jiè)🔞質将會(huì)🚶‍♀️在節流(liú)件處形(xing)⛹🏻‍♀️成局部(bù)收縮，因(yin)而流🔆速(sù)增加，靜(jìng)壓力降(jiàng)低，于是(shì)在節流(liú)件前後(hòu)便産生(shēng)了🏃‍♀️一定(dìng)的壓差(chà)🏒。流體流(liú)量愈大(da)，産生的(de)壓差愈(yù)大，這樣(yàng)可依據(jù)壓差來(lái)衡量流(liú)量的大(da)♌小。根據(ju)不可壓(ya)縮流體(tǐ)的連續(xù)性方程(chéng)和伯努(nǔ)利方程(chéng)，定常流(liu)體的體(tǐ)積流量(liàng)可以通(tong)過如下(xià)公式表(biao)示［8］:

　　式中(zhōng):C爲流出(chū)系數，無(wú)量綱;β爲(wèi)等效直(zhi)徑比，無(wu)量綱;D爲(wèi)孔🚩闆🈲直(zhí)徑;Δp爲壓(yā)差，單位(wei)爲Pa;qv爲體(ti)積流量(liang)，單位爲(wèi)m3/s;ρ爲流體(tǐ)介質密(mì)⛹🏻‍♀️度。
　　多孔(kong)孔闆流(liú)量計具(jù)有對稱(cheng)多孔結(jie)構，是目(mù)前最先(xian)進✨的差(chà)壓式流(liú)量計之(zhī)一。相比(bi)傳統差(cha)壓式流(liú)量計，不(bú)僅結構(gou)簡單、安(an)全🔴可靠(kào)、适用面(mian)廣，還具(ju)有精度(dù)高、直管(guǎn)段✂️要求(qiú)低、量程(cheng)比寬、永(yǒng)久壓損(sǔn)小等優(you)點。
　　多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理基于(yu)能量守(shǒu)恒定律(lü)🙇🏻和☎️質量(liàng)守恒定(dìng)律。流量(liàng)檢測時(shi)，所測介(jie)質在通(tong)過多孔(kǒng)節💞流整(zheng)流器的(de)同時進(jìn)行流體(tǐ)整流，減(jian)小節流(liu)裝置後(hou)形成的(de)渦❌流，形(xíng)成較穩(wěn)定的紊(wen)流，從而(er)使引壓(yā)❄️管路能(néng)夠獲取(qu)到較👄穩(wěn)定的差(chà)👈壓信号(hao)，并進一(yi)步通過(guò)伯努利(li)方🈚程計(ji)算得出(chū)㊙️工藝所(suo)需體積(ji)流量、質(zhì)量🔞流量(liàng)等參數(shù)［12-15］。
2對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shì)流量計(jì)結構設(shè)計
　　在工(gōng)程實際(jì)應用中(zhong)，每個多(duo)孔流量(liang)計都要(yao)根據不(bu)同測量(liang)條件來(lai)設計，其(qí)開孔面(mian)積、節流(liú)孔的大(da)小、節💯流(liú)孔🤩的具(jù)體形狀(zhuàng)、節流孔(kong)個數及(jí)排列方(fang)式等結(jié)構參數(shu)均會對(duì)多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計的性(xing)能産生(sheng)影響。由(you)于缺乏(fa)完整的(de)結構參(can)數設計(jì)和性能(neng)優化設(she)計準則(zé)的指導(dǎo)，在一定(dìng)程度上(shàng)限制了(le)其應用(yong)範圍。對(dui)于不同(tong)的測量(liàng)🐇函數孔(kong)的數量(liang)、如🈲何分(fèn)布函數(shu)孔✌️以及(jí)函數孔(kǒng)的♋結構(gou)等無疑(yí)是最主(zhu)要的設(shè)計參數(shu)，目前還(hai)沒有統(tong)一的标(biao)準。
　　結合(hé)多孔整(zheng)流器和(he)标準孔(kong)闆的測(ce)量原理(lǐ)，提出并(bing)🐪設計💜流(liu)量計的(de)孔闆結(jie)構爲在(zài)節流闆(pan)中心一(yī)個圓孔(kǒng)的基礎(chǔ)上，對稱(chēng)分🐕布數(shu)量不等(děng)的圓孔(kong)，如圖1所(suǒ)示，均勻(yún)分布的(de)圓孔的(de)總🚩的面(mian)積和标(biāo)準孔闆(pan)的面積(ji)相等。

　　當介(jie)質流過(guò)圓孔時(shí)，流體被(bèi)平衡調(diao)整，渦流(liú)被最小(xiao)🍉化，形成(cheng)近似理(lǐ)想流體(tǐ)，通過取(qǔ)壓裝置(zhì)和變送(song)器，可獲(huò)得穩定(dìng)的差壓(yā)信号，根(gēn)據伯努(nu)利方程(chéng)計算出(chu)流體的(de)流量:

　　式(shì)中:Q爲介(jiè)質流量(liàng)，單位爲(wèi)m3/h;K爲儀表(biǎo)系數;Y爲(wei)膨脹系(xi)數;Δp爲差(chà)壓值，單(dan)位爲Pa;ρ爲(wei)介質工(gong)況密度(dù)，單位爲(wei)kg/m3。
　　基于以(yǐ)上對稱(chēng)多孔孔(kǒng)闆差壓(ya)式流量(liàng)計結構(gòu)設計的(de)方✉️法，以(yǐ)孔💯闆管(guan)徑80mm、等效(xiào)直徑比(bǐ)0.45、測量介(jiè)質爲常(chang)溫水的(de)條件💋進(jìn)行研究(jiū)🌈。首先㊙️建(jian)立多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計的(de)計算模(mó)型，如圖(tú)2所示。參(can)照流量(liang)測量節(jie)流裝置(zhì)設計手(shou)冊建立(lì)流量計(ji)的幾何(he)尺寸，在(zài)流量計(ji)測量的(de)上✊下遊(yóu)部分設(she)計有一(yi)定的直(zhí)管段來(lái)确保流(liu)量計在(zai)測量的(de)時候流(liú)體的流(liú)場處于(yu)一種均(jun1)勻穩定(ding)的狀态(tài)并使因(yīn)🏃🏻‍♂️節流而(er)被破壞(huai)的流場(chǎng)能夠恢(huī)複到節(jiē)流前⁉️的(de)狀态。

3多(duo)孔孔闆(pan)流量計(jì)
　　依據流(liú)量計的(de)設計尺(chi)寸，在Creo3.0中(zhōng)建立其(qí)三維計(ji)算模型(xíng)，取闆前(qián)4D、闆後8D的(de)流場區(qu)域作爲(wèi)計算域(yù)，并将其(qí)導入ICEM專(zhuan)📱用劃分(fèn)網格軟(ruǎn)件中進(jin)行網格(gé)劃分，網(wǎng)格的劃(hua)👅分采用(yòng)全六面(miàn)☎️體結構(gou)化網格(gé)🥵的劃分(fen)方法，對(duì)計算域(yù)進行局(ju)🌐部加密(mi)以保證(zheng)計算精(jīng)度，網格(gé)劃分結(jie)果如圖(tú)3所示。

　　由于(yu)多孔孔(kong)闆流量(liàng)計的流(liú)場情況(kuang)較爲複(fu)雜，對湍(tuan)流模型(xíng)的要求(qiú)較高，本(běn)文采用(yòng)工程上(shang)常用的(de)Standardk－ε湍流模(mó)型，其方(fang)程式表(biao)述如下(xià)💰［15］:

　　式中:k是(shì)湍流動(dong)能;ε是湍(tuan)流耗散(sàn)率;ρ是流(liu)體密度(dù);μ是流速(sù);μt是湍流(liú)粘度;Gk是(shì)由層流(liú)速度梯(ti)度而産(chan)生的湍(tuan)流動能(neng)🚶;Gb是由浮(fu)力産生(shēng)的湍流(liu)動能。C1ε、C2ε、C3ε是(shì)常量，分(fèn)别爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是(shì)k方程和(he)ε方程的(de)湍流prandtl數(shu)，分别爲(wei)🌈σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入(ru)口條件(jian)爲速度(du)入口(velocity-inlet)，出(chu)口爲自(zi)由發展(zhǎn)出流(outflow)，以(yi)各項🔞參(can)🔴數的殘(can)差小于(yú)0.00001爲收斂(liǎn)标準，分(fen)别計算(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等幾種(zhǒng)入口流(liú)速下流(liu)量計的(de)流場特(tè)性。文中(zhong)給出幾(jǐ)種典型(xíng)流速條(tiao)件下的(de)計算結(jie)果，如圖(tu)4所示。


　　由圖4可(ke)以看出(chu)，入口流(liu)速在0.2～7m/s時(shí)多孔孔(kong)闆流量(liang)計下🧡遊(you)速度彙(huì)聚趨勢(shì)明顯，相(xiàng)比于标(biāo)準孔闆(pan)其壁面(miàn)回流區(qū)較小，但(dàn)随入口(kou)流速不(bú)斷增大(dà)回流區(qū)長度随(suí)之增大(dà)，變化範(fàn)圍爲0.5D～1.2D。由(you)此可見(jiàn)🐪，多孔孔(kong)闆流量(liàng)計尾流(liu)流場能(néng)夠快速(sù)進入穩(wen)定狀态(tài)。闆前死(si)區較小(xiǎo)，且随流(liú)速增大(da)而逐漸(jian)增大。
　　通(tōng)過Fluent求解(jiě)計算獲(huo)得孔闆(pǎn)前後的(de)差壓值(zhi)，進而得(de)到流量(liàng)計的永(yǒng)久壓力(li)損失。取(qu)壓口設(shè)置爲上(shàng)下遊取(qu)壓口距(ju)離孔闆(pan)上下遊(you)端面的(de)距離爲(wei)0.04m，通過在(zài)Fluent中定義(yì)相應取(qu)壓面，分(fen)别求取(qu)上下遊(yóu)取壓面(mian)的平均(jun)壓力值(zhi)，獲得❓壓(ya)差值和(hé)永久壓(ya)力🛀🏻損失(shī)值如下(xià)表1所示(shi)。不同入(rù)口流速(sù)下，标準(zhǔn)孔🧡闆流(liu)量計和(hé)♍多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計的永(yǒng)久👈壓力(lì)損失的(de)對比情(qing)況如表(biao)1和圖5所(suo)示。

　　由表(biǎo)1和圖5可(kě)以看出(chū)，随着入(ru)口流速(sù)的不斷(duàn)增大，多(duō)孔孔闆(pǎn)流量計(jì)的永久(jiǔ)壓力損(sun)失呈逐(zhú)漸增大(da)的趨勢(shi);相比于(yu)标準🈲孔(kong)闆流量(liàng)🈲計，由于(yu)渦流的(de)減少，多(duo)孔孔闆(pǎn)流量計(jì)具有更(geng)小的永(yong)久壓力(lì)損失，永(yong)久壓力(lì)👉損失較(jiào)标準孔(kǒng)闆節流(liu)裝置降(jiang)💋低約1/3。
　　圖(tu)6所示爲(wei)不同流(liú)速下，多(duō)孔孔闆(pǎn)和标準(zhǔn)孔闆流(liú)量計的(de)流出系(xì)數對比(bǐ)曲線。由(yóu)圖6可知(zhi)，多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計的流(liú)出系數(shu)🈲較标準(zhǔn)孔闆流(liu)出系數(shù)有明顯(xiǎn)提高，同(tong)時随着(zhe)流速的(de)變化流(liú)出系數(shu)能夠🏃🏻‍♂️保(bǎo)持良好(hao)的穩定(ding)性。

　　爲了(le)檢驗所(suo)設計的(de)多孔孔(kong)闆差壓(yā)流量計(jì)的性能(néng)指标，和(he)标準⭕孔(kong)闆節流(liú)裝置進(jìn)行了實(shi)流試驗(yàn)，結合現(xian)場使用(yòng)反饋情(qing)況，其性(xìng)能指标(biao)對比如(ru)表2所示(shi)。

4結論
　　以(yi)管徑80mm、節(jiē)流比β=0.45的(de)多孔孔(kong)闆爲對(dui)象，通過(guo)對不同(tóng)入口流(liu)速📞下的(de)♻️多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計進行(hang)分析，得(de)出此種(zhong)流量計(ji)節流件(jiàn)前後産(chǎn)生的渦(wō)流大大(dà)降低，無(wu)需很💁長(zhang)的直管(guǎn)段整流(liú)，顯著提(tí)高了測(cè)量精度(dù);永久壓(ya)力損失(shī)由于渦(wō)流的減(jian)少較标(biāo)準孔闆(pǎn)節流裝(zhuāng)置降低(dī)🛀🏻了約1/3。試(shì)驗對比(bǐ)分析表(biao)明，多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計比(bi)常規标(biāo)準孔闆(pǎn)節♋流🍓裝(zhuang)置具有(yǒu)明顯的(de)優勢，其(qi)适應性(xìng)更好。

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