目前(qián),在各種(zhǒng)工業生(sheng)産中流(liú)量的測(ce)量非常(chang)重要,因(yin)此各㊙️種(zhǒng)🈲各樣的(de) 流量計(jì) 層出不(bu)窮。壓差(chà)類的流(liú)量計由(you)于價格(ge)較低，使(shǐ)用的🈲經(jing)驗豐富(fu),經過長(zhǎng)時間的(de)研究,精(jing)度越來(lái)越高，所(suo)以應用(yong)非常廣(guǎng)泛”。其中(zhōng)雙向内(nèi)外管壓(yā)差流量(liang)計 具有(you)對流體(ti)的擾動(dong)小和獲(huò)得壓差(chà)信号大(dà)的優點(dian)田,但需(xū)要對雙(shuang)向内外(wài)管壓差(chà)流量計(ji)的結構(gòu)參數進(jin)行進YI 步(bu)的優化(hua)。影響雙(shuang)向内外(wai)管壓差(cha)流量計(jì)性能的(de)參數有(you)很多，以(yǐ)往☀️的研(yan)究👈大部(bù)分是對(duì)節流件(jiàn)的1個或(huo)2個結構(gou)參數進(jìn)行同時(shí)優化,不(bu)夠全面(mian)印,如果(guǒ)對3個及(jí)以上結(jié)構參數(shu)同時優(yōu)化，便需(xū)要進行(hang)大🔞量的(de)仿真工(gōng)⚽作，爲提(ti)高效率(lǜ)，對仿真(zhēn)軟件進(jin)行二次(ci)開發。傳(chuán)統的仿(páng)真軟件(jian)FLUENT難以滿(man)足需求(qiu)，而COMSOLMultiphys-ics仿真(zhen)軟件可(kě)以導出(chū)M文件,在(zài)MATLAB中運行(háng)程序可(kě)以自動(dòng)❌仿真并(bìng)提取數(shù)據，二次(cì)開發難(nán)度低甲(jiǎ)。如㊙️果COMSOL的(de)仿真效(xiào)果⭕達到(dao)要求,那(nà)麽在雙(shuang)向🚶‍♀️内外(wai)管壓差(cha)流量計(ji)的仿真(zhēn)中,COMSOL仿❗真(zhēn)軟件便(bian)可取代(dai)FLUENT.
1流量計(ji)原理
　　雙(shuāng)向内外(wài)管壓差(cha)流量計(jì)的基本(ben)結構如(rú)圖1所示(shì)。安🐇裝節(jiē)流件的(de)管道直(zhí)徑選爲(wèi)32mm。雙向内(nèi)外管壓(yā)差流量(liàng)計節流(liu)件的長(zhang)度對流(liu)量計的(de)性能影(ying)響可忽(hu)略,爲了(le)方便測(cè)量,将節(jie)流件大(da)管長🔴度(dù)定爲30mm,節(jiē)流件的(de)厚度定(dìng)爲2mm。

　　根據(jù)連續方(fāng)程和伯(bo)努利方(fāng)程5的原(yuán)理可知(zhi)，流體在(zài)通過節(jiē)🙇🏻流件時(shí),在I-I平面(mian)，外流道(dào)流體體(ti)積壓縮(suō),流速增(zēng)大,流體(tǐ)壓力減(jian)小,而内(nei)流道流(liú)體擴散(sàn),流速減(jian)小，流體(tǐ)壓力增(zēng)大;在II-II平(píng)面,内外(wài)流道比(bǐ)較平穩(wěn)，流速和(he)💁壓力都(dōu)趨🙇‍♀️于穩(wěn)定:在亞(yà)一I平面(miàn),與I-I平面(mian)情況相(xiang)反，外流(liu)道擴散(san),流速減(jiǎn)小，流體(tǐ)壓力增(zeng)大，而内(nei)流道流(liu)體壓縮(suō),流速增(zeng)大💜，流體(ti)壓力減(jian)小。如此(cǐ)--來,在II-II段(duàn)節流件(jiàn)内外就(jiù)會形成(chéng)最大的(de)壓差:
△P=P内(nei)一P外(1)
式(shì)中:△P爲内(nèi)外壓差(cha);P内爲内(nei)測點的(de)水壓;P外(wài)爲外測(cè)點的水(shui)✔️壓。
與傳(chuán)統壓差(cha)類流量(liang)計的測(ce)量公式(shì)類似,流(liu)量Q的計(ji)💔算公式(shì)爲☁️:

　　式中(zhōng):C爲流出(chū)系數;A爲(wèi)流道截(jié)面積,m2;λ爲(wei)等效直(zhí)徑比;ρ爲(wei)流體密(mi)度,kg/m3。
　　影響(xiǎng)流量計(ji)測量JINGDU 的(de)主要因(yin)素是水(shui)頭損失(shi)。水頭損(sun)失包括(kuo)沿程水(shuǐ)頭損失(shi)和局部(bù)水頭損(sǔn)失。局部(bù)水頭損(sun)失🔞是指(zhi)因局部(bù)邊界急(jí)♌劇改變(biàn)導緻水(shuǐ)流結構(gou)改變、流(liú)速分布(bu)改變并(bìng)産生旋(xuán)渦區而(er)引起的(de)水頭損(sǔn)失。沿程(cheng)水頭損(sun)失是指(zhi)在固體(ti)邊界平(ping)直的水(shuǐ)道中☁️，單(dān)位質量(liàng)的液體(tǐ)自一斷(duàn)㊙️面流至(zhi)另一斷(duan)面所損(sun)失的機(ji)械能，這(zhè)種水頭(tou)損失是(shì)沿🐉程都(dou)有,并且(qie)随沿程(chéng)🥰長度而(er)增加。影(yǐng)響局部(bù)水頭損(sun)失的因(yīn)素主要(yao)是節🛀🏻流(liú)件異徑(jìng)比h、節流(liú)件🏃🏻‍♂️的大(dà)管半徑(jìng)R,影響😍沿(yán)程水頭(tóu)損失的(de)因素主(zhu)要是擴(kuò)散角θ。
2二(èr)次回歸(guī)正交試(shì)驗設計(ji).
　　回歸正(zhèng)交試驗(yan)是在因(yīn)素的合(he)理變化(hua)範圍内(nèi)選取有(yǒu)限個試(shì)驗點安(ān)排模拟(nǐ)計算統(tǒng)計,根據(jù)有限個(gè)試驗點(dian)建立具(ju)有一定(dìng)可信度(du)的回歸(guī)方程，當(dāng)各個結(jié)構參數(shù)确定之(zhī)後，可利(li)用回歸(guī)方程進(jin)行估算(suàn)見,。選擇(zé)優化的(de)主要參(can)數是異(yi)徑比♍k、擴(kuò)散角θ和(hé)節流件(jiàn)的大管(guǎn)半徑R.采(cǎi)用二次(ci)正交❓回(hui)歸組合(he)設計的(de)試驗方(fang)🥰法，首先(xian)設定3個(gè)控制參(can)數的變(bian)🚶‍♀️化範圍(wéi):異徑比(bi)k爲0.5~0.9;擴散(san)角θ爲4°~10°;節(jie)流件的(de)大管半(bàn)🛀🏻徑R爲5~9mm。依(yī)據二次(ci)回歸正(zheng)交試🧡驗(yan)的設計(ji)原則，可(kě)以得到(dào)各組試(shì)驗的結(jie)構參數(shu)見表1。

3COMSOL與(yu)FLUENT仿真對(duì)比
　　利用(yòng)SolidWorks建立三(sān)維模型(xing),導入仿(pang)真軟件(jian)進行網(wǎng)格劃分(fèn)。按👉照網(wang)格🥰劃👣分(fen)的原則(zé),參數變(bian)量變化(hua)梯度大(dà)的區域(yù)需要采(cǎi)✌️用較爲(wèi)密集的(de)網格劃(hua)分方法(fa)以提高(gāo)精度,變(biàn)化梯度(dù)小🌈的區(qū)域采用(yòng)較爲稀(xī)疏的網(wǎng)格劃分(fen)方法以(yǐ)節🙇🏻省計(ji)算資源(yuan)。節流件(jian)前後的(de)流場劃(huà)分的網(wang)格稀疏(shū),節流件(jiàn)周圍的(de)📱流場劃(hua)分的網(wǎng)格密集(jí)回📐。FLUENT仿真(zhēn)軟件劃(huà)分的網(wǎng)格爲非(fei)結構四(si)面體，将(jiang)整個流(liú)場進行(háng)網格劃(hua)分㊙️後,網(wang)格✏️數量(liang)在30000左🐇右(yòu),如圖2所(suo)示。COMSOL仿🌂真(zhēn)軟件劃(huà)分的網(wang)格在靠(kao)近邊界(jie)的流場(chǎng)爲六面(mian)體,其他(ta)區域的(de)網格爲(wei)非結構(gou)四面體(tǐ),将整個(ge)流場進(jin)🤟行網格(ge)劃分後(hòu)，網🏃格數(shù)量在100000左(zuǒ)右，如圖(tu)3所示。兩(liǎng)種軟件(jiàn)的網格(ge)劃分方(fang)法相比(bi)較✌️,COMSOL對流(liú)場的網(wang)格劃分(fen)更💜加正(zhèng)确。

　　雙向(xiang)内外管(guǎn)壓差流(liu)量計的(de)節流件(jian)采用對(dui)稱結構(gou),流場雖(suī)然被分(fen)爲内外(wai)兩個部(bu)分，但在(zài)節流件(jiàn)中部✊有(you)一-段穩(wen)定流♉态(tai)的直管(guǎn)段,當流(liú)體流過(guo)節流件(jiàn)後，内外(wài)兩✂️流道(dào)又合并(bing)爲📧一個(ge)流道,其(qí)中流體(tǐ)的流.速(su)和壓力(li)逐漸穩(wěn)定，在流(liu)場中并(bing)沒有過(guò)大的壓(yā)力梯💃🏻度(du),所以湍(tuān)流模型(xíng)選擇K-ε模(mo)型。标準(zhǔn)的K-ε模型(xing)現已經(jīng)過許多(duō)改進,其(qi)中RNGk-ε模型(xíng)來源于(yú)嚴🔴格的(de)統計技(jì)術,提高(gāo)了精度(dù)和可信(xin)度,在FLU-ENT仿(páng)真中可(kě)以選擇(ze)RNGK-ε模型[10),但(dan)是在COMSOL仿(páng)真中隻(zhī)能籠統(tong)地♋選擇(zé)K-ε模型。
　　仿(pang)真介質(zhi)選擇液(ye)态水，溫(wēn)度20C,爲不(bu)可壓縮(suō)流體，出(chu)口條件(jiàn)🐪爲✂️outflow,試驗(yan)均在入(rù)口流速(sù)2m/s.的條件(jian)下進行(hang)仿真。在(zai)♋求解器(qì)的設置(zhì)🤟方面🈲,兩(liang)種🈲軟件(jian)均選擇(zé)“叠代或(huo)容差”的(de)終止條(tiáo)件。
　　由于(yú)FLUENT與COMSOL軟件(jian)中均可(kě)設置對(dui)稱面，因(yīn)此在構(gou)建三維(wéi)⭕模💞型時(shí)可以僅(jǐn)構建半(ban)個流場(chǎng)區域,以(yǐ)方便觀(guān)察截面(miàn).上的壓(yā)力分布(bù)。在仿真(zhēn)的後處(chu)理中,壓(ya)力測量(liang)點需要(yao)設置在(zai)流♻️場穩(wen)定的區(qū)域，故計(jì)算壓損(sun)的前後(hou)壓力測(cè)量點設(shè)置在節(jie)流件的(de)前後1個(gè)管徑距(ju)離的位(wei)置,計算(suàn)壓♋差信(xìn)号的兩(liǎng)個壓力(li)測量點(dian)設置在(zai)節🏃‍♀️流件(jian)中心和(hé)外流道(dào)中心0。
4仿(páng)真結果(guǒ)和數據(ju)分析
　　對(dui)于雙向(xiàng)内外管(guǎn)壓差流(liú)量計而(ér)言,内外(wài)壓差信(xin)号大的(de)條件下(xià),壓損越(yue)小越好(hǎo),故選取(qǔ)内外壓(yā)差信号(hao)與壓損(sun)的差值(zhi)💃，即壓損(sun)差,作爲(wei)雙向内(nei)外管壓(ya)差流量(liàng)計的評(píng)價指标(biāo)。按照前(qián)文設置(zhi)的結構(gou)參數建(jiàn)立15組三(sān)維模型(xíng),分别利(lì)用FLUENT與COMSOL進(jin)行仿真(zhēn),根據仿(páng)真結果(guo),記錄内(nèi)外壓差(cha)信号,将(jiang)COMSOL和FLUENT仿真(zhen)數據的(de)🔞差的絕(jué)對值與(yǔ)FLUENT數據的(de)比值定(ding)義爲誤(wu)差比💔，内(nèi)外壓差(cha)信号數(shu)據對比(bi)見表2,用(yòng)同樣的(de)方法記(jì)錄兩種(zhong)軟件仿(páng)真結果(guǒ)的前後(hòu)壓損和(he)壓損🙇🏻差(cha),并計算(suan)出誤差(chà)📧比,數據(ju)對比見(jiàn)表3、表4。繪(huì)制的誤(wù)差比折(she)線圖如(ru)圖4所示(shì)。




　　通過觀(guān)察表中(zhōng)數據可(ke)得到規(guī)律:COMSOL仿真(zhen)數據與(yu)FLUENT仿真數(shù)據的誤(wù)差随着(zhe)FLUENT仿真數(shù)據的增(zeng)大而增(zēng)大。同時(shi)對比折(shé)🌍線圖❌可(ke)發現各(ge)組數據(ju)的誤差(cha)比均維(wei)持在較(jiào)低且穩(wěn)❗定的水(shuǐ)💛平。這樣(yàng)的誤差(cha)比對于(yú)後續拟(ni)合二次(ci)回歸方(fang)程以及(ji)計算方(fang)程的最(zuì)優解影(ying)響很小(xiǎo)。
　　分别導(dao)出一組(zǔ)試驗的(de)仿真壓(ya)力雲圖(tu)進行對(dui)比，如圖(tú)💔5、圖6所示(shi)‼️。由圖可(kě)知，壓力(lì)分布基(ji)本相同(tóng)，COMSOL的壓力(lì)雲圖更(geng)加立體(ti)直觀，視(shì)覺效果(guǒ)比FLUENT更好(hao)。


5結束語(yu)
　　以雙向(xiàng)内外管(guǎn)壓差流(liu)量計節(jie)流件的(de)異徑.比(bi)h:擴散角(jiǎo)θ和🛀🏻節⚽流(liú)件的大(dà)管半徑(jìng)R3個結構(gòu)參.數爲(wèi)優化目(mu)标，設計(ji)了二次(ci)回歸正(zhèng)交試驗(yan)，分别用(yong)FLUENT和COMSOL進行(hang)仿真、記(jì)錄數據(jù)。通過COMSOL仿(páng)真所得(de)的數據(ju)與通過(guo)FLUENT仿真所(suǒ)得的數(shu)據相比(bi),雖然有(you)浮動,但(dàn)是誤差(chà)比卻維(wei)持在一(yi)個較低(dī)且穩定(dìng)🌈的水平(ping),因此，使(shi)用COMSOL代替(ti)FLUENT進行雙(shuang)向内外(wài)管壓差(cha)流量計(ji)📱的仿真(zhen)。COMSOL的仿真(zhen)過程可(kě)保存爲(wèi)M文件,方(fang)便利用(yòng)MATLAB對COMSOL進行(háng)🈲二次開(kāi)📱發，對雙(shuang)向内外(wài)管壓差(chà)流量計(ji)更多結(jié)構參數(shu)進一步(bù)優化。

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