摘要(yào):多孔孔(kǒng)闆差壓(ya)式流量(liang)計
因其(qí)快速平(ping)衡調整(zheng)流場和(he)有效降(jiang)低壓力(li)損失等(deng)🏃🏻能力🔞得(dé)💯到廣泛(fàn)應用,但(dàn)其尚缺(que)乏完整(zheng)的結構(gou)參數設(she)計和性(xìng)能優化(hua)設計準(zhun)則。針對(dui)提出的(de)對稱多(duō)孔孔闆(pǎn)差壓式(shi)流量計(ji)進行實(shi)流試驗(yàn),研究其(qí)計量性(xing)能并與(yǔ)數值模(mo)拟結果(guo)進行對(duì)比分析(xī),結果表(biǎo)明,對稱(chēng)多孔孔(kǒng)闆差壓(yā)式流量(liàng)計可有(you)效提👅高(gao)計量精(jīng)度❌(+0.5%)、降低(di)壓力損(sun)失🔴,具有(yǒu)更好的(de)适應性(xing),試驗結(jie)果🈲與數(shù)值模拟(ni)結⚽果具(ju)有一緻(zhi)性,驗證(zheng)了數值(zhí)模拟的(de)正确性(xìng)并對新(xin)型流量(liang)計進行(hang)了标定(dìng)，研究結(jié)果可有(yǒu)效拓寬(kuān)
多孔孔(kong)闆流量(liàng)計
的應(ying)用範圍(wéi)。
0引言
流(liú)量計量(liang)是工業(yè)生産的(de)眼睛,廣(guǎng)泛應用(yong)于科學(xué)研究、工(gong)🈲農業生(shēng)産、國防(fáng)建設以(yǐ)及人民(mín)生活等(deng)領域，諸(zhu)多流量(liàng)計中,傳(chuán)統差壓(yā)式流量(liàng)計因其(qí)結構簡(jiǎn)單、成本(běn)低、實驗(yàn)數據豐(feng)富、标準(zhǔn)化程度(dù)高等優(you)點,應用(yòng)最爲廣(guang)泛。但在(zai)實際應(ying)用中很(hěn)多工況(kuàng)條件無(wú)法滿足(zú)🙇🏻測量要(yao)求(如低(dī)于标準(zhǔn)中推薦(jian)的雷諾(nuo)數範圍(wéi)、測量介(jie)質中混(hùn)有泥沙(sha)等),進而(er)限制了(le)其應用(yong)範圍。
在(zài)這些情(qíng)況下,非(fēi)标準
差(chà)壓式流(liu)量計
得(dé)到快速(su)發展和(he)進一步(bù)的應用(yòng)，目前最(zuì)具代表(biao)性的♍非(fēi)标準⭐差(cha)壓式流(liú)量計主(zhu)要有錐(zhui)形流量(liang)計和多(duo)孔孔闆(pan)流量計(jì)💋多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計不但(dan)繼承了(le)标準孔(kong)闆流🙇♀️量(liàng)計的優(yōu)點，而且(qie)能夠快(kuai)速平衡(heng)調整流(liu)場，明顯(xian)減少🙇♀️渦(wō)流、降低(di)死區效(xiào)應、減少(shǎo)流體動(dòng)能損失(shī)🈲,在國際(ji)上引起(qǐ)廣泛關(guān)注💯，自2006年(nian)被引進(jìn)我國市(shì)場以來(lai),得到廣(guang)泛應用(yong)。但因涉(shè)及商業(yè)機密,多(duō)孔孔闆(pǎn)流量計(ji)的結構(gòu)參數👨❤️👨與(yǔ)流出系(xi)數等計(jì)算公式(shi)未曾公(gong)開。爲了(le)掌握該(gai)流量🈲計(ji)的核心(xin)技術,國(guó)内❄️科研(yán)技術人(rén)員對其(qí)進行了(le)大量研(yan)究，主🌍要(yao)集中于(yú)孔闆結(jie)構參數(shù)優化及(jí)計量性(xing)能等方(fang)面.[448。目前(qián),實際應(yīng)用中要(yao)根據不(bú)同測量(liàng)條件來(lai)設計流(liú)量計，缺(quē)乏完整(zheng)的結構(gòu)參🏃♀️數設(shè)計和性(xing)能優化(hua)設計準(zhǔn)則指導(dao)。
對多孔(kong)孔闆流(liu)量計進(jìn)行了大(da)量的研(yán)究工作(zuò),結合多(duo)孔整流(liú)✏️器和标(biāo)準孔闆(pan)聯合使(shi)用的測(cè)量原理(lǐ),提出了(le)一種對(duì)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liú)量計的(de)設計方(fang)法(即在(zai)中心節(jie)流孔周(zhōu)🚶♀️圍均勻(yún)環形分(fen)布若幹(gàn)孔),采用(yong)CFD數值模(mó)拟預測(cè)了其内(nèi)部流場(chang),并研究(jiū)了孔數(shu)量對多(duō)孔孔闆(pan)🥵流量計(jì)流場特(tè)性的影(ying)響💁規律(lǜ)[920但數值(zhí)模拟隻(zhi)能爲研(yán)♊究提供(gòng)方向性(xing)🈲的指導(dao)，并不能(neng)很好✨的(de)指導實(shí)際生産(chan)☀️。本文基(ji)于數值(zhi)模拟結(jié)果搭建(jian)對⭐稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shì)流量計(jì)實流标(biao)校❓試♍驗(yàn)平台,對(duì)其計量(liàng)性能進(jin)行試驗(yan)研究，檢(jiǎn)💔驗了CFD設(shè)計成果(guo)的有效(xiao)性,并對(duì)新型流(liu)♊量計進(jin)💔行了标(biāo)定。
1多孔(kong)孔闆流(liú)量計
課(kè)題組提(tí)出并設(shè)計的多(duo)孔孔闆(pǎn)流量計(ji)結合了(le)多孔整(zheng)流🔴器和(he)标準孔(kong)闆的測(ce)量原理(li),基本結(jié)構爲在(zài)🐅節流✂️闆(pan)中心一(yi)❄️個圓⛷️孔(kong)的基礎(chǔ)上,對稱(cheng)分布數(shu)量不等(děng)的圓孔(kong),如圖1所(suo)示,均勻(yun)分布📐的(de)圓孔的(de)總面積(ji)和标準(zhǔn)孔闆的(de)開孔面(miàn)積相等(děng)。流量計(ji)整體結(jie)構如圖(tú)2所示。
多孔孔(kong)闆流量(liang)計的測(cè)量原理(lǐ)是以能(néng)量守恒(heng)定律和(he)🌍質量守(shou)🎯恒定律(lü)爲基礎(chǔ)的,即在(zai)流量檢(jiǎn)測時,所(suo)測介質(zhi)流過圓(yuan)孔的同(tong)時進行(hang)流體整(zhěng)流，減小(xiao)節流裝(zhuāng)置後形(xíng)成的渦(wo)流,形成(chéng)🐉較穩定(dìng)的紊流(liu)🏃(近似理(lǐ)想流體(ti)),從而獲(huò)得穩定(dìng)的㊙️差壓(yā)信号,根(gēn)據伯努(nǔ)利方程(chéng)計算出(chu)流體的(de)流量:
式(shi)中:Q爲介(jie)質流量(liàng);K爲儀表(biǎo)系數;Y爲(wei)膨脹系(xi)數;△p爲差(chà)壓值🌈(Pa);ρ爲(wei)介質工(gōng)🙇♀️況密度(dù)。
2數值模(mo)拟
針對(duì)設計的(de)對稱多(duō)孔孔闆(pǎn)差壓式(shì)流量計(jì),分别對(dui)開孔數(shù)量爲1.4、5.7(孔(kong)的分布(bù)位置如(rú)圖3所示(shì),參數如(rú)表1所示(shì))的流量(liàng)計采用(yong)CFD數值模(mó)拟技術(shù)分析了(le)其内部(bu)流場情(qíng)況,如圖(tu)4所示，研(yán)究了孔(kong)數量對(duì)多☂️孔孔(kong)闆流量(liàng)計流場(chang)特性的(de)影響規(guī)律,得出(chu)對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shì)流量計(jì)具有可(kě)降低節(jie)㊙️流件前(qian)後渦流(liu)、快速平(píng)衡内部(bu)流場(前(qián)後直管(guan)段要求(qiú):前1D~3D,後0.5D~1D,其(qí)中D爲通(tong)流⭕直徑(jìng))、提高測(ce)量精度(dù)、降低壓(yā)力損失(shī)、适應性(xing)更好的(de)優點，随(sui)着孔數(shù)量的增(zeng)加♍壓力(li)損失逐(zhu)漸降低(dī)、流出系(xì)數提高(gao)的結論(lun)。
3試驗标(biāo)校平台(tai)的組成(chéng)
爲了驗(yan)證數值(zhi)模拟的(de)正确性(xìng),搭建對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(cha)壓式流(liu)✍️量計試(shì)驗标校(xiao)平台,由(you)對稱多(duō)孔孔闆(pǎn)差🈲壓式(shì)流量計(jì)、截止閥(fa)、
差壓變(biàn)送器
、流(liú)量調節(jie)閥、
電磁(ci)流量計(ji)
、水泵和(hé)水槽及(jí)管路系(xì)統組成(chéng),如圖5所(suǒ)示,其中(zhōng)對稱多(duo)孔孔闆(pan)差⛱️壓式(shi)流量計(ji)和電磁(cí)流量計(ji)與試驗(yàn)管道均(jun)通過法(fa)蘭🚶♀️連接(jie)。試驗☂️過(guò)程中,流(liu)量計工(gōng)裝示意(yì)圖如圖(tú)6所示。
工(gong)作原理(lǐ)如下:通(tong)過試驗(yàn)管路變(biàn)頻調速(su)水泵及(jí)上遊側(ce)流量調(diào)🆚節閥開(kai)度的适(shì)當調節(jie),獲得流(liú)速0~7m/s連續(xu)可調的(de)流體介(jiè)質,并♊采(cai)用高精(jing)度電磁(ci)流量計(ji)(作爲标(biao)準器具(jù),精度+0.2%R)測(ce)量實🌈際(jì)流量(流(liú)速),利用(yong)高準.确(què)度💁差壓(ya)變送器(qì)(EJA110E系列、量(liang)程0~100kPa、精度(du)+0.065%FS)測量壓(yā)差值及(jí)壓力損(sun)失值。
爲(wèi)了與數(shù)值模拟(nǐ)結果進(jìn)行比較(jiao),相應設(she)置保持(chí)一緻性(xing):介質采(cǎi)用水(環(huan)境溫度(dù)5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大(dà)氣壓力(li)86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管(guǎn)路規格(gé)DN80(節流元(yuan)🔞件上下(xià)側直管(guan)段長度(du)約爲5m,充(chong)分保🌈證(zhèng)了多孔(kǒng)平衡流(liú)量計測(cè)量中💞對(dui)前後🈲直(zhí)管段研(yan)究的要(yào)求),取壓(yā)方式爲(wèi)法蘭取(qu)壓(上下(xia)遊取🔅壓(yā)孔軸線(xiàn)距離多(duo)孔流量(liang)計節流(liú)件上下(xia)遊端面(mian)均爲25.4+0.5mm)。其(qi)他參數(shu)爲介質(zhì)水密度(du)ρ=998.403kg/m3、動力粘(zhān)度1.0mPa.s、流東(dōng)膨脹系(xi)數e=1。實流(liú)試驗現(xiàn)場如圖(tu)7所示，試(shì)驗用對(duì)稱多孔(kǒng)孔闆差(chà)壓式流(liu)量❌計如(rú)圖8所示(shì)。
4試驗結(jie)果分析(xī)
按要求(qiú)搭建試(shì)驗标校(xiào)平台,進(jin)行實流(liu)試驗,獲(huo)得流量(liàng)計試驗(yàn)的差壓(yā)與壓力(li)損失值(zhí),如表2所(suǒ)示，并與(yu)數值模(mó)拟結果(guo)進‼️行對(duì)比,爲了(le)更爲直(zhi)觀和分(fèn)析的方(fāng)便,将不(bú)同開口(kou)數量流(liu)量計的(de)✏️壓力損(sǔn)失值繪(huì)制成曲(qǔ)線,如圖(tú)9所示。
由圖(tu)9可以看(kan)出，對稱(chēng)多孔孔(kǒng)闆差壓(yā)式流量(liàng)計的壓(yā)力損失(shī)比标準(zhun)孔闆流(liú)量計的(de)要小一(yī)些，并且(qiě)随着孔(kǒng)數的增(zēng)加壓力(li)損失呈(chéng)現逐漸(jiàn)減小的(de)趨勢。
流(liú)出系數(shù)是評價(jia)節流式(shì)儀表性(xìng)能的最(zui)重要參(cān)數之🤩
爲(wèi)實際流(liú)量與理(li)論流量(liang)的比值(zhi),是統計(jì)量,受設(she)計☔、制造(zào)、安裝及(jí)使用條(tiao)件的影(yǐng)響。根據(ju)不可壓(yā)縮流體(ti)的連♌續(xù)性方程(cheng)和伯努(nǔ)利方程(chéng),定常流(liú)體的體(ti)積流㊙️量(liàng)爲:
注:每(mei)點标準(zhun)表數值(zhí)Q、差壓值(zhi)△P、壓損值(zhi)δ記錄3次(cì),爲了節(jiē)省⭐篇幅(fú),取其平(ping)均值進(jìn)行表格(ge)相應欄(lan)的填寫(xie)
式中:C爲(wei)流出系(xi)數,無量(liang)綱;β爲等(děng)效直徑(jìng)比，無量(liang)綱(β2=A0/A,其中(zhong)A0爲💁孔闆(pan)節流孔(kong)開孔面(mian)積,A爲管(guǎn)道截面(mian)面積);d爲(wei)孔闆節(jie)流孔等(deng)效直徑(jìng);△p爲壓‼️差(chà);q,爲體積(ji)流量;ρ爲(wei)流體介(jie)質密度(dù)🛀🏻。
依據式(shi)(2)，确定流(liú)出系數(shù)C的數值(zhi):
結合實(shi)驗數據(ju)和式(3)得(dé)不同開(kai)口數量(liàng)流量計(ji)的流出(chu)系🔞數,如(ru)💁表3所示(shi),爲了與(yu)數值模(mo)拟結果(guǒ)進行直(zhi)觀對比(bi)，将不同(tóng)開口數(shu)❓量流量(liàng)計的流(liú)出系數(shu)繪制成(cheng)曲線,如(ru)⭐圖10所示(shì)。
由圖10可(ke)以看出(chū),對稱多(duo)孔孔闆(pǎn)差壓式(shì)流量計(jì)的流出(chu)系數比(bi)标準孔(kǒng)闆流量(liang)計的要(yào)大一些(xie)(對于标(biāo)準😍孔闆(pǎn),其試驗(yàn)範圍内(nèi)流出系(xi)數平均(jun)值爲0.6140,對(dui)于多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計其(qi)試驗範(fan)圍内流(liú)出系數(shu)平均值(zhi)爲4孔孔(kǒng)闆0.6221、
5孔孔(kǒng)闆0.6268.7孔孔(kǒng)闆0.6346),随着(zhe)孔數增(zēng)加流出(chu)系數呈(cheng)現逐漸(jian)增大的(de)趨勢。
結(jie)合圖9和(hé)10,試驗結(jié)果和數(shu)值模拟(nǐ)計算的(de)結果相(xiàng)比,壓力(lì)損失☁️與(yǔ)🤩流出系(xi)數的變(biàn)化趨勢(shì)完全一(yī)緻,但在(zai)🌂數值上(shàng)存🔱在一(yi)定偏差(cha),誤💘差在(zai)8%。
流出系(xi)數的系(xi)統誤差(cha)e爲:
式中(zhong):C0爲理論(lun)流出系(xi)數，計算(suan)方法依(yi)據國際(ji)标準IS05167--2003的(de)規定;Ci爲(wèi)實際流(liú)出系數(shu)的平均(jun1)值。
若忽(hu)略管道(dao)制造和(hé)安裝誤(wu)差以及(ji)溫度、流(liu)體密度(du)的✊影響(xiang)🏃♂️,依據式(shi)(3)可以得(dé)到:
對于(yú)電磁流(liu)量計(标(biao)準表)精(jing)度爲0.2級(jí),EJA110E高精度(dù)壓差傳(chuán)感器(變(biàn)送☀️器)的(de)精度爲(wèi)+0.065%,經計算(suan),流出系(xi)數的不(bu)确定度(dù)爲🐕4孔+0.467%、5孔(kǒng)士.0.439%.7孔+0.446%,即(jí)流出系(xì)數的誤(wù)差均不(bú)超過士(shì)0.5%,由💃此并(bing)基于流(liu)出系數(shu)定義可(kě)見流量(liàng)計的計(jì)量精度(du)爲0.5%。
5結論(lùn)
本文對(duì)多孔孔(kǒng)闆差壓(ya)式流量(liang)計進行(háng)了實流(liú)試驗,分(fen)析了标(biao)準孔闆(pan)與對稱(cheng)多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計的計(jì)量🔆性能(neng)并與數(shù)值模拟(nǐ)🔞結果進(jin)行對比(bǐ),結論如(rú)下。
1)實流(liú)試驗結(jié)果與CFD數(shu)值模拟(nǐ)結果在(zài)趨勢上(shang)體現出(chu)完全的(de)一緻性(xìng),但在數(shu)值上存(cún)在一定(ding)的偏差(cha),因此CFD計(jì)算結果(guǒ)并不🔱能(néng)完全代(dài)替試驗(yàn)研究的(de)成果。但(dàn)是這種(zhǒng)偏差并(bing)不是很(hen)大，作爲(wei)工程上(shàng)的估算(suan)其精度(dù)能夠滿(mǎn)足❓要求(qiu)。
2)通過對(dui)稱多孔(kong)孔闆差(chà)壓式流(liú)量計的(de)實流标(biao)定,結果(guo)顯示流(liú)出系數(shu)C相對于(yu)标準孔(kong)闆流量(liàng)計有較(jiào)大的提(tí)🈚高,量程(cheng)範圍大(da)♋大拓寬(kuān),是一種(zhong)可以應(ying)用于實(shi)際測量(liàng)的新型(xíng)流量計(jì)産品。具(ju)體性能(néng)指标如(rú)下:精❓度(dù)+0.5%;前後直(zhi)管段要(yao)求爲前(qián)1D~3D,後0.5D~1D。
3)對稱(chēng)多孔孔(kǒng)闆差壓(ya)式流量(liàng)計具有(yǒu)壓力損(sun)失小、流(liú)出系數(shu)高、适🎯應(ying)性好等(deng)特點，完(wan)全可以(yi)直接應(ying)用于工(gōng)程中目(mù)前該♊流(liú)量計已(yǐ)經在市(shì)場得到(dao)應用,一(yi)定🏃♂️程度(dù)上🔅拓寬(kuān)了其應(yīng)用範圍(wéi)
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