摘要:多孔(kong)孔闆流量計 是(shì)一種比傳統的(de)差壓測量裝置(zhi)更優良的新型(xíng)差壓式流量測(cè)量裝置,但其函(han)數孔的确定目(mu)前沒有💋統一的(de)标準。針對該💞問(wen)題,采用CFD仿真軟(ruǎn)件,在相同等效(xiào)直徑比的情況(kuang)下,針對多孔孔(kong)闆的函數孔結(jié)構,研究了開孔(kǒng)數目、孔分布以(yǐ)及倒角等因素(sù)對于減🔞少壓力(li)損失所起到的(de)影📱響和作用。根(gen)據仿真研究結(jié)果,制作了一種(zhǒng)多孔孔闆流量(liang)計進行流體試(shì)驗，試驗結果表(biao)明該方法的正(zhèng)确率。.
0引言
　　孔闆(pǎn)流量計 因其結(jie)構簡單、耐用而(ér)成爲目前國際(jì)上标準化程👄度(du)🐇高、應用最爲廣(guǎng)泛的一種流量(liang)計,但也存在着(zhe)流🚩出系🈲數不.穩(wen)定、線性⭐差、重複(fu)性不高、永久壓(yā)力損失大等缺(quē)點“。美國馬歇爾(er)航空飛行中心(xīn)設計發明的一(yī)-種新型差壓式(shì)流量測量裝置(zhì)，即多孔孔闆流(liu)量計(又稱爲平(píng)🈲衡流量計)田。多(duō)孔孔闆流量計(ji)對傳統㊙️節流裝(zhuang)置有着極大的(de)突破,與傳統差(chà)壓式流.量計相(xiàng)比較,具有永久(jiu)壓力損失小、精(jing)密度高、量程比(bǐ)大、直管段短等(deng)優點。
　　多孔孔闆(pǎn)流量計測量原(yuán)理圖如圖1所示(shì)。雖然多孔🌈孔闆(pan)的結構與标準(zhun)孔闆不同,其測(ce)量原理還是節(jiē)流測量,因此在(zai)流量計算🚶時仍(reng)可采用标準孔(kong)闆的經典計算(suan)公式國:
 
　　式中:Q爲(wei)管道中流體的(de)流量;K爲無量綱(gang)系數;△p爲孔闆節(jie)流前後的壓力(lì)差;ρ爲流體密度(dù)。
 
　　多孔孔闆流(liú)量計每個孔的(de)尺寸和分布基(ji)于獨特的☔公🌂式(shì)和國測試數據(ju)定制，稱爲函數(shu)孔。至于函數孔(kong)是⛱️如何定制,與(yu)哪些因素有關(guan),主要由什麽參(can)數來決定的，目(mù)前還沒有相關(guān)的文獻可以查(chá)閱。對于如何定(dìng)制🌈函數孔，缺少(shǎo)一個統--的标準(zhǔn)。以☀️因節流而🏃‍♀️産(chan)生的壓力損失(shi)作爲對比參照(zhào)，通過仿真對函(han)數孔結構的研(yán)究，主要包括多(duō)孔♌孔闆開孔數(shu)量、孔的♉分布以(yǐ)及倒角等因素(sù)對⚽減小壓力☎️損(sǔn)失所起到的影(yǐng)響和作用,對于(yu)函數孔的制定(dìng)有一定的指導(dao)意♌義;爲函數孔(kǒng)制定标準化奠(diàn)定基礎,将有助(zhu)于推動多孔孔(kong)闆的孔函數的(de)研究與應用進(jin)展。
1函數孔結構(gòu)的研究
　　以内徑(jìng)D爲50mm、等效直徑比(bi)β=0.35的孔闆中,流動(dòng)介質純水爲研(yán)究對象💜,參🍓考标(biāo)準孔闆在實際(jì)工業應用和本(běn)次❌仿真模拟，爲(wèi)保🈚證流♊體能夠(gou)以充分發展、理(li)想的湍流狀态(tai)進入流量計,設(she)計有長度分别(bie)爲10D、14D的上下遊直(zhí)管段5。在此基礎(chu)上做了3組不同(tóng)的仿真模拟,并(bìng)且選定其中一(yī)個模拟結果的(de)設計方案🚶‍♀️進行(háng)實流實💁驗,通過(guo)對比✊實💃流實驗(yàn)結果與模拟仿(pang)真結果從而驗(yàn)證仿真結果的(de)正确率。
1.1對開孔(kǒng)數量的研究
　　在(zài)此先研究孔的(de)結構爲無倒角(jiǎo)的情況,對數量(liàng)研究的時候要(yào)🚶求其他參數均(jun)是相同的，包括(kuò)有孔分布以及(jí)孔的結構。設計(ji)時在-一個多孔(kǒng)孔闆.上每個小(xiǎo)孔的直徑是一(yī)樣的，由等效🔞直(zhí)徑比的定義可(kě)知開孔直徑爲(wei)
 
數;An爲每個小孔(kong)的面積;A2爲是管(guan)道的截面積。
　　設(she)計原則爲:把孔(kǒng)隻分布在以孔(kong)闆的中心爲圓(yuán)心💚的一個⚽圓周(zhōu)上(孔在這個圓(yuan)周，上分布的時(shi)候不能夠出現(xian)相交的情況,初(chu)步選定圓周的(de)半徑爲12mm)。受條件(jiàn)的限制,本次💋研(yán)究對象的開孔(kǒng)數最小爲1個,最(zui)大爲16個。無倒♋角(jiao)說明節流孔的(de)厚度與孔闆的(de)厚度相🈚同,其示(shi)意圖如圖2所示(shi)。
 
1.2對節流孔分布(bu)的研究
　　将節流(liu)孔(無倒角)均勻(yun)分布在兩個同(tóng)心圓或者兩個(ge)同心圓以及孔(kǒng)闆的中心上。調(diao)整同心圓的大(da)小,即改變的同(tóng)心圓大小d1;d2示意(yì)圖如圖3所示。
 
1.3對倒(dao)角的研究
　　參考(kǎo)流量測量節流(liú)裝置設計手冊(ce)回可知标準孔(kong)闆傾斜角是在(zài)下遊端面,其大(da)小可以爲45°±15°，文中(zhōng)将分2種情況研(yan).究:下遊端面有(you)45°倒角;上下遊端(duān)面均有45°倒🌈角。
2模(mo)拟仿真
　　模拟仿(pang)真是通過CFD軟件(jiàn)包fluent來完成的。
2.1建(jiàn)模與劃分網格(ge)
　　建模與劃分網(wǎng)格都是在CFD前置(zhi)處理器gambit中完成(cheng)的。圖🔱4爲上遊直(zhi)管❓段10D,下遊直管(guan)段14D的多孔孔闆(pan)流量計的仿真(zhen)模型。
 
　　文中直接(jie)選用體網格來(lai)劃分網格。選用(yòng)體網格的Element爲Tet/Hybrid即(jí)🈚四面體/混合，同(tong)時選定TGrid作爲Element的(de)Type。爲了提高計算(suàn)精度，需對🐪網格(gé)🔴做局部加密,考(kǎo)慮到在節流前(qián)後壓力會急劇(ju)變化,因此對節(jiē)流前📐後的直管(guǎn)段以及多孔孔(kong)闆做局部加密(mi)🌈處理。該文在對(dui)多孔孔闆劃分(fen)❄️網格時候選用(yong)的節點間距爲(wei)0.5,在多孔孔闆前(qián)後4D的直管段劃(hua)分網格時候選(xuan)用節點間距爲(wèi)3,其餘🌏部分的節(jie)點間距爲6。網格(ge)單元♻️的數量爲(wèi)398642萬。網格劃分結(jié)果如圖5所示。
 
2.2模型的求解(jie)
　　在本文中選用(yòng)壓力基求解器(qi)就能滿足要求(qiu)們。
　　本文中入口(kou)的雷諾數較大(da),流動爲湍流,需(xū)要設置湍流模(mó)‼️型☔，采用Realizablekε模型。
　　邊(biān)界條件的設定(dìng):入口邊界類型(xíng)設定爲速度入(ru)口🥰,即veloc-ity-inlet入口的湍(tuan)流參數指定方(fāng)式選用kandepsilon,出口邊(biān)界類型:設定爲(wèi)自由出流outflow,孔🚩闆(pǎn)處爲默認内部(bu)邊界條件inte-rior,其餘(yú)爲均爲無滑移(yí)外部❄️壁面,熱傳(chuán)輸模型爲絕熱(re)。
2.3仿真結果
　　本文(wen)主要是研究因(yin)節流而産生的(de)壓力損失(即節(jiē)流前後的💚靜👌壓(ya)差),爲此以節流(liú)前後的壓差作(zuo)對比研究。
2.3.1對多(duo)孔孔闆開孔數(shù)量的研究
　　給定(dìng)的速度入口的(de)初始速度爲1m/s。對(dui)一段長爲1.2m(等于(yu)前後直管段長(zhang)度24D)的直管道進(jin)行模拟仿真,參(can)數設置以及湍(tuān)流模型的選擇(ze)與上述模拟相(xiàng)同，結果可✂️得直(zhi)管段的沿程壓(yā)力損失爲314Pa。由，上(shàng)述仿真計算結(jié)✔️果的進出口壓(ya)力差減去直管(guǎn)💋道的沿程壓力(li)損失，即可得到(dao)節流前後的差(cha)壓。開孔數量和(he)差壓的關🔴系如(rú)圖6所示，開孔數(shù)量和差壓信号(hao)的關系如表1所(suǒ)示。
 
　　由圖6可知,随(sui)着開孔數量的(de)增加,在開始階(jie)段壓損能夠明(míng)顯減少，當開孔(kǒng)數達到12時壓損(sun)達到最小值☂️，随(sui)後🐉壓損又增大(dà)。
 
　　由表1可以看出(chū)，等效直徑比爲(wèi)0.35的多孔孔闆最(zui)佳的.開孔數是(shi)12,與開孔數爲1的(de)孔闆相比較減(jiǎn)小約29.4%的壓✉️力損(sǔn)失。
2.3.2對節流孔分(fèn)布的研究
　　由方(fang)案設計可知,本(běn)階段研究主要(yao)有2種情況:
(1)同心(xīn)圓沒有中心孔(kǒng)，以開孔數12爲研(yan)究對象;
(2)同心圓(yuán)有中心孔，以開(kāi)孔數13爲研究對(duì)象。
孔的分布與(yu)差壓信号關系(xi)如表2所示。
 
　　從表(biao)2可以看出,對于(yú)相同的開孔數(shu),在山不變的情(qíng)況下🙇‍♀️，随着🔱d1的增(zeng)大,壓差減小。對(duì)比開孔數爲12,有(yǒu)中心孔，開孔數(shù)🛀爲13的差壓信号(hao)隻大0.5%。
2.3.3對倒角的(de)研究
　　在試驗測(cè)量的時候，希望(wàng)在減小壓損的(de)同時又能❗夠得(dé)到較大的測量(liàng)信号,因此選取(qǔ)開孔數爲13,有中(zhong)心孔🏃‍♂️的多孔孔(kong)🐪闆做進一步的(de)研究。由以上方(fang)案的設計可知(zhi),倒角的研究有(yǒu)2種情況:
(1)隻有1個(gè)倒角,在節流闆(pan)的下遊端面;
(2)2個(gè)倒角,在節流闆(pan)的上下遊端面(miàn)均有倒角。
　　以流(liú)量測量節流設(she)計手冊作爲參(can)考,設計節流孔(kong)🏒的💚厚度☀️爲0.02D,倒角(jiao)爲45°。由此可得如(rú)表3所示的模拟(nǐ)結果。
 
　　由表3可以(yǐ)看出倒角的存(cun)在對于減小壓(ya)力損失有着💘巨(jù)大的影響,對比(bi)開孔數爲13、上下(xia)遊都有倒角的(de)與上下遊都無(wu)倒角💁,壓力💜損失(shī)降低42.3%。綜合.上述(shù)3種情況,在直徑(jìng)比都是0.35,開孔✨數(shù)爲13,上下遊均有(you)45°倒角的多孔孔(kong)闆與💞标準孔闆(pan)相比，壓力損失(shī)減小🎯59.8%。
3試驗測量(liang)
　　試驗是在現有(you)的液體流量标(biao)準裝置(裝置主(zhu)要由穩壓罐、法(fa)蘭、直管段、标定(ding)容器構成。其中(zhōng)穩壓罐能夠讓(ràng)流體以恒定的(de)速度進入直管(guan)段;法蘭用于孔(kǒng)闆的安裝;标定(ding)容器用于測量(liang)流體的流量。).上(shàng)使用自己設計(jì)😍的多孔孔㊙️闆完(wán)成的🈲。所選用的(de)孔闆即前文仿(páng)真部分開孔數(shu)爲13,d;=8、d2=13,上下遊端面(miàn)均有倒角的多(duo)孔孔闆。多孔孔(kong)🌈闆如圖7所示。
 
3.1試(shì)驗方法
　　取5個不(bu)同大小的流量(liàng)按流速從小到(dào)大，再從大到小(xiao)✂️,反複❗測量差壓(yā)值,測量次數爲(wei)3,測量結果取平(píng)均值對🆚試驗測(cè):量🔅時得🥵到的流(liú)速進行模拟仿(páng)真,并與試驗結(jié)果相比較。由此(cǐ)可得到如圖8流(liú)🌐量與差壓關系(xì)圖。
 
　　由圖8看出試(shì)驗結果與仿真(zhen)結果的誤差較(jiao)小(誤差能夠🌈控(kong)⛷️制在7%左右),說明(ming)本次模拟仿真(zhen)所選用的計🐇算(suan)模型、方法是🍓可(ke)信賴的🎯。
4結論
　　以(yǐ)内徑是50mnm,等效直(zhi)徑比0.35的多孔孔(kǒng)闆作爲研究對(dui)象❤️,用仿真軟🌈件(jian)Fluent6.3模拟研究多孔(kong)孔闆函數孔結(jié)構,主要🙇🏻是開孔(kǒng)數量、孔的分布(bu)以及倒角對于(yú)減小壓力損失(shi)所起到的作用(yong)，并對仿真結果(guǒ)進行實流試驗(yàn)驗證,得到:.
(1)在相(xiang)同等效直徑比(bǐ)的情況下,增加(jiā)開孔數以及倒(dǎo)角的存在能有(you)效減小壓力損(sǔn)失;在孔的數量(liang)和結😄構都确定(dìng)🔞的前提下均勻(yún)🤟而有序地分布(bù)孔對測量的影(yǐng)響可忽略;
(2)試驗(yàn)結果與仿真模(mo)拟結果基本吻(wen)合,說明隻要使(shǐ)用正确的計算(suàn)模型、精密的網(wǎng)格劃分以及準(zhǔn)确的計算方法(fǎ)，在沒有試驗的(de)條件下也可以(yǐ)使模拟仿📱真對(dui)多孔孔闆進行(hang)研究。

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