摘要(yao):本文分析了孔(kǒng)闆流量計的結(jie)構,其工作原理(lǐ)屬差壓流量計(jì)範疇,從仿真角(jiǎo)度對孔闆流量(liàng)計進行瞬态分(fen)析,得出“壓差-流(liu)量點🏃🏻”、“壓差👣開方(fāng)根-流量點"的拟(nǐ)合方程,流量值(zhí)x;與壓差開方根(gen)yi的線性關系;随(suí)着流量的🤩逐漸(jiàn)增大,壓差差值(zhí)呈增大的趨勢(shi).且流體介質的(de)分子量越㊙️大,k系(xì)數越小;相較于(yu)對稱偏離,偏離(li)程度的大小🏃🏻對(dui)h系數的影㊙️響不(bu)穩定,呈先增大(dà)後減小、再❓增大(da)波浪線上☔升的(de)趨勢,沒有嚴格(ge)的規律而言。
0引(yin)言
　　孔闆流量計(jì)是根據伯努利(li)公式,利用流體(tǐ)在流動過程中(zhōng)遵守能量守恒(héng)定律,即動能和(he)靜壓能之和不(bu)變🙇🏻,以流體通🤞過(guò)節流作用的孔(kǒng)闆時産生壓差(chà)的原理而🧑🏾‍🤝‍🧑🏼進行(hang)測量,廣泛應用(yòng)于石油、化📞工、冶(ye)金、電力、供熱供(gòng)水等領域的過(guò)程控制和測量(liang)。”
　　目前,CFD仿真手段(duan)是比較熱門的(de)方法,廣泛應用(yong)于産品設計、優(yōu)🈲化參數。采用solidworks軟(ruǎn)件建立DN150标準孔(kǒng)闆流量計幾何(hé)模型,基于CFD軟件(jiàn)對此狀态下孔(kong)闆流量計内部(bù)流場進行數值(zhi)模拟分析;等應(ying)用FLUENT流體仿真軟(ruan)件,對空氣經過(guò)孔闆前後的壓(yā)力和速度進行(háng)仿真研究👌;'應用(yong)計算流體力學(xué)軟件,對不同結(jié)構參數的孔闆(pǎn)流量計進行數(shù)值模拟;運用CFD方(fang)法,在Fluent軟件🈲中采(cai)用标準k-e模型和(he)離散相模型對(duì)孔闆内濕天然(ran)氣流動進🧑🏽‍🤝‍🧑🏻行模(mó)拟，将模拟📧結果(guǒ)與NEL實驗數據進(jin)行驗證;(5]趙奇等(deng)以計算流體力(lì)學(CFD)爲工具,模拟(nǐ)了标💋準孔闆流(liu)量計與一類兩(liǎng)通道非标準孔(kǒng)闆流量計的内(nèi)部流場;[6]李♋過房(fang)自主開發了孔(kǒng)闆💃流星計流場(chǎng)的數值模拟軟(ruan)件,詳細分析軟(ruǎn)件收斂的條件(jian),并給出了在層(céng)流和湍流條件(jian)下流出系數的(de)計算結果;采用(yong)計算流體力學(xue)(CFD)模拟方法對孔(kǒng)闆流動進行了(le)較準确的預測(cè);等采用CFD模拟方(fāng)法,确定了單相(xiàng)非牛頓流體的(de)流量系數與雷(léi)諾數(比0.4.0.6和0.8)的關(guan)系,并對不同濃(nóng)度的非📱牛💋頓流(liu)體的流量系數(shu)進行了分析。
　　此(cǐ)外,孔闆流量計(ji)作爲差壓流量(liang)計範疇,流經孔(kǒng)闆的🈲流量與🙇🏻節(jiē)流件前後壓差(cha)開方根成一定(ding)的線性關系,存(cun)在h系數,但很♌少(shǎo)有人對k系數的(de)影響因子進行(hang)分析,本文将從(cong)以下幾個方面(miàn)去探讨不同楔(xie)角😘大小、不同流(liu)體介，質不同偏(piān)離情況對壓差(cha)及k系數🈚的影響(xiǎng),爲在😍實際檢測(cè)、使用及産品設(shè)計等領域提🙇‍♀️供(gong)參考。
1孔闆流量(liang)計結構與工作(zuò)原理
1.1孔闆流量(liàng)計結構
　　孔闆流(liú)量計屬于差壓(yā)流量計範疇,作(zuò)爲一個節流件(jian),使上下遊㊙️産生(shēng)壓力差，主要分(fèn)爲标準孔闆和(he)非☁️标準孔闆(錐(zhui)形人口孔闆💁、1/4圓(yuan)孔闆、偏心孔闆(pǎn)、圓缺孔闆、多孔(kong)孔闆等)。其結構(gou)簡單,如💋圖1所示(shì):D爲管道内徑,d爲(wèi)孔闆内徑,E爲孔(kǒng)闆厚度,e爲節流(liú)孔厚度。其中d≥12.5mm,出(chu)口楔角φ在30°~60°之間(jiān)，e在(0.005~0.02)D之間,E在e~0.05D之間(jian)。
 
1.2工作原(yuan)理
　　孔闆流量計(jì)工作時，是将孔(kǒng)闆與多參數差(chà)壓變送✉️器(或差(cha)壓變送器、溫度(dù)變送器及壓力(lì)變送器)配套組(zǔ)成的差壓流量(liàng)裝置,可測量氣(qi)體、蒸汽、液體等(deng)😄介📞質的👣流量,孔(kǒng)闆流量計的流(liu)量公式爲:
 
式中(zhōng):qv---流過孔闆流量(liang)計的體積流量(liang),m³/h;
C---流出系數,通過(guo)标準流量實驗(yàn)裝置檢定.得到(dào);
ε---膨脹系數,當被(bei)測介質爲液體(tǐ)時,ε=1可忽略,當被(bèi)測介質爲氣體(ti)時,因介質可壓(ya)縮,ε爲小于1的數(shu)值,需要經過研(yán)究方能得到;
m---流(liu)通截面與管道(dào)截面之比,僅與(yu)孔闆流量計相(xiàng)關👄幾何參數☂️有(yǒu)🙇🏻關;
D--管道内徑,m;
△p---孔(kong)闆節流件前後(hou)産生的差壓，由(yóu)差壓變送器測(cè)量🔞得❗到,Pa;
ρ---被測流(liu)體密度,kg/m³。
因此C、ε、m、D、ρ爲(wei)常數,設:
 
　　由式(3)可(kě)知,流過孔闆流(liú)量計的體積流(liú)量與節流件前(qian)後🌈壓差♉的開方(fang)根呈線性關系(xi),且經過原點。
2仿(pang)真理論與試驗(yàn)方案設計
2.1模型(xíng)建立
　　本文三維(wéi)模型建立由SolidWorks2020完(wan)成,根據上文1.1中(zhōng)有關要求,初✉️步(bu)🚩設計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學(xue)模型。
2.2仿真理論(lun)分析[2]
　　計算流體(tǐ)動力學基本思(sī)想是把原來在(zài)時間域及空間(jian)域上連續的物(wù)理量的場(速度(dù)場、壓力場等),用(yòng)一系🧑🏾‍🤝‍🧑🏼列有🙇🏻限個(ge)🌍離散點上的變(bian)量值的集合來(lai)代替❄️,通過一定(dìng)的原㊙️則和方式(shi)建立起關于這(zhè)些離散點上場(chǎng)變量之間關系(xì)的代數方程組(zǔ),然後求解方程(chéng)組獲得場變🥰量(liang)的近似值。
2.3試驗(yan)思路
　　通過仿真(zhēn)分析:一是研究(jiū)流體介質在管(guǎn)道内的流動狀(zhuang)态,根據🥰2.1相關參(can)數建立模型,滿(mǎn)足“前十後五”直(zhí)管段⭕要求,進行(hang)瞬時💚動态分析(xī),研究壓力、流速(su)的分布及變化(hua)規律🤩;二是研究(jiū)不同楔角φ對📧k系(xì)數及節流⭐件前(qian)後壓差的影響(xiang),分别取ψ爲⛷️30°、40°、45°、50°,60°條件(jian)下k系數的變化(hua)規律;三是研究(jiū)不同流體介質(zhì)對h系數的影響(xiang),分别🔞取流體介(jie)質🌈爲空氣、水、天(tiān)然氣等對k系數(shu)的影響;四✏️是根(gen)據上下遊管道(dào)夾持孔闆形成(cheng)偏心狀态,研究(jiu)孔🤟闆對中性對(dui)h系數的影響等(děng)。
3仿真分析
3.1瞬态(tai)分析
　　根據2.1參數(shu)設計,建立模型(xíng);分析類型選擇(zé)内部,排出内部(bu)♻️不具備流動條(tiáo)件的腔,物理特(te)征選擇瞬态分(fen)析,分析總時間(jian)設定爲2s,輸♉出時(shí)間步長設定爲(wèi)0.02s;進行瞬态分析(xi)選擇流體介質(zhì)爲空🌏氣,入口流(liú)量分别選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等(děng)16個流量點;如圖(tú)2所示,上、下遊取(qu)壓口💋壓差随着(zhe)人口流量的增(zeng)大呈增大趨勢(shì);設x爲各流量點(diǎn).單位爲m³/h,yw爲各流(liu)量點對應的上(shang)/下遊💞取壓口壓(yā)差值、單位爲Pa,y爲(wèi)xix0.5、單位爲Pa0.5。
 
　　瞬态分(fèn)析如圖3所示,以(yǐ)了解孔闆流量(liang)計在進行工㊙️作(zuò)時,介質的流動(dòng)狀态及壓力、速(sù)度實時分别情(qíng)況。設定進口流(liú)量爲100m³/h,出口壓力(lì)條件爲标準大(dà)氣壓、溫度爲20℃;孔(kong)闆流量計的結(jié)構設計⁉️造成氣(qi)流通道變窄(管(guan)道突然變徑),氣(qi)流進入管道短(duan)時間(0.005s)内上遊取(qǔ)壓🧡口壓力突然(ran)增大,空氣流動(dòng)加劇,下遊管道(dào)壓力突🐆然間變(bian)小形成負壓區(qū),但壓力分布不(bú)明顯,僅🔴在孔闆(pan)口周圍⭐形成不(bu)同壓力分層;下(xià)遊管道壓力出(chū)現明顯分層、且(qiě)逐漸趨㊙️于穩定(dìng)。
 
　　根據仿真數據(ju)得出“壓差-流量(liang)點”、“壓差開方根(gēn)-流量💋點⁉️”的拟🔞合(he)方程,分别爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
　　由(yóu)于孔闆流量計(ji)工作原理屬差(chà)壓流量計範疇(chóu),流量值xi與壓🌈差(cha)開方根yi存在線(xian)性關系,通過變(bian)形可得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
　　則通過(guo)自定義設置截(jie)距爲0,xi=24.533yi,即系數k=24.533。
3.2不(bú)同楔角φ對h系數(shù)、壓差差值的影(yǐng)響
　　根據2.1參數設(shè)計，建立模型,其(qi)他條件不變，隻(zhī)改變楔🈲角💋的大(da)小🌈，分别取φ爲30°、40°.45°、50°、60°條(tiáo)件下k系數的變(bian)化規律;仿真流(liú)程如3.1所述。得✨到(dào)結果如圖4所示(shi),不同楔角下，“壓(ya)差開方根-流量(liàng)點⚽”均呈理想線(xiàn)性關系(R2=1),圖像幾(ji)乎是重💜合的,說(shuō)明⛹🏻‍♀️楔角對h系數(shù)影響較小;線性(xing)關系分别爲:
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令(ling)截距均爲零,則(ze)楔角30°、40°、45°、.50°.60°對應的系(xì)數k分别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通過(guò)計算,不同楔角(jiao)條件下,仿真壓(ya)差與計算壓差(cha)基本一緻🚶,如圖(tu)5所示，
 
　　不難發現(xian):整體來看,不論(lùn)楔角是哪一種(zhong)情況，在50m³/h以内的(de)流量下,差值基(jī)本--緻,且均接近(jin)于0;随着流量的(de)逐漸增大,壓差(chà)差值呈增大的(de)趨勢;楔角40°和楔(xiē)角45°條件下，差值(zhí)變化趨勢基本(běn)緻,且偏離方向(xiàng)一緻;楔角50°與楔(xie)角60°條件下，差值(zhi)🔴基本重合,且偏(piān)離方🚩向一緻;楔(xie)角30°對差值的影(ying)響最大,在流量(liàng)爲500m³/h時,達到最大(dà)值1.94Pa。流量400m³/h是差值(zhi)的“拐點”，當楔角(jiǎo)爲40°、45°時,差值最大(dà),之後差值開始(shi)降低;當楔角爲(wei)30°、50°、60°時，差值開始突(tū)然變大。
3.3不同流(liú)體介質對h系數(shù)的影響
　　爲了研(yán)究不同介質對(duì)k系數的影響,本(ben)文選擇氣态水(shuǐ)💯、空氣、甲烷✂️等三(sān)種氣體作爲流(liú)體介質進行單(dan)因‼️素試驗仿真(zhen)，取楔角爲45°等其(qi)他參數因素不(bu)變進行仿真,結(jie)🙇‍♀️果如圖6所示;三(san)種不同介質條(tiao)件下，壓差與流(liu)量的關系分别(bié)爲:
 
　　由于孔闆流(liú)量計工作原理(lǐ)屬差壓流量計(ji)範疇，流量值xi與(yǔ)壓差開方根yi存(cún)在線性關系,根(gēn)據3.1分析,氣态水(shui)、空氣、甲烷等三(sān)種✊氣體作爲流(liú)體介質對應的(de)系☔數h:分别爲31.407、24.533.33.304;綜(zōng)上所述,流🈚體介(jie)質不同,壓差與(yǔ)流量、壓差開方(fāng)根與流量的變(bian)化趨勢一緻,但(dan)不同流體介質(zhì)對應的k系數卻(que)相差很大。
 
　　根據(ju)三種氣體介質(zhì)的分子量分别(bié)爲18(H20)、29(空氣)、16(CH4),與k系數(shù)的對應關系如(rú)圖7所示;流體介(jiè)質的分子量越(yuè)大,h系數越小;随(suí)着分子量的增(zeng)大、h:系數逐漸減(jiǎn)小。
3.4孔闆對中性(xing)對k系數的影響(xiang)
　　本文孔闆對中(zhōng)性是指在安裝(zhuāng)孔闆或實驗室(shì)檢定🌂孔🍉闆時,孔(kǒng)闆❤️孔口的中心(xin)線與管道中心(xīn)線--緻程度,将上(shàng)述中心線的偏(piān)離距離作爲試(shi)驗因子;如圖8所(suo)示,偏離分爲對(dui)稱偏離(DCPL)和偏離(lí)🏃🏻‍♂️(PL)兩種;分别取偏(pian)離距離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔角(jiao)爲45°,介質爲空氣(qì)進行仿真實驗(yàn)💘等。
 
　　如圖9所示,仿(pang)真結果顯示:不(bu)論哪種偏離情(qing)況壓差與🛀流量(liang)的關系曲線(變(bian)化趨勢)是一緻(zhi)的,且幾乎是重(zhong)合的,并随着㊙️流(liú)量的不斷增大(dà),壓差也不斷成(cheng)增大趨勢;根據(ju)3.3中流量值xi與壓(yā)差開方根yi存在(zài)線性關系,得出(chu)不同偏離情況(kuàng)下對應的k系數(shu),對稱偏離的情(qing)況下,随着偏離(lí)程度的增大h系(xì)數呈增大趨勢(shì);相較于對稱偏(pian)離,偏離程度的(de)大小對h系數的(de)影響不穩定,先(xian)增大後減小再(zai)增大波浪線上(shang)升的趨勢,沒有(yǒu)嚴格的規律而(ér)言;因此,在使用(yong)或檢定孔闆流(liu)量計時,--定要保(bao)證對中性，這樣(yàng)檢出來的數據(jù)才有意義。
4結論(lùn)
　　通過建模進行(hang)仿真實驗得出(chu)以下結論:
(1)分析(xī)了孔闆流量計(jì)的結構,其工作(zuò)原理屬差壓流(liú)量計範🥵疇，推🐇導(dao)出流量值xi與壓(yā)差開方根yi之間(jiān)存在線性關系(xi),且通過原點。
 
(2)完(wan)成對孔闆流量(liàng)計瞬态分析,得(dé)出“壓差-流量點(diǎn)”、“壓差開方根-流(liú)量點”的拟合方(fāng)程,根據.流量值(zhí)xi與壓差開方根(gēn)yi的線性關系,通(tong)過自定義設置(zhì)截距爲0,得出h系(xi)數。
(3)不同楔角φ對(duì)h系數、壓差差值(zhi)的影響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對(dui)應的系數🍓k分别(bié)爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不🧑🏽‍🤝‍🧑🏻論楔角是(shi)哪一種情況,在(zai)50m³/h以内的流量下(xia),差📐值基本一緻(zhi),且均接近于0;随(sui)着流量的逐漸(jiàn)增大,壓差差值(zhí)呈增大的趨勢(shì)。
(4)氣态水、空氣、甲(jia)烷等三種氣體(tǐ)作爲流體介質(zhi)對應的系數k分(fen)别爲31.407、24.533.33.304;且流體介(jiè)質的分子量越(yuè)大,k系數越📱小;随(sui)着分子量的增(zeng)大.h系數逐漸減(jian)小。
(5)不論哪種偏(piān)離情況,壓差與(yu)流量的關系曲(qu)線(變化趨🔞勢)是(shi)一.緻♉的,且幾乎(hu)是重合的，并随(suí)着流量的不斷(duan)增大,壓差也不(bu)斷成增大趨勢(shì);但在對稱偏離(li)的情況下,随着(zhe)偏⛱️離程度的增(zeng)大k系數呈🙇🏻增大(da)趨勢;相較于對(duì)稱偏離,偏離程(chéng)度的大小對h系(xì)數⚽的影響不穩(wen)定,先增大後減(jiǎn)小再增大波浪(làng)線上💋升的趨勢(shi),沒有嚴格的規(gui)⛷️律而言。
　　綜上所(suǒ)述,在設計孔闆(pan)流量計時,一定(dìng)要考慮流量🥰範(fàn)圍及楔角大小(xiao)的選擇兩個重(zhong)要因素;在使用(yong)時,-定要保證對(dui)中性,這樣得出(chu)的數據才有意(yi)義。另外♻️,在對孔(kong)闆流量計(差壓(ya)流量計)進行檢(jian)測時,出.具證書(shū)一定要給出檢(jian)定介質,用戶在(zai)使用時，一定要(yao)注🈲意檢定用介(jiè)質與實際流體(tǐ)介質的差👨‍❤️‍👨别,适(shi)時進行🌈修正,才(cái)能保🎯證流量計(jì)的性能準确結(jié)算科學,以免帶(dai)來不必要的麻(má)煩等。

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