摘要:多孔(kong)孔闆流量計 尾流(liú)流動特性是影響(xiǎng)計量性能的關鍵(jian),爲了分析節流孔(kǒng)前後倒角對尾流(liu)流動特性的影響(xiang)規律、優化多孔孔(kong)闆結構,針對DN100、節流(liú)比爲0.67的多孔孔闆(pǎn),本研究利用CFD技術(shu)對帶倒角🌈多孔孔(kǒng)闆的尾流流場進(jin)行計算，從而揭示(shì)節流孔前後倒角(jiao)對計量❗性能的影(yǐng)響規律,并利用實(shi)流實驗進行驗證(zheng)。研究結果表明:前(qián)倒角是降低永久(jiǔ)壓力損失的關鍵(jian)因素,但無法提高(gāo)計量🌈精度,當前倒(dǎo)角❓在30°~60°時,永久壓力(li)損失爲相同節流(liú)比的标準孔闆的(de)50%,流出系數線性度(dù)誤差随前孔倒角(jiao)角度的增大而提(tí)高,當前倒角爲60°時(shi)🌈,與無前孔倒角的(de)多孔孔闆流量計(ji)線性度誤差接近(jin);在45°~60°範圍内,後倒角(jiǎo)對尾流流場🔴具有(you)較好調整作用,從(cong)♋而拓寬量程範圍(wei)、提高計量精度。由(you)此得出,前倒角爲(wèi)60°、後倒角在45°~60°範圍内(nèi)的多孔孔闆計量(liàng)性能有較大⚽的提(tí)高。
1引言
　　傳統 差壓(yā)式流量計 雖然具(ju)有結構簡單、價格(gé)低廉、實驗數據豐(fēng)富、實現标準化🤩等(deng)優🏃🏻點，但是隻有在(zai)符合标準要求的(de)技術條件下,才能(néng)準确地💚測量流量(liàng)。在工程實際應用(yòng)中,很多工況條件(jian)無法滿足測量要(yao)求,例如雷諾數低(dī)🌏于标準中推薦的(de)雷諾數範圍、測量(liàng)介質🍓複雜等。在👈這(zhè)些情況下,非标準(zhǔn)差壓🎯式流量計就(jiu)顯示出它的🔞優越(yue)性,目前具有代表(biao)性非标準差壓式(shì)流量計主要是 錐(zhuī)形流量計 和多孔(kong)孔闆流量計。錐形(xíng)流量計具有自清(qing)潔、自整流、量程👈範(fan)🔴圍寬精度高、壓損(sǔn)低、前後直管段短(duan)等有優點而被廣(guang)泛應用。該流量計(jì)不但具有錐形流(liú)量計的優☎️點，而且(qie)結構簡單、安全✂️性(xìng)高,在國際上引起(qǐ)關注,在中♈國廣泛(fàn)應用。
　　爲了掌握多(duō)孔孔闆流量計的(de)核心技術,國内科(ke)研技術✉️人員開始(shǐ)對該流量計進行(háng)研究。對多孔孔闆(pan)流量🛀計進行實驗(yan)研究，研究結果表(biao)明該流量計的♻️計(ji)量性能遠高于标(biao)準孔闆。對特定節(jiē)流孔布局方式的(de)多孔孔闆的局部(bù)阻力系數及影響(xiang)✉️該系數的關鍵因(yin)素進行研究。文獻(xiàn)[7]利用實驗方法研(yán)究了節😄流孔分布(bu)、孔闆厚度、以及擾(rǎo)動對多孔孔闆的(de)流出系數C的影響(xiǎng)。2010年至今,主要成果(guo)如下🈚:利用CFD數值模(mo)拟技術準确預測(ce)多孔孔闆流量計(ji)内部流場[89];研究結(jie)構參數對計量性(xing)能的🚶影響,确定了(le)合理的節流孔布(bù)局方式[10];基于射流(liú)的卷吸效應,利用(yòng)回🧡流通量建立了(le)計量性能與微觀(guan)流場之間的關系(xì),從而實現對多孔(kǒng)孔闆流量計的優(yōu)化“”]。上述研究成果(guǒ)均是在節流孔無(wú)👄倒角的情況下取(qǔ)得的,計量性能沒(méi)有達到A+FlowTeK的性能指(zhǐ)标，但是在研究中(zhōng)發現💃🏻，倒角對多孔(kong)孔闆流量計的永(yǒng)久壓🔱力損失和計(ji)量精度均有較大(da)影響,國内外尚無(wu)關于孔☀️倒角對多(duo)孔孔闆計量性💋能(neng)影響的文👉獻報道(dào),因此,本文利用CFD技(jì)術揭示前後孔倒(dǎo)角對多孔孔闆流(liu)量計尾流流⚽動特(te)性的影響規律,從(cóng)而優化結構、進--步(bu)提🐅高計量性能。
2尾(wěi)流流場對流量計(jì)性能影響
2.1流量測(ce)量原理
　　多孔孔闆(pǎn)流量計的簡化結(jie)構如圖1所示,即在(zài)封閉的管道内同(tóng)軸安裝多孔孔闆(pan),來流方向如圖中(zhong)箭頭所示,采用法(fǎ)💯蘭方式取⛷️壓。
 
　　如同其他類(lei)型的差壓式流量(liang)計,多孔孔闆流量(liàng)計的🤩工作原理同(tong)樣基于能量守恒(heng)定律和質量守恒(héng)定律,即遵🌈守以⛷️下(xia)事🐕實規🏒律:流體流(liú)經節流件時将被(bei)加速,流體動能增(zēng)加，在流體被加速(sù)處,其靜壓力👄會降(jiàng)低一個相對應的(de)值,不可壓縮流體(tǐ)的體積流量計算(suan)公式爲:
 
　　式中:qv是體(tǐ)積流量,m³/s;△p爲差壓,Pa;C爲(wei)流出系數,無量綱(gāng),該參數是從實驗(yan)中獲得;ρ爲流體密(mi)度,kg/m³;β爲等效直徑比(bǐ);d,爲節流孔的❤️等效(xiao)直徑;p1爲上遊靜壓(ya),P2爲下遊靜壓。由式(shi)(1)知，流出系數C是影(yǐng)響多孔孔闆流量(liang)計性能的唯--參數(shù),通過水量标準裝(zhuang)置實流标✨定得到(dào)差壓,利用式(4)計算(suàn)得到流出系數C,從(cong)式(4)可知,Op是影響流(liú)出系數C的♻️關鍵因(yin)素。--定量程比下流(liú)出系數線性度誤(wù)差⭐是評價多孔孔(kǒng)闆流量計精度等(deng)級的重要指标,多(duō)孔孔闆🆚流量計的(de)流出系❗數線性度(du)誤差記😍作⭕δt。
 
2.2計量性(xìng)能與尾流流場的(de)關系
　　式(1)是由伯努(nǔ)利方程(式(6))推導得(dé)到,而伯努利方程(cheng)是基于同一🛀流💜線(xian)的假設,在同一流(liú)線.上式(6)成立。
 
式中(zhong):ɷ爲渦量;V爲速度矢(shǐ)量;r爲觀測點與旋(xuan)轉中心之間的矢(shi)徑。
　　渦量主要集中(zhong)在靠近多孔孔闆(pǎn)的尾流區域内,并(bing)且👄渦量出現在各(gè)股射流的邊界中(zhong)，上遊渦量較小。由(yóu)式(4)、(7)、(6)可知，流出系數(shu)C主要受尾流流場(chang)速度分布影🏃響。
多(duō)孔孔闆流量計永(yong)久壓力損失w的表(biǎo)達式爲:
ɷ=E+T1+T2(9)
　　式中:E尾流(liu)流場中漩渦運動(dòng)所消耗的能量;T1是(shi)節流件本身造🏃成(chéng)的局部損失，節流(liu)孔前後倒角對流(liu)速及流體與節流(liú)孔的接觸面積改(gai)變很小，故T1可認爲(wèi)不變;T2是沿程損失(shī)，不受節流孔是否(fou)帶倒角影響。因此(cǐ),E是反映倒角對多(duo)孔孔闆流量計永(yong)久壓力損失影響(xiǎng)的關鍵參數。綜上(shàng)所述，尾流流場中(zhong)的漩渦是🚩影響多(duō)孔孔闆📞流量計計(jì)量精度及永久壓(yā)力㊙️損失🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的關鍵因(yin)素。近年來,CFD技術在(zài)流場計💘算中廣泛(fàn)應用u[12-46]，因此本研究(jiū)利用CFD技術來揭.示(shì)倒角對尾流流場(chang)中漩渦的影響規(gui)律。
3網格剖分與湍(tuān)流模型選擇
　　按照(zhao)流量計的實際結(jié)構與尺寸在GAMBIT中建(jiàn)立三維模☁️型，前💁直(zhí)㊙️管📧段長度設置爲(wèi)15D(D爲管徑),後直管段(duàn)長度設置爲30D。爲了(le)準确捕捉多孔孔(kong)闆附近的流場變(biàn)化細節，多孔孔闆(pan)的壁面及節流孔(kong)♉的網格尺寸較小(xiao)，并滿足倒角處的(de)網格沿流向數量(liàng)大于等🔆于2,從而可(ke)以比較準确的捕(bǔ)捉倒角對流場細(xi)節的影響。剩餘網(wang)格從多孔孔🤟闆向(xiàng)管道入口❗和出口(kǒu)逐漸稀疏,這樣的(de)網格剖分方式既(jì)減少網格數量提(ti)高計算效率，又能(néng)準确的反應流場(chǎng)細節提高計算精(jing)度。網格⭐剖分如圖(tú)2所示，單個mesh文件的(de)網格數量在300~400萬。
 
　　介(jiè)質經過多孔孔闆(pǎn)後形成多股受限(xiàn)性射流,流場情況(kuang)較爲♋複雜，這就要(yào)求湍流計算模型(xing)對含有大量漩💔渦(wō)及剪切層的流場(chang)🌈具有較好的計算(suan)效果;多孔孔闆🚶‍♀️流(liu)量計🌈采用壁面取(qu)壓方式，該取壓方(fāng)式要求湍流計算(suàn)模型對近壁區域(yù)🔴有較好的計算效(xiào)果。本研究選擇SST(剪(jiǎn)切應力傳輸)k-ɷ湍流(liú)模型🤩。該模型是由(you)Menter提出的雙方程湍(tuān)流模型,集成了Standardk:w模(mó)型與Standardhte模型的特點(diǎn)。不但在近壁區域(yù)及尾流有很好的(de)預測效果,而且🐪在(zai)高雷諾數流動⛹🏻‍♀️區(qu)域和剪切層中有(yǒu)較好的預測效果(guǒ)。
4節流孔倒角對多(duō)孔孔闆尾流流場(chang)的影響
4.1多孔孔闆(pan)尾流流場
　　本文以(yi)結構如圖3所示的(de)兩層孔的多孔孔(kǒng)闆爲研究對🤩象，第(di)1層爲中心節流孔(kong),第2層爲軸向對稱(cheng)等距離分布節流(liú)孔。λ爲前孔倒角，α爲(wèi)後孔倒角，λ與α取值(zhi)分别爲0°、30°、45°、60°。樣機的命(ming)名規則爲λ-α,如60°45°表示(shi)前倒角爲60°後倒角(jiǎo)爲45°的多孔孔闆樣(yang)機🏃。
 
　　介質經過多孔(kǒng)孔闆後形成如圖(tu)4所示多股射流,流(liu)👨‍❤️‍👨場中存🔞在壁面回(huí)流區和射流間回(hui)流區，在回流區中(zhong)存💜在回流渦等各(ge)種變化的漩渦，是(shì)影響多孔孔闆流(liú)量計計量性能的(de)主要因素。本研究(jiū)中射流間回流區(qū)尺寸很小，對計量(liang)性能㊙️的影響可忽(hu)略,壁面㊙️回流區是(shi)影響多孔孔闆流(liu)量計計量性能的(de)關鍵💔，圖中L爲回流(liu)🏃‍♀️區長度,01、02分别表示(shì)❌，上下側壁面回流(liu)區中渦心位置坐(zuo)标。回流區中漩渦(wō)的結構、渦.心位置(zhì)及個數和回流區(qū)長度是反映回流(liu)區特征的
 
　　即爲再(zài)附着點位置，再附(fu)着點至多孔孔闆(pǎn)下遊壁面的距離(li)爲回流區長度。永(yong)久壓力損失系數(shu)與回✉️流區⭕長度的(de)無量綱值的關系(xì)式如式(10)-l:
 
　　式中:△p爲永(yong)久壓力損失，u爲入(ru)口速度，ρ爲流體密(mi)度，L爲回流區📐長度(dù)的無量綱值。從式(shì)(10)中可以得出,在相(xiang)同的入口速☔度下(xia)，永久壓力損失随(suí)回流區長度的增(zeng)大而增大凹。因此(ci),本研究在入口雷(léi)諾數在3.5x104≤Re≤5.3x105範圍内，以(yi)β=0.67,管徑D=100mm,厚✌️度t=8mm的多孔(kǒng)孔闆爲例分析孔(kong)倒角對尾流流場(chang)中回流🔴區長度及(ji)回流渦的影響規(gui)律。
 
4.2無倒角的多孔(kǒng)孔闆流量計的回(hui)流區特征
　　圖5爲前(qian)倒角λ與後倒角α均(jun1)爲0°的多孔孔.闆在(zài)，入口雷諾數🈲3.5x104≤Re≤5.3x105的範(fan)圍内的尾流流場(chǎng)的流線圖,無倒角(jiǎo)多孔孔闆流場中(zhong)的回流區特征如(rú)表1所示。
 
 
　　從表1中可(kě)以看出壁面回流(liú)區中漩渦結構、渦(wō)心位置均與管🙇‍♀️道(dao)入口雷諾數Re相關(guān)。該多孔孔闆的實(shi)流實驗結果爲:3.5x104≤Re≤5.3x105,線(xiàn)性度δ1=1.8%;5.8x104≤Re≤5.3x105線性度δ1=0.72%。由此(ci)可以得出，壁面回(huí)流區中漩渦随管(guǎn)道入口雷諾數的(de)增加而達到穩定(dìng)狀态,進㊙️入穩定狀(zhuang)态的入口雷諾數(shu)下限爲Remin。當Re<Remin，壁面回(hui)流區中渦心位置(zhi)不固定，甚.min至有⛹🏻‍♀️多(duō)個回流渦✊存在，漩(xuan)渦之間的相互運(yùn)動、破裂及合并等(děng)過程較爲複雜，對(duì)壁面回流區的流(liú)場擾動較大，從而(ér)使該區域的靜壓(yā)波動強烈，計量性(xìng)能降低🏃‍♀️;當Re≥Remin,壁面回(hui)流區中漩渦爲再(zài)附着渦并且渦心(xin)位置與Re無關，多孔(kǒng)孔闆流量計的計(jì)量精度提高。
 
4.3節流(liu)孔前倒角對多孔(kong)孔闆流量計回流(liú)區的影響
　　圖6爲節(jie)流孔後倒角α=0°，節流(liu)孔前倒角λ取30°、45°、60°的多(duō)孔孔闆在相應入(rù)口雷諾數條件.下(xia)的尾流場的流線(xiàn)圖，回流區的主要(yao)特征如表2所👣示。
 
 
 
　　從(cóng)表2中可以得到規(guī)律:節流孔前倒角(jiǎo)30°≤λ≤60°時,進入穩定狀态(tai)🔅的入✏️口雷諾數下(xià)限Remn随着λ的增大而(ér)降低，λ爲60°和0°的多孔(kǒng)孔♋闆具有相同的(de)Remin;λ在30°~60°範圍内變化時(shí)對壁面回流區長(zhang)度無明顯影❤️響,回(hui)流區長度😍爲0.9D,但相(xiàng)對于無倒角的多(duō)孔孔闆,回流區長(zhang)度明顯縮短。因此(cǐ),在入口雷諾數5.8x104≤Re≤5.3x105範(fàn)圍内,30°≤λ<60°的多孔孔闆(pǎn)流量🔴計量精度較(jiào)🐆差,λ≥60°與λ=0°的多孔孔🍓闆(pǎn)計量精度接近，永(yong)久壓力損失減小(xiao)。從上述規律得🌐出(chū):前倒角λ是降低永(yong)久壓力損失的關(guan)鍵因素,但不能🎯提(tí)高計量精度。
4.4節流(liu)孔後倒角對多孔(kong)孔闆流量計回流(liú)區影響.
　　圖7爲節流(liu)孔前倒角爲60°，後倒(dǎo)角分别爲30°、45°和60°的多(duō)孔孔闆在Remin(流場進(jìn)入穩定min狀态的雷(lei)諾數下限)條件下(xià)的尾流流場流線(xian)✨圖。從圖中可以看(kàn)出:回流區長度相(xiàng)等,均爲0.9D;後倒角對(duì)Re,i有明顯的影響，影(ying)響程度與後倒角(jiao)α的角度☂️相關，多孔(kong)孔闆60°-30°的Re,in爲5x104多孔孔(kong)闆60°45°和60°-60°的Re。in均爲🌐3.5x104min由此(cǐ)可知，節流孔後倒(dǎo)角對多孔孔闆✉️尾(wěi)流流場進🤞入穩定(dìng)狀态的🔞Re,影響明顯(xiǎn)，當45°≤α≤60°時，minRe。im顯著降低，從(cóng)而拓展量程範圍(wei);壁面回流區長.min度(dù)與後孔倒角變化(huà)不相關,因此節流(liu)孔後倒🌏角對永久(jiu)壓力損失無影響(xiǎng)。
 
 
　　從上述數值模拟(ni)結果可以看出,在(zai)管道入口雷諾數(shù)3.5x104≤Re≤5.3x105的範👨‍❤️‍👨圍内，節流孔(kong)前倒角λ=60°、後倒角α=60°或(huo)45°的多孔孔闆.上下(xià)側壁❤️面回流區中(zhong)的漩渦爲渦心位(wèi)置固定的再附着(zhe)渦,并且回流區長(zhang)度明⁉️顯縮短。因此(cǐ),λ=60°、45°≤α≤60°的多孔孔闆流量(liang)計在較寬的量程(cheng)範圍内具有較高(gāo)的計🔞量精度和較(jiao)小永久壓力損失(shi)。
5實流實驗
　　爲了驗(yan)證數值模拟所得(de)到的結論，本研究(jiū)在如圖8所示實驗(yàn)裝♉置上對節流比(bǐ)爲0.55、0.67、0.75管徑爲100mm的多孔(kǒng)孔闆進行實流實(shí)驗。該裝置采用水(shui)塔穩壓，流量穩定(ding)性‼️爲0.1%,流量範圍爲(wei)5L/h~800m³/h,不确定度爲0.05%。本🧑🏽‍🤝‍🧑🏻文(wen)采用稱重法對實(shí)驗樣機的流出系(xi)數♻️及壓力損失進(jin)行測量。差壓變送(sòng)器1用來測量多孔(kong)孔闆📧上遊1D與下遊(yóu)🈲6D之間的壓差，即壓(ya)力損失,差壓變送(song)器2用來測量介質(zhi)經過多孔孔闆後(hòu)産生的靜壓差△p,取(qu)壓方式爲法蘭取(qǔ)壓。
 
　　表3爲β=0.67的多孔孔(kong)闆流量計實流實(shi)驗結.果,表中δl1和δl2分(fèn)别爲✂️15:1和10:1量程♻️範圍(wei)内的流出系數線(xian)性度。從表中可以(yi)看出，當節流孔前(qián)倒角👣λ爲30°和45°時,計量(liang)精度較差,流出系(xi)數✔️線性度誤差δl1≥3%,δl2≥2.8%,節(jie)流孔後倒角α值的(de)改變對計量精度(dù)無影響。當λ爲0°和60°時(shi),α爲0°和30°的多孔孔闆(pan)流出系⛷️數線性度(du)誤差δl1≥1.5%,δl2≤0.8%;α爲60°和45°的多孔(kǒng)孔闆流出系數線(xian)性度誤差δl1≤0.8%,δl2≤0.5%。從上述(shù)分🧑🏽‍🤝‍🧑🏻析可知，當30°≤λ≤45°時,計(ji)量精度較差,量程(cheng)範圍較窄;當λ爲0°和(hé)60°、a≤30°時,在10:1量程範圍内(nèi),計量精度較高;當(dāng)λ爲0°和60°、45°≤a≤60°時,在15:1量程範(fàn)圍❌内，計量精度較(jiao)高。
 
　　表4和表5分别爲(wei)β=0.55和β=0.75的多孔孔闆流(liu)量計實驗結果,從(cong)實驗🤞結果中可以(yǐ)得出與β=0.67的多孔孔(kǒng)闆相同的結論🔆,進(jìn)一步驗證了λ爲0°和(he)60°、45°≤a≤60°的多孔孔闆具有(yǒu)較寬的量程範圍(wéi)和計量精度.
 
　　圖9不(bú)同多孔孔闆流量(liang)計永久壓力損失(shi)随管道入⭐口雷諾(nuò)數的💚變化曲線，從(cóng)圖中可以看出，永(yong)久壓力損失△o随入(ru)口雷諾數Re的增大(da)而增大,前倒角λ爲(wèi)60°的多🏃🏻‍♂️孔孔闆😘流量(liang)計的永久壓力損(sun)失比λ爲0°的多孔孔(kong)闆降低了35%,比相同(tóng)節流比的标準👅孔(kǒng)闆降低了50%以上,後(hou)倒角α對△ɷ無明顯影(ying)響。因此🤞,λ爲60°、45°≤α≤60°的多孔(kong)孔闆在較大的量(liang)程範圍内具有較(jiao)高的計量✉️精度并(bing)且永久壓力損失(shī)較小，實驗結❗果與(yǔ)數值模拟的結論(lun)一緻。
 
6結論
　　從理論(lun)分析可知，多孔孔(kong)闆流量計尾流流(liú)場中的漩渦直接(jie)影響多孔孔闆流(liu)量計的計量性能(néng)。數值模拟得出多(duō)孔孔闆✊節流孔前(qian)後倒角對計量性(xing)能的影響是不同(tóng)的,具體的影響😘規(guī)律如下:節流孔前(qian)倒角是影響永久(jiǔ)壓力損失的關鍵(jian)因素,但無法提🔴高(gao).計量精度;節流孔(kong)後倒角對尾流流(liú)場具有調整作用(yòng)，是提高計量精度(dù),拓寬量🍉程範圍的(de)關鍵因素。從實流(liú)實驗結果可以看(kan)出,λ爲60°、45°≤α≤60°的多🌐孔孔闆(pan)在15:1的量程範圍内(nei),流出系數🌍線性度(du)在0.8%以内，永久壓力(lì)損失是标準孔闆(pan)的50%。

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