摘要(yao):爲了研究孔闆(pǎn)流量計 在動态(tai)非穩定流态或(huo)振蕩流态下的(de)瞬時壓力-流量(liàng)✉️特性，理論分析(xī)了孔闆前後的(de)旋渦城大小随(suí)流速變🐉化是引(yin)起孔闆進出💛口(kou)瞬時流量差的(de)主要原因.借助(zhù)CFD數值解析方法(fa)☁️,建立孔闆模型(xíng),并在模型入口(kǒu)加載某💜一頻率(lǜ)下的正弦流🈲速(sù)，對孔闆流量計(ji)在🈲振蕩流态下(xià)的瞬時壓力-流(liu)量特性進行分(fèn)析.結果🛀表明:當(dāng)孔闆🐇流量計處(chu)于低頻振蕩流(liú)動狀态時,孔闆(pan)兩端差壓也處(chù)❌于周期☂️振蕩狀(zhuang)态,差壓與節流(liú)孔瞬時流量同(tong)頻不同🛀🏻相，差壓(yā)幅值随入口流(liu)速振幅增大而(ér)線🔆性增大，且線(xiàn)性增長系數與(yǔ)振蕩頻👈率相關(guan);孔闆的入口與(yǔ)出口存在周期(qi)波動的瞬時流(liu)量差,振蕩頻率(lǜ)越大或入口流(liu)速峰值越小,瞬(shun)時流量✉️差的波(bo)動越小，由于相(xiàng)位❓滞後和瞬時(shi)流量差的存🤞在(zai)，使孔闆😍流量計(ji)的測量流量與(yu)實際出口流量(liang)之間存在偏差(cha).振蕩頻率越大(da)，偏差也越大.
　　孔(kǒng)闆流量計因其(qi)結構簡單、耐用(yong)而成爲目前國(guó)際🏃上标準化程(cheng)度最高、應用最(zuì)爲廣泛的一種(zhong)流量計,因此研(yan)究節流孔的✉️流(liú)量特性,對提高(gāo)孔闆流量計測(ce)量不确定度⛹🏻‍♀️的(de)認識具有很🚩重(zhòng)要的意義.孔闆(pǎn)流量計通過測(cè)量壓差進而獲(huo)得流量.當液流(liú)經過節流孔,流(liu)束縮🔞小,流速變(biàn)大并伴随着較(jiao)大的壓力降.流(liu)束的最小橫斷(duan)面出現在實際(jì)縮口的下遊,稱(cheng)爲縮流斷面.在(zài)縮流斷面處,壓(ya)力最低.壓降的(de)産生是💋由于在(zai)孔闆的兩側♊側(ce)面出現回流區(qu)及旋渦域,造成(cheng)較大的♌内部紊(wěn)流和♍能量損耗(hao)的結果[1-2].旋渦🍉域(yu)的大小取決于(yú)流動雷諾數,随(suí)着雷諾數的增(zeng)大,渦旋強度增(zeng)加[3].
　　流體力學中(zhong)對孔口恒定出(chū)流的描述爲孔(kong)闆結構的設計(jì)提供了理論依(yi)據.但實際應用(yong)中，由于外界激(ji)勵引起的壓力(lì)波❄️動,圓管内流(liu)體常處于動态(tài)非穩定流态或(huò)振蕩流态[4],孔闆(pan)流量計内㊙️部流(liú)場結構變化極(ji)爲複雜，因此,計(jì)量孔闆的瞬時(shí)流😘量特性往💛往(wang)與理論分析結(jié)果存在偏差因(yin)此,有必要對孔(kǒng)闆㊙️在非穩定流(liú)态下的流量特(te)性👅進行研究.
　　通(tong)過Fluent流體仿真程(cheng)序,對不同節流(liu)孔直徑比的孔(kǒng)闆,以水🌂爲介質(zhi)🙇🏻在振蕩流态下(xia)的流動過程進(jin)行仿真,對其🈲瞬(shun)時壓力-流量✍️特(tè)性進行分析.
1理(lǐ)論分析
　　通常在(zài)特定測壓位置(zhì)和特定流體參(can)數情況下,根據(ju)流體流動的連(lian)續性方程和伯(bó)努利方程可推(tui)導出孔闆前😍後(hòu)差壓△p與流經節(jie)流孔的體積流(liú)量QY滿足⭕以下函(han)🔴數關系[5],即
 
　　式中(zhōng):C爲流出系數;ρ爲(wèi)流體密度;β爲節(jie)流孔的直徑比(bǐ)(β爲節流孔直徑(jìng)d與圓管内徑D的(de)比值,即β=d/D);sign爲符号(hao)函數*.
圓管進口(kou)流量可計算公(gōng)式爲
 
　　孔闆流量(liàng)計通過測量節(jie)流孔兩端差壓(yā)進而獲得節流(liú)孔流量QV.對于不(bú)可壓縮的定常(chang)流，圓管進口流(liú)量Qin和出口😍流量(liàng)Qout與節流孔流量(liàng)QY相等,聯立以上(shàng)方程可得節流(liu)孔兩端差壓與(yu)人口流速的關(guan)系表達式爲
 
　　由(yóu)式(3)可知,孔闆兩(liang)端差壓也呈周(zhōu)期性波動,.其振(zhèn)蕩頻率與孔🛀闆(pǎn)♊人口流速振蕩(dang)頻率相同.
　　孔闆(pǎn)前後存在旋渦(wo)域.旋渦域的大(dà)小占據圓管空(kong)間🌂,液💯體在旋渦(wō)域停留,不流向(xiang)下遊管道.旋渦(wō)域增大,則流向(xiang)圓管出口的液(yè)👨‍❤️‍👨流減少.由于孔(kǒng)闆前後遊渦旋(xuan)強度随流動雷(lei)諾數增大而增(zēng)大,即随流速增(zeng)🥵加旋渦域變大(da)3]，.在振蕩流态下(xià),旋渦域大⛹🏻‍♀️小随(suí)入口流速變化(huà)也表現爲周期(qi)性變化狀态,變(bian)化頻率與流速(sù)振蕩頻率相同(tong).因此，在某🌈一極(jí)短時間段内,旋(xuán)♌渦域的體積變(biàn)化量表現爲圓(yuán)管進、出口的瞬(shùn)時流量🎯之差.對(duì)于不可壓縮的(de)非定常流,人口(kou)瞬時流量Qin與出(chū)口瞬🌈時流量Qout和(hé)節流孔瞬時流(liú)量QY滿足以下關(guān)系,即
 
　　式中:△Q表示(shì)圓管進出口瞬(shùn)時流量差.瞬時(shi)流量差的存在(zài)，使孔闆流量計(ji)實際測量流量(liang)Qv與出口瞬時流(liu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量Qout之間不可避(bì)💯免存在偏差.
　　事(shi)實上,由于節流(liú)孔的壓降作用(yòng),當孔闆下遊壓(ya)力低于液體飽(bǎo)🌈和蒸氣壓以下(xia)，氣泡将在下遊(you)管道産生,形成(chéng)閃蒸現🈲象.當壓(ya)力上升,氣泡破(po)裂瞬間産生局(ju)部空穴,高壓液(ye)體重新流向這(zhe)些空間.顯然,氣(qì)泡和空穴占據(jù)了下遊管道空(kong)間,使進、出口⚽流(liu)
量Qm與Qout,存在差異(yi),出現瞬時流量(liàng)差實際孔闆流(liú)量計使用過程(cheng)中避免閃蒸和(he)空穴現象的出(chu)現,故文中對其(qí)🌈影響不做表述(shù).
爲進一步探究(jiu)孔闆的瞬時壓(yā)力流量特性,文(wén)中以上述理論(lun)分析爲基礎，結(jié)合有限元分析(xi)思想,對孔闆流(liú)💯量計在低頻微(wei)幅振蕩流态下(xià)的壓力流量特(tè)✂️性進行⛱️了分析(xi).
2期修仿真
2.1控基(jī)文圖
　　文中選用(yòng)RNGk-ε湍流模型對孔(kong)闆的流量特性(xing)進行模拟.該模(mó)型的控制方程(chéng)分别爲連續性(xing)方程
 
　　上述式中(zhōng):xi,xj分别爲縱向和(hé)橫向坐标;ui,uj分别(bie)爲縱向和想象(xiang)✔️的速度分量;p爲(wèi)流體壓力;v爲流(liú)體運動黏度;vt爲(wèi)😄流體渦流黏度(dù),vt=Cμk²/Ɛ,其中k爲湍💋動能(néng),Ɛ爲湍動耗散率(lü),Cμ=0.085.
　　模型邊界條件(jian)包括速度人口(kǒu)、壓力出口、無滑(hua)移壁面邊界,在(zai)近💚壁面區域采(cǎi)用标準壁面麗(lì)數進行處🌏理.采(cai)❤️用軸對稱♍邊界(jiè),即模型對稱軸(zhóu)的徑向速度爲(wei)0.在求解離散方(fang)💚程組和壓力速(sù)度耦合🧑🏾‍🤝‍🧑🏼時選擇(zé)了SIM-PLE算法,動量和(hé)湍流動能分别(bie)采用💯的是二階(jie)🔞迎風與一階迎(yíng)風差分格式.
2.2仿(pang)真文收
　　利用孔(kǒng)闆模型的軸對(duì)稱性的特征,在(zai)圓柱坐标系下(xia)建立🎯它們⛷️的1/2實(shí)體模型,取壓方(fang)式采用D-D/2取壓其(qí)計算域如圖1所(suo)示.孔闆✍️.上遊直(zhí)管段長度爲20D,充(chōng)足的上遊管長(zhang)能夠确保液流(liú)在孔闆🌂上遊爲(wèi)🥵充分發展的🐕湍(tuan)流流動.模型具(ju)體尺寸,其中D=12.3mm,β=0.247,Lu=246mm,Lt=494mm,t=2mm.
　　爲(wei)了表現孔闆前(qián)後的流場變化(huà)情況,首先在壁(bi)面附👨‍❤️‍👨近劃分邊(biān)🏒界層網格,邊界(jie)層第一次厚度(du)爲0.1mm,共10層🔞,高度增(zēng)長因子1.1.其次,爲(wei)了提高孔闆附(fu)近的計算精度(du),對靠近孔闆🔞部(bù)分的網格進🐉行(hang)局部加密,離節(jiē)流☎️孔越遠,網格(ge)越稀疏最後,利(li)用結構化網格(gé)生成方🔴式劃分(fen)其餘✊部分網格(gé).
 
　　文中所選用的(de)流體介質爲常(cháng)溫狀态下的水(shui).人口流速設定(dìng)🙇‍♀️爲某一-頻率下(xià)的正弦流動u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選(xuan)擇不同平均流(liu)速uarg、流速振🔞幅uamp和(hé)振蕩頻率ƒ參數(shù)作爲節流孔的(de)人口流速,具體(ti)參數見表1.利用(yòng)UDF功能将該自定(ding)義速度函數加(jiā)載在模型的速(sù)度人口.
 
3網出第(di)日
3.1振蕩差絡
　　通(tong)過後處理後可(ke)以觀察到,當人(rén)口流速爲某一(yi)頻率下的正弦(xián)♊流動時,孔闆兩(liang)端将出現與人(rén)口流速頻率💞相(xiàng)同的振蕩差壓(yā).如圖2所示，節流(liú)孔瞬時流量❤️與(yu)差壓振蕩頻率(lǜ)相等且具有固(gu)定的相位滞後(hòu).相位滞後意味(wèi)着測量壓差不(bú)能反映當時的(de)流量情況.此外(wai)，由于壓差測量(liàng)裝😍置的動作時(shí)限,測量壓差♋滞(zhì)後,不能及時反(fan)映瞬時壓差的(de)變化因此，在振(zhen)蕩流态下,孔闆(pǎn)流量計對瞬時(shí)流量的測量存(cun)在不确定性.
　　圖(tú)3爲人口流速振(zhen)幅與差壓幅值(zhi)的關系.對于同(tong)一振蕩頻率📧的(de)入口流速,孔闆(pǎn)兩端差壓幅值(zhí)随人口流速振(zhèn)幅增大而線性(xìng)增😄大,但其線性(xing)增長系數與振(zhèn)蕩頻率有關.
 
　　從(cóng)圖4中可以看出(chu)當人口流速振(zhen)幅一定時,節流(liu)孔兩端差壓的(de)振蕩幅值随振(zhen)蕩頻率的增大(da)而增大✊.差壓幅(fu)值與振蕩頻率(lǜ)存在近似一次(ci)線性關系.
　　在孔(kǒng)口恒定出流情(qing)況下,測量流量(liang)與實際節流孔(kǒng)流量Qv相同🧑🏾‍🤝‍🧑🏼.而在(zai)振蕩流态下,差(cha)壓幅值随振蕩(dang)頻率線性增大(dà)😍,則測量流🔞量幅(fu)值越大,與實際(jì)節流孔流量的(de)偏差也越大.
　　從(cóng)圖5中可以看出(chu),平均入口流速(su)的變化,對壓力(li)幅值的影響幾(jǐ)乎可以忽略.
3.2瞬(shun)時流量差
　　在振(zhèn)蕩流态下,孔闆(pǎn)前後回流區和(hé)旋渦域的大小(xiǎo)随人口流速變(biàn)化不斷改變，導(dao)緻進出口流量(liang)存在.瞬時流量(liang)差△Q,如圖6所示.瞬(shun)時流量差表現(xian)爲複雜的🌈周期(qī)性波動,其波動(dong)周💋期與差壓振(zhen)蕩周期相同,相(xiàng)位介于瞬時流(liú)量和差壓兩者(zhě)之間,且稍滞後(hòu)于振💛蕩差壓.當(dang)差壓增大至峰(fēng)值點時，瞬時流(liu)量差趨向其波(bō)峰,并在到🔱達峰(fēng)值點後反向階(jie)躍.
 
　　爲研究人口(kǒu)流速各參數對(dui)瞬時流量差的(de)波動特性影🌈響(xiǎng),對仿真記錄的(de)瞬時流量差數(shù)據作方差分析(xi)和極差分析,以(yi)此💯描述瞬時流(liu)量差的波動情(qing)況.瞬時流量差(chà)的極差和方差(cha)與振蕩頻率關(guan)系如圖7所示.當(dang)入口平均流速(su)和流速振幅不(bu)變時,瞬時流量(liàng)差的極差和方(fang)差随人口流速(sù)的振蕩頻率增(zeng)大而減小也即(ji)人口流速頻率(lǜ)越♻️大,瞬時流量(liang)差的波動程度(dù)越⭐小，同時✔️波動(dòng)的🔞峰值也越小(xiao).
　　圖8爲入口平均(jun)流速與瞬時流(liú)量方差及極差(cha)的關☎️系.當振蕩(dang)頻率和流速振(zhèn)幅相同時,人口(kou)平均流速越大(dà),瞬時☔流量㊙️差的(de)方差💯和極差越(yue)大.圖9爲瞬時流(liú)量差方差和極(jí)差與流🌈速振幅(fú)關系.從圖中可(kě)以看🏃‍♂️出，當人口(kou)平均流速🐅相同(tóng)時,對于給定的(de)振蕩頻率,瞬時(shi)流量差的方差(cha)和極差随着流(liu)速💞振幅增大而(ér)增大.因此,當人(ren)口流速峰值越(yue)大,瞬時流量差(chà)波動也越大,瞬(shun)時流量差就越(yuè)不穩定.
 
4結論
　　當(dāng)孔闆流量計所(suo)計量不可壓縮(suo)流體爲低頻振(zhèn)蕩流動狀👉态時(shi)，通過前述CFD分析(xī),得到如下結論(lun):
1)孔闆兩端差壓(yā)爲周期振蕩狀(zhuàng)态,差壓與節流(liu)孔瞬時流量🔞同(tóng)💜頻不同相.差壓(yā)幅值随人口流(liu)速振幅增大而(er)線性增大，且線(xiàn)性增長系數與(yǔ)振蕩頻率相關(guan)🛀🏻.
2)圓管人口與出(chu)口存在周期波(bo)動的瞬時流量(liàng)差,振蕩頻率越(yuè)大或人口流速(su)峰值越小，則瞬(shùn)時流量差的波(bō)❤️動也越小
3)在振(zhèn)蕩流态下,由于(yú)相位滞後和瞬(shun)時流量差的存(cun)在,使孔闆流量(liang)計的測量流量(liang)與實際出口流(liu)量之間存🌐在偏(piān)差振蕩頻㊙️率越(yue)大,偏差也越大(dà)..
4)孔闆流量計作(zuo)爲的流量計量(liàng)的常用元件,該(gāi)分析結果對孔(kong)闆的結構設計(jì)及系統的整體(ti)動态特性研究(jiū)具有重要意義(yi). 本文來源于網(wang)絡,如有侵權聯(lian)系即删除！