摘要:針對(duì)孔闆流量計(jì) 測量精度及(ji)節能降耗的(de)要求，對5種結(jié)構的單孔闆(pan)進行了數值(zhi)模拟研究。進(jìn)行了數值模(mo)拟與标準孔(kong)🏒闆實驗比對(dui),對模拟方法(fǎ)的可靠性進(jìn)行了驗證，在(zài)此基礎上進(jìn)一步完成了(le)5種結構10組流(liu)速下的數值(zhi)研究。通過速(su)度矢量圖得(dé)出孔口後流(liu)态的變化;計(jì)算流量系數(shu)，得出流量系(xi)🐪數與雷諾數(shu)關系曲線、軸(zhou)線距離與壓(ya)力關系圖、壓(yā)差與雷諾數(shu)關系圖。結果(guǒ)💋表明,5種孔闆(pan)中外凹型孔(kong)闆流量計II因(yīn)爲闆前緩沖(chong)段較爲理想(xiǎng),對流體起到(dào)了整流的作(zuo)用，減弱了闆(pǎn)🔴前流體死區(qū)的形成和闆(pǎn)後渦流的形(xing)成,降低了孔(kong)闆流量計的(de)壓力損失,且(qiě)流量系數大(dà),随雷諾數增(zēng)大壓差增大(da)緩慢,壓力恢(huī)複快。
　　孔闆流(liú)量計是常見(jiàn)的測流量裝(zhuāng)置，以連續性(xìng)方程💃和伯🔞努(nǔ)利方程爲理(li)論基礎。流體(tǐ)在通過節流(liú)元件時,由🌈于(yú)流通面㊙️積的(de)突然收縮促(cù)使流體加速(su)，産生節流效(xiao)應,使孔闆前(qián)後産生壓差(chà),通過測量壓(yā)差從而計算(suàn)出管道中的(de)流量。節流元(yuan)件的尺寸和(hé)結構的不同(tóng),會導緻測量(liàng)精度、測量壓(ya)力、管🔞徑範圍(wéi)及流👨‍❤️‍👨量系數(shu)随雷諾數變(bian)化關系的差(cha)異。選擇或者(zhě)設計出較爲(wei)理想的孔闆(pan)流量計,是計(ji)量行業發展(zhǎn)的需要🤩。采用(yòng)數值模拟分(fèn)析研究管内(nei)孔闆類節流(liú)元件的相關(guan)流場已有數(shù)十年的曆史(shi),采用ANSYSFluent軟件,選(xuan)擇5種‼️标準及(ji)非标準孔闆(pan)作爲對象,爲(wèi)非标準孔闆(pan)流量計的與(yu)發展提供一(yī)定依據。
1研究(jiū)模型
1.1幾何模(mo)型
　　模拟5種不(bú)同孔闆形狀(zhuàng)的孔闆流量(liàng)計，見圖1。
　　5種孔(kong)闆均按照ISO5167國(guó)際标準，确定(ding)孔闆尺寸。根(gen)據相關規定(dìng),孔闆節流元(yuan)件的孔徑與(yu)孔闆通徑比(bi)值d/D=0.2~0.8;最小❗孔徑(jing)dmin≥12.5mm;直孔部分厚(hòu)度h=(0.005~0.02)D;總厚🤞度H<0.05D這(zhe)5種孔闆公稱(chēng)通徑D=40mm,節流元(yuán)件🎯的孔徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流(liú)量系數計算(suan)模型
　　計算每(měi)個孔闆流量(liang)計對應的流(liu)量系數見公(gong)式(1)
 
　　式中:qm爲流(liu)體的質量流(liu)量,kg/s;A0爲孔口截(jie)面積,m2;p爲流體(tǐ)密度,kg/m3;△p爲孔口(kou)兩🥰側壓差,Pa。
2模(mo)型驗證及數(shù)值模拟
2.1實驗(yan)驗證過程
　　爲(wèi)了确保數值(zhi)模拟過程設(shè)置正确,将模(mó)拟結果與實(shi)驗🐅值👅進行了(le)比對實驗采(cǎi)用裝置見圖(tú)2。
 
　　水由離心泵(beng)從水箱抽出(chū)後,經過孔闆(pǎn)流量計，通過(guò)彎😍管再流回(huí)水箱。其中孔(kong)闆流量計爲(wèi)标準型，管道(dào)内徑40mm,孔闆口(kǒu)徑35mm,孔闆🎯厚度(du)5mm。在不同的閥(fa)門開度下,測(cè)試孔闆流量(liàng)計壓差,計算(suan)流量及流量(liàng)💋計流量系數(shu)。實驗、模拟結(jie)果對比見圖(tú)3。
 
　　由圖3可知，模(mó)拟與實驗吻(wen)合,對模拟方(fāng)法的可靠性(xìng)🔱進行了🥵驗證(zheng).。
2.2數值模拟設(she)置
　　由于孔闆(pǎn)流量計的軸(zhóu)對稱特性，流(liu)體在經過孔(kong)闆流🈲量計時(shí)也是對稱的(de),因此選用1/2實(shí)體及對稱面(mian)結構。應用“mesh”進(jìn)行模拟實體(tǐ)的網格劃分(fèn)，見圖4。
 
　　由于孔(kong)闆流量計結(jie)構簡單,因此(cǐ)在劃分網格(ge)時隻⚽需在節(jiē)流元件處既(ji)縮口處進行(hang)網格的加密(mi)。該模拟中采(cǎi)用☀️的介質爲(wèi)20℃的水💚,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作壓(ya)力爲标準大(dà)氣壓。采用3D求(qiu)解器，湍流方(fang)程用“标準k-epsilon”方(fang)程;選用速度(du)進口♌和壓力(li)出口邊界條(tiáo)件,進行叠代(dai)求解計算。
　　在(zai)模拟過程中(zhong)取闆前2D、闆後(hou)5D,即闆前80mm、闆後(hou)200mm爲計算域🥵。5種(zhong)孔🔴闆設定10個(ge)統一的進口(kou)流速,分别爲(wèi)0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的雷諾(nuò)數值分🏃‍♂️别爲(wei)7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果與讨論(lùn)
　　以ʋ=0.2m/s時孔闆的(de)模拟結果爲(wei)例,各孔闆流(liú)量計的速度(du)矢量雲💞圖見(jiàn)圖5.
 
 
 
　　由圖5可知(zhi)，流體在經過(guo)闆前區域時(shí)流道急劇收(shōu)縮，速度增大(dà)。其中标準孔(kǒng)闆I所形成的(de)孔後大速度(du)值高,爲1.2m/s;外凸(tū)型孔闆川I、加(jiā)厚型孔闆IV次(ci)之,約爲1m/s;外凹(āo)型孔闆I1和直(zhi)邊型孔闆V較(jiào)小,分别爲0.88和(hé)0.74m/s。外凸型孔闆(pan)II低流速較大(da)，直邊型孔闆(pǎn)V次之,其餘均(jun)基本⛱️相等。經(jīng)過孔口後部(bù)分流體流動(dòng)方向發生改(gǎi)變,産生了一(yī)定的渦流區(qu)域☁️，形💔成湍流(liú),孔闆的.結構(gòu)不同造成🔴的(de)旋渦湍流區(qu)域形狀😘及發(fa)展長度也明(míng)顯不同。标準(zhǔn)孔闆I湍流區(qū)較寬,湍流🏃🏻‍♂️長(zhǎng)度較長。外凹(ao)型孔闆II湍流(liú)段🚶較短,流場(chang)🏃🏻‍♂️爲整齊,從而(ér)也推測出其(qí)節流損失小(xiǎo)。
　　對5種孔闆進(jin)行了進一步(bù)的數據采集(ji),保持孔闆的(de)直🚶徑❄️比不改(gai)變。由流量分(fèn)别計算對應(yīng)的雷諾數,采(cǎi)♋集每個孔闆(pǎn)每個流速所(suǒ)對應的闆前(qián)D、闆後D/2取壓點(diǎn)所在平面的(de)平均壓力，即(ji)闆前40mm、闆後20mm計(ji)算壓差,并根(gen)據公式(1)計算(suàn)出每個孔闆(pǎn)對應的流量(liàng)系數,得到流(liu)量系數與雷(léi)諾數關系曲(qǔ)線圖見圖6。
 
　　由(yóu)圖6可知,雷諾(nuo)數的變化對(duì)流量系數影(yǐng)響不大,說明(ming)這幾種孔🛀闆(pǎn)都具有良好(hǎo)的穩定性。外(wài)凹型孔闆II的(de)流♍量系數比(bǐ)其他😘4種大，标(biāo)準孔闆I小;加(jia)厚型孔闆IV的(de)流量系數曲(qǔ)線在較大及(jí)較小雷諾數(shu)時變化明顯(xiǎn),因此該類型(xing)穩定性稍差(chà);直邊型孔闆(pan)V穩定性好。
　　沿(yan)軸向的距離(li)L與壓力的關(guan)系見圖7。
 
　　由圖(tú)7可知，幾種孔(kǒng)闆壓降位置(zhì)、壓降大小及(ji)壓力恢🏃複性(xìng)不同。加厚型(xíng)孔闆IV的壓降(jiàng)位置靠前,直(zhí)邊型孔闆V靠(kao)後,其💔餘三者(zhě)基本接近;标(biao)準孔闆I的壓(ya)降大,外凹型(xíng)孔闆II壓降小(xiǎo);外凹型孔闆(pǎn)II的壓力恢複(fu)快。
　　壓差△p與雷(lei)諾數的關系(xi)曲線見圖8。
 
　　由(yóu)圖8可知，幾種(zhǒng)孔闆壓差△p随(suí)着雷諾數的(de)增大而增大(da)🧡,增加趨勢基(ji)本相同,其中(zhong)标準孔闆I增(zeng)加快大,外凹(āo)型孔闆🌈II增大(dà)㊙️緩慢🔅。
4結論
　　通(tong)過流場模拟(ni)雲圖、流量系(xì)數與雷諾數(shu)的曲線關系(xì)、中心軸線壓(ya)力分布曲線(xian)、壓差△p與雷諾(nuò)數的曲線關(guan)系的分析可(kě)㊙️以得出,5種孔(kǒng)闆中外凹型(xíng)孔闆流量🐇計(jì)II因爲闆前緩(huan)沖段較爲理(lǐ)想,對流體起(qǐ)到了整流的(de)作用,減弱了(le)闆前🌈流體死(sǐ)區的形成和(hé)闆後渦流的(de)形成,降低了(le)孔闆流量計(jì)的壓力.損失(shi)。且流量系🥰數(shu)大,随雷諾數(shù)🌈增大壓差增(zeng)大緩慢,壓力(lì)恢複快，是5個(gè)類型中性能(néng)較好的一種(zhong)。在進行單孔(kong)闆流量計的(de)🚩設計時，不但(dan)要滿足直徑(jing)比,還應該考(kao)慮孔闆的厚(hòu)度和孔闆闆(pan)前的過渡段(duan)。孔闆的厚度(du)不宜太薄🏃🏻也(yě)不宜過厚,過(guò)渡段對流✉️體(ti)要能進行整(zheng)合,使流體🏃盡(jin)可能緩和的(de)流人。在孔闆(pǎn)的設計及使(shi)用中,應結合(hé)實際情況,應(ying)用合适尺寸(cùn)類型的孔闆(pǎn)，确保流量系(xi)數穩定🌍,并降(jiang)低壓力損失(shī),保證流場穩(wěn)定,進而提高(gao)孔闆流量計(jì)的質🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量和測(cè)量的精度。

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