在流體(ti)機械瞬态流(liú)動的過程中(zhōng),需要對瞬時(shi)流量進行測(cè)🔱試．電磁流量(liàng)計在測量快(kuài)速變化的流(liu)量時,其轉換(huàn)器的信号處(chu)理時間普遍(bian)超過0．２s,需要經(jing)過特殊設計(jì)才能達到要(yao)求[5];渦輪流量(liang)計在測試小(xiao)流量的瞬時(shi)變化時,存在(zai)強烈的非線(xiàn)性問題．而🔆在(zài)許多場合,孔(kong)闆流量計能(néng)較好地用于(yú)瞬态流量的(de)測試．
　　基于CFD技(ji)術,通過改變(biàn)流量﹑直徑比(bi)﹑孔闆厚度和(he)流體介♊質等(děng)💘,對孔闆内部(bù)穩定流動進(jìn)行了研究．采(cǎi)用CFD技術研👌究(jiu)了方形孔和(he)圓形孔闆流(liú)量計在測量(liàng)濕夭然氣時(shí)的異同;對錐(zhuī)體流量計的(de)孔流系數進(jìn)行🆚數值模拟(nǐ);對周期性波(bo)動的流量流(liú)經孔⭕闆進行(hang)了實驗和理(lǐ)🛀🏻論分✊析後指(zhi)出,孔闆前後(hou)壓差呈現非(fēi)線性,且滞後(hòu)于流量的變(biàn)化,稱之爲“渦(wo)慣性😍”．
　　鑒于目(mù)前未見有對(dui)孔闆流量計(ji)在測量流量(liang)加速瞬态過(guò)程的相關研(yan)究,爲了從内(nei)流角度揭示(shi)壓差滞後于(yú)流量變化的(de)原因,考妞到(dao)采用試驗測(cè)量較爲困難(nán),文中采用CFD方(fāng)法分别對穩(wen)态和加速過(guo)程的孔流系(xi)數進行數值(zhí)預測,重點分(fen)析孔流系數(shù)與流動狀态(tài)瞬時轉變間(jiān)的聯系,爲實(shí)現采用孔闆(pan)流量計測量(liang)瞬時流量提(ti)供參考。
1物理(lǐ)模型和數值(zhi)方法
1.1基本理(lǐ)論
　　孔闆流量(liàng)計是一種差(cha)壓式流量計(jì)．對于不可壓(ya)流🚶體的😘水㊙️平(ping)管流動,忽略(luè)管壁摩擦阻(zǔ)力損失,根據(jù)流體的連續(xù)性和機械能(neng)的相互轉化(huà)可得

1.2模型﹑網(wang)格和邊界條(tiáo)件
　　圖1爲孔闆(pan)流量計的物(wu)理模型示意(yì).根據标準孔(kong)闆流♈量計的(de)🌂安裝,圖1a中,上(shàng)下遊直管段(duàn)長分别取10D和(hé)5D作爲穩定直(zhi)管段.其中🔴上(shang)下遊管内徑(jing)D取100mm,孔闆厚度(du)δ取3mm.
　　流量從0以(yǐ)恒定加速度(du)增長,如圖1b所(suo)示;測壓點的(de)位置示于圖(tú)1c.

　　爲了準确捕(bǔ)捉孔闆前後(hòu)流場的變化(hua)情況,首先在(zai)壁面附♻️近劃(hua)分了邊界層(ceng)網格,邊界層(céng)第1層厚度爲(wèi)0.1mm,共10層,高度增(zēng)長因子爲1.1;其(qí)㊙️次,用與孔闆(pan)等孔徑的圓(yuan)柱面作爲分(fèn)界面,對内部(bù)流域進行切(qie)割,并對該邊(bian)界面附近劃(hua)分同上👣的邊(biān)界層網格,其(qí)内🔞部區域采(cǎi)🚶用蝶形網格(ge)劃分;最後,在(zài)邊界層設置(zhi)好的基礎上(shang),采用結構化(hua)網格生成方(fāng)式完成其餘(yú)部分的網格(gé)劃分.
　　圖２給出(chu)了孔闆附近(jin)的網格分布(bù).以常溫狀态(tài)下液态水作(zuò)爲流體介質(zhì),動量﹑湍動能(neng)和湍流耗散(san)率方程的離(li)散選擇二階(jie)迎風格式,壓(ya)力和速度耦(ou)合選用SＩMＰLＥ算法(fǎ)💃,穩态和加速(sù)條件下的湍(tuān)流模型分别(bié)采用Realizablek－ε和RealizableDＥS模型(xing).穩态和加速(sù)過程的進口(kou)均采用📞速度(dù)進口邊界條(tiao)件,流體加速(sù)曲線見圖1b,管(guan)壁爲無滑移(yí)壁面㊙️邊界條(tiáo)件.

　　由于(yú)流速不斷增(zēng)大,考妞采用(yong)變時間步長(zhang)的方式以提(tí)高✍️叠👈代過程(chéng)的經濟性,時(shi)間步長△t與時(shi)刻t采用式(1)的(de)關系式:

　　流場(chǎng)求解軟件爲(wei)Liｎux平台下的Flueｎｔ6．3,采(cǎi)用曙光1800工作(zuò)站上的🛀🏻8個ＩｎｔelXeoｎ處(chù)理器(3．２GHz)進🤟行并(bìng)行計算,穩态(tai)叠代4000次約需(xū)２h,瞬态叠🐕代２50個(ge)時間步約需(xū)２２h．
2結果分析
2.1孔(kong)流系數和壓(ya)降
　　圖3給出了(le)孔流系數的(de)數值模拟結(jie)果,Realiza-blek－ε模拟的穩(wěn)态⛹🏻‍♀️孔流系數(shu)C0與ＩSO試驗回歸(guī)曲線[10]的最大(dà)誤差在3％以内(nei),标準k－ε的最大(dà)誤差達6％[6]．
　　對于(yú)流量Q≤0．6m3/h,C0随流量(liàng)的增加緩慢(màn)下降,之後保(bǎo)持在0．63左右．與(yǔ)C0不同的是,C從(cóng)0開始随流量(liang)的增大而增(zeng)大,并逐漸向(xiàng)C0靠近,直至Q≥3．5m3/h後(hòu)才達到C0的水(shui)平．C在時間上(shang)滞後于C0．圖4中(zhōng)△p－Q曲線顯示,Q≤3．0m3/h時(shi),加速過程孔(kǒng)闆前後壓降(jiang)高于同等流(liú)量下穩态壓(ya)降;Q≥3．0m3/h後,瞬态壓(yā)降才降爲穩(wěn)态水平．

2.2速度(dù)和壓力場分(fèn)析
　　從内流角(jiao)度分析導緻(zhi)第２．1節中C和C0不(bu)同的原因,圖(tú)5和圖6分别給(gei)出🏃‍♂️并對比了(le)相同流量下(xià)穩态和加速(su)過程中♋流經(jing)孔闆前後流(liu)體🧡的速度和(he)壓力場．對于(yu)Q≤3．0m3/h穩态條件,孔(kǒng)闆後方始終(zhōng)可觀察到一(yi)個被拉長的(de)主渦和孔闆(pan)右上方的小(xiǎo)渦,流動的損(sun)失較大,同時(shi)表😍明流場中(zhōng)已形成穩定(dìng)的流動通道(dào),動能和壓能(neng)的轉化已達(da)到平衡,流動(dong)的損失(長漩(xuan)渦)也趨于穩(wěn)定,并且壓差(cha)随流量的增(zeng)大而穩定增(zeng)大．
　　加速過程(chéng)中孔闆後方(fang)的漩渦是逐(zhú)漸形成的:小(xiao)流量🐉時‼️流動(dong)較爲平穩,流(liu)體不斷被加(jiā)速的流體向(xiang)下遊推🐇動,漩(xuan)渦來不及形(xíng)成,流動的損(sun)失較小;随着(zhe)流量的不斷(duan)加大,孔闆後(hòu)方開始出現(xian)流動分離(約(yue)在Q＞1．1m3/h時);當流量(liàng)🈲進一步加㊙️大(da),孔闆後方出(chu)現了較大的(de)漩渦．加速前(qián)期,壓力沿整(zheng)個管道逐漸(jian)向下遊傳播(bō),壓能傳播的(de)距離較長,沒(méi)有在短距離(lí)内快速轉換(huan)爲動能．
經上(shang)述分析可以(yi)認爲,導緻加(jia)速前期C和C0之(zhī)間差異的内(nei)✔️流原因是,漩(xuan)渦形成的滞(zhi)後以及加速(sù)前期壓力能(neng)沒有在短♊距(jù)離☁️内全部轉(zhuǎn)化爲動能．
　　随(sui)着流量的增(zeng)大,孔闆後方(fang)出現了明顯(xian)的漩渦,漩渦(wo)中心附近區(qū)域即爲低壓(ya)區．雖然孔流(liú)系數和壓👨‍❤️‍👨降(jiang)的瞬态和穩(wěn)态值分别相(xiang)互接近,然而(er)由于流體仍(réng)然處于加速(su)階段,因此流(liú)動狀态(漩渦(wo)的形狀和🤟位(wei)置)和壓🏒力分(fèn)布與穩态條(tiáo)件相比,仍然(rán)存在較大🐉差(cha)異．


3結論
　　通過(guò)CFD技術,實現了(le)穩态和加速(su)流體流經孔(kong)闆後流場🐪的(de)數📱值模拟,得(dé)到了孔流系(xì)數﹑流場和壓(yā)力的模拟結(jié)果,主要概括(kuo)爲:
1)穩态孔流(liú)系數C0的數值(zhi)預測值與ＩSO試(shì)驗回歸曲線(xiàn)十分接近,Realizablek－ε比(bǐ)❄️标準k－ε的C0預測(cè)值更接近ＩSO試(shì)驗回歸曲線(xian),誤差分别爲(wèi)3％和6％;
２)加速過程(cheng),C随流量的增(zeng)大逐漸增大(dà)并靠近穩态(tai)C0;加🏃🏻速😘前期,壓(ya)差高于穩态(tài)水平,随着流(liu)量的不斷增(zēng)大,瞬态和穩(wen)态壓♋差相互(hù)接㊙️近．3)導緻加(jia)速前期C和C0之(zhi)間差異的内(nèi)流原因是,漩(xuán)渦形成的滞(zhi)後以及加速(sù)前期壓力能(néng)沒有在短距(jù)離内全部轉(zhuǎn)化爲動能．文(wén)中内容可爲(wèi)利用孔闆流(liu)量計測量瞬(shùn)時流量提供(gòng)參考依據,爲(wei)流體♈機械内(nei)部非定常流(liú)動等特殊問(wèn)題的提供基(ji)本保障．今後(hou)的工作将圍(wéi)繞流量波動(dòng)﹑階☀️躍和突減(jian)等其他瞬态(tai)狀況．

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