摘要(yao):因多種(zhǒng)工況條(tiáo)件無法(fǎ)滿足測(cè)量精度(dù)要求，傳(chuán)統 差壓(ya)式流量(liang)計 應用(yòng)範圍受(shòu)到一定(ding)限制。基(ji)于多孔(kong)整流器(qì)和标準(zhǔn)孔闆的(de)流量測(cè)量原理(li)，提出一(yī)種對稱(cheng)多孔孔(kǒng)闆差壓(yā)式流量(liàng)計 的設(she)計方法(fǎ)。然後對(dui)該流量(liang)計進行(hang)計算流(liú)體動力(lì)學(CFD)數🌈值(zhí)計算與(yu)仿真分(fèn)析，結果(guǒ)表明多(duō)孔孔闆(pan)差壓式(shì)流💛量計(ji)測量精(jīng)度較标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)提高1倍(bèi)以上，永(yong)久壓力(lì)損失減(jian)小約1/3。最(zuì)後進行(hang)實🈲流試(shi)驗，試驗(yàn)結果表(biǎo)明，多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計比(bǐ)常規标(biao)準孔闆(pǎn)節流裝(zhuāng)置具有(yǒu)明顯的(de)優勢，其(qi)🔞适應性(xìng)更好。此(cǐ)設計方(fāng)法⛷️可爲(wei)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的結(jie)構設計(ji)和性能(néng)優化提(ti)供參考(kǎo)。
0引言
　　流(liu)量計量(liang)是計量(liàng)科學技(ji)術的重(zhong)要組成(chéng)部分，廣(guǎng)泛💛應用(yong)于農業(yè)生産、石(shi)油石化(huà)、科學研(yan)究、國防(fang)建設以(yǐ)及人民(min)生活的(de)🈲諸多領(lǐng)域。尤其(qi)在能源(yuan)危機的(de)後經濟(jì)時代🌏，流(liú)量計量(liang)的重要(yao)性日益(yì)突出。相(xiang)比其它(ta)流量計(jì)，傳統差(chà)壓式流(liú)量計因(yīn)結✊構簡(jian)單、成本(ben)低、重複(fu)性好、标(biao)準化程(chéng)度高等(děng)特點得(dé)到廣泛(fan)💋應用，但(dàn)隻有在(zai)符合标(biāo)準要求(qiu)的技術(shù)條件下(xià)，才能準(zhǔn)确地測(ce)量流量(liàng)。然而，工(gōng)程實際(jì)應用中(zhōng)，很多工(gōng)況條件(jian)不能滿(mǎn)足上述(shù)要求，從(cong)而無法(fa)達到所(suo)需要的(de)測量精(jīng)度(雷㊙️諾(nuo)數低于(yú)标準中(zhōng)推薦🌈的(de)雷諾數(shu)範圍、測(ce)量介質(zhì)中混有(you)泥沙等(deng))進而限(xian)制了其(qí)應用範(fan)圍。
　　爲了(le)改善上(shàng)述缺點(dian)，非标準(zhun)差壓式(shi)流量計(jì)得到快(kuài)速發展(zhan)和進一(yi)步的應(yīng)用。基于(yú)差壓原(yuán)理的多(duō)孔孔闆(pan)流量計(jì)不但繼(ji)承🔞了标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)的結構(gou)簡單、無(wú)運動部(bù)件等優(you)點🈲，且能(néng)夠平衡(héng)調整流(liu)場，明顯(xian)減少渦(wo)流、降低(di)死區效(xiao)應、減少(shao)流體動(dong)能的損(sǔn)失，是☂️目(mu)前應用(yòng)最🤟爲廣(guang)泛的一(yi)種非标(biāo)準差壓(yā)式流量(liàng)計⚽。但在(zài)國内，多(duō)孔孔闆(pǎn)流量計(jì)的相關(guan)核心技(jì)術研究(jiu)相對較(jiào)少，實際(ji)應用中(zhong)要根據(jù)不同測(ce)量條件(jiàn)來設計(jì)流量計(jì)，缺乏完(wan)整的結(jie)構參數(shù)設計和(hé)性能優(yōu)化設計(jì)準則🔞的(de)指導，在(zai)一定程(chéng)度上遠(yuǎn)未達到(dao)用戶之(zhī)👉首選。
　　綜(zong)上所述(shù)，針對多(duō)孔孔闆(pan)流量計(ji)的結構(gou)設計和(he)性能優(yōu)化國内(nei)已有一(yi)些研究(jiu)，但缺乏(fa)統一的(de)設計準(zhǔn)則，不利(lì)于工程(chéng)應用。
　　結(jie)合多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhun)孔闆聯(lián)合使用(yong)的測量(liang)原理🛀🏻，提(ti)出一種(zhong)❤️對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(jì)的設計(ji)方法，采(cǎi)用♈計算(suàn)流體⚽動(dong)力學(CFD)技(ji)術進行(háng)數值計(jì)算與仿(pang)真分析(xī)。與标準(zhǔn)孔闆對(duì)比分析(xī)其流出(chū)系數及(ji)永🐇久壓(ya)力損🤟失(shi)等性能(neng)指标，分(fèn)析🙇🏻結果(guo)說明了(le)其優越(yue)♈性。最後(hòu)通過實(shi)流實驗(yàn)驗證了(le)設計的(de)合理性(xing)。此設📱計(jì)方法可(kě)爲🐆多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計的(de)結構設(she)計和性(xìng)能優化(huà)提供一(yi)定的參(cān)考。
1多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計
　　 标(biao)準孔闆(pǎn)流量計(ji) 是使用(yòng)最早、應(ying)用最廣(guǎng)泛的一(yī)種差壓(yā)式流量(liang)計，具有(yǒu)結構簡(jiǎn)單、測量(liàng)精度高(gāo)等特點(diǎn)。其測量(liàng)原理爲(wèi)對于充(chōng)滿管道(dao)的流體(tǐ)，當它🌐流(liú)經管道(dao)内的節(jie)流件時(shí)，流體介(jiè)質将會(hui)在節流(liú)件處形(xing)🌏成局部(bu)收縮，因(yin)而流速(su)增加，靜(jìng)壓力降(jiàng)低，于是(shi)在節流(liu)件前後(hòu)便産生(shēng)了一定(dìng)的壓差(chà)🥵。流體流(liu)量愈大(da)，産生的(de)壓🥵差愈(yù)大，這樣(yang)⭐可依據(ju)壓差來(lai)衡量流(liu)量的大(da)小。根據(ju)不可壓(yā)💜縮流體(tǐ)的連續(xu)❓性方程(chéng)🌏和伯努(nu)利方程(cheng)，定🍉常流(liu)體的體(ti)積流量(liang)可以通(tong)過如下(xià)公式表(biǎo)示［8］:

　　式中(zhōng):C爲流出(chu)系數，無(wú)量綱;β爲(wei)等效直(zhí)徑比，無(wu)量綱;D爲(wèi)👨‍❤️‍👨孔闆直(zhí)徑;Δp爲壓(ya)差，單位(wei)爲Pa;qv爲體(tǐ)積流量(liang)，單位爲(wèi)m3/s;ρ爲流體(ti)介質密(mi)💰度。
　　多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計具(ju)有對稱(chēng)多孔結(jie)構，是目(mù)前最先(xian)進🍓的差(cha)壓🥵式流(liú)量計之(zhi)一。相比(bǐ)傳統差(chà)壓式流(liu)量計⛷️，不(bú)僅結構(gòu)簡單、安(an)全☎️可靠(kào)、适用面(miàn)廣，還具(ju)有精度(du)高、直管(guan)段🔞要求(qiú)低、量程(cheng)比寬、永(yǒng)久壓損(sun)小等優(yōu)點。
　　多孔(kong)孔闆流(liú)量計的(de)測量原(yuán)理基于(yú)能量守(shǒu)恒定律(lǜ)和質量(liang)守恒定(dìng)律。流量(liang)檢測時(shí)，所測介(jiè)質在通(tong)過多🚶孔(kong)節流整(zhěng)流器的(de)同時進(jin)行流體(ti)整流，減(jian)小節流(liu)裝🏃‍♂️置後(hou)形成的(de)渦👈流，形(xíng)成較穩(wěn)定的紊(wen)流，從而(er)使引壓(yā)管路能(neng)夠獲取(qǔ)到較穩(wěn)定的差(chà)🏒壓信号(hào)，并進一(yi)步通🌈過(guò)伯努利(li)方程計(jì)算得出(chu)工藝所(suo)需體💋積(jī)流量、質(zhi)量🏃🏻‍♂️流量(liang)等參數(shu)［12-13］。
2對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(jì)結構設(shè)計
　　在工(gong)程實際(ji)應用中(zhōng)，每個多(duo)孔流量(liàng)計都要(yao)根據不(bú)同測量(liang)條件來(lái)設計，其(qi)開孔面(mian)積、節流(liú)孔的大(da)小、節流(liu)孔的具(ju)體形狀(zhuàng)、節㊙️流孔(kong)⁉️個數及(ji)排列方(fang)式等結(jie)構參數(shu)均會對(dui)多孔孔(kong)闆流量(liàng)計的性(xing)能産生(shēng)影響。由(you)于缺乏(fá)完整的(de)結構參(cān)數設計(ji)㊙️和性能(neng)優化設(she)計準🧑🏾‍🤝‍🧑🏼則(zé)的指導(dǎo)，在一定(dìng)程度上(shàng)限制了(le)其應用(yòng)範圍。對(duì)于不同(tong)的測量(liàng)函數孔(kong)的數量(liàng)、如何分(fen)布函數(shu)孔以及(jí)函數孔(kong)的結構(gou)等無疑(yi)是最主(zhǔ)要的設(shè)計參數(shù)，目前還(hai)沒有統(tǒng)一的标(biao)準。
　　結合(he)多孔整(zheng)流器和(hé)标準孔(kǒng)闆的測(ce)量原理(li)，提出并(bing)設計流(liu)量計的(de)孔闆結(jié)構爲在(zai)節流闆(pǎn)中心一(yi)個圓孔(kǒng)的基礎(chu)上，對🈲稱(chēng)分布數(shù)量不等(děng)的圓孔(kǒng)，如圖1所(suo)示，均勻(yún)分布的(de)圓💞孔的(de)總的面(miàn)積和标(biāo)準孔闆(pan)的面積(ji)相等。

　　當介(jie)質流過(guò)圓孔時(shi)，流體被(bei)平衡調(diào)整，渦流(liú)被最小(xiǎo)化，形成(chéng)🏃🏻‍♂️近似理(li)想流體(ti)，通過取(qu)壓裝置(zhi)和變送(sòng)器，可獲(huo)得穩定(dìng)的差📧壓(yā)信号，根(gen)據伯努(nu)利方程(chéng)計算出(chu)流體的(de)流量:

　　式(shi)中:Q爲介(jie)質流量(liàng)，單位爲(wei)m3/h;K爲儀表(biao)系數;Y爲(wèi)膨脹系(xi)數;Δp爲🤩差(chà)壓值，單(dan)🙇🏻位爲Pa;ρ爲(wèi)介質工(gong)況密度(du)，單位爲(wei)kg/m3。
　　基于以(yi)上對稱(chēng)多孔孔(kong)闆差壓(yā)式流量(liàng)計結構(gou)設計的(de)方法♉，以(yi)孔闆管(guǎn)徑80mm、等效(xiao)直徑比(bǐ)0.45、測量介(jie)質爲常(cháng)溫水的(de)條件進(jìn)行研究(jiu)。首先建(jian)立多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計的(de)♌計算模(mó)型，如圖(tu)🌈2所示。參(cān)🤟照流量(liang)測量節(jie)流裝置(zhi)設計手(shǒu)冊建立(lì)流量計(jì)的幾何(hé)尺寸🧡，在(zài)流量計(ji)測量的(de)上下遊(you)部分設(shè)‼️計有一(yī)定的‼️直(zhí)管段來(lái)确保流(liu)量計在(zai)💯測量的(de)時候⛷️流(liu)體的流(liu)場處于(yu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一種均(jun1)勻穩定(dìng)的狀💁态(tai)并使因(yīn)節流而(er)被破壞(huai)的流場(chang)能夠恢(hui)複到節(jie)流✊前的(de)狀态。

3多(duō)孔孔闆(pǎn)流量計(jì)
　　依據流(liu)量計的(de)設計尺(chi)寸，在Creo3.0中(zhong)建立其(qí)三維計(ji)算模型(xíng)，取闆前(qián)4D、闆後8D的(de)流場區(qu)域作爲(wèi)計算域(yù)，并将其(qi)導入ICEM專(zhuān)用劃分(fèn)網🈚格軟(ruǎn)件中🌈進(jin)行網格(gé)劃分，網(wǎng)格的劃(hua)分采用(yong)全六面(miàn)體結構(gou)化網格(ge)的劃分(fen)方法，對(duì)計算域(yu)進行局(jú)部加密(mì)以保證(zheng)計算⚽精(jīng)度，網格(gé)劃分結(jié)果🔆如圖(tú)3所示。

　　由于(yú)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的流(liu)場情況(kuang)較爲複(fu)雜，對湍(tuān)流☔模型(xing)的要求(qiu)較高，本(ben)文采用(yòng)工程上(shang)常用的(de)Standardk－ε湍流👄模(mo)型，其方(fang)程式表(biǎo)述如下(xià)🏃‍♂️［15］:

　　式中:k是(shi)湍流動(dong)能;ε是湍(tuan)流耗散(sàn)率;ρ是流(liú)體密度(dù);μ是流速(su);μt是湍流(liú)🌈粘度;Gk是(shì)由層流(liu)速度梯(ti)度而産(chan)生的湍(tuān)流動能(néng);Gb是由浮(fu)力産生(sheng)的湍流(liú)動能。C1ε、C2ε、C3ε是(shi)常量，分(fèn)别爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是(shi)k方程和(he)ε方程的(de)湍流prandtl數(shù)，分别爲(wei)σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入(rù)口條件(jiàn)爲速度(du)入口(velocity-inlet)，出(chū)口爲自(zi)由發展(zhǎn)出流㊙️(outflow)，以(yi)🔞各項參(cān)數的殘(cán)差小于(yu)0.00001爲收斂(liǎn)标準，分(fèn)别計算(suàn)0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等幾種(zhong)入口流(liu)速下流(liú)量計的(de)流場特(tè)性。文中(zhōng)給出幾(ji)種典型(xíng)流速條(tiao)♋件下的(de)✉️計算結(jié)🥰果，如圖(tu)4所示。


　　由圖4可(ke)以看出(chu)，入口流(liú)速在0.2～7m/s時(shí)多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計下遊(you)速度彙(huì)聚趨勢(shì)明顯，相(xiang)比于标(biāo)準孔闆(pan)其壁面(mian)回流區(qū)較小，但(dàn)随入口(kǒu)流速不(bú)斷增大(dà)回流區(qū)長度随(suí)之增大(dà)，變化範(fan)圍爲0.5D～1.2D。由(you)此可見(jiàn)，多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計尾流(liú)流場能(neng)㊙️夠快速(sù)進入穩(wen)定狀态(tai)。闆前死(si)區較小(xiǎo)，且随流(liú)速增大(da)而逐漸(jian)增大。
　　通(tōng)過Fluent求解(jie)計算獲(huò)得孔闆(pǎn)前後的(de)差壓值(zhí)，進而得(dé)到流量(liang)計的永(yong)久壓力(lì)損失。取(qǔ)壓口設(shè)置爲上(shàng)下遊取(qǔ)🆚壓口距(ju)離孔闆(pǎn)上下遊(yóu)端🈲面的(de)距離爲(wei)0.04m，通過在(zai)Fluent中定義(yi)相應取(qu)壓面，分(fen)别求取(qu)上下遊(yóu)取壓面(miàn)的平均(jun1)壓力值(zhi)，獲得壓(yā)差值和(he)🐇永久壓(yā)力損失(shi)值如下(xia)表1所示(shi)。不同入(rù)口流速(su)下，标準(zhun)孔闆流(liu)量計和(hé)多孔孔(kong)闆流量(liàng)計的永(yong)久✍️壓力(li)損失的(de)對比情(qing)況如表(biao)1和圖☀️5所(suo)示。

　　由表(biao)1和圖5可(kě)以看出(chū)，随着入(ru)口流速(sù)的不斷(duàn)增大，多(duo)孔孔闆(pǎn)流🌈量計(jì)的永久(jiu)壓力損(sǔn)失呈逐(zhu)漸增大(da)的趨勢(shi);相比于(yu)标準📱孔(kǒng)闆流量(liang)計，由于(yú)渦流的(de)減少，多(duo)孔孔闆(pǎn)流量計(jì)具有更(gèng)小的永(yong)久壓力(lì)損失，永(yǒng)久壓力(lì)損失較(jiào)标準孔(kong)闆節🚶流(liú)裝置降(jiang)低約1/3。
　　圖(tú)6所示爲(wei)不同流(liu)速下，多(duō)孔孔闆(pan)和标準(zhun)孔闆流(liu)量計的(de)流出系(xi)數對比(bǐ)曲線。由(you)圖6可知(zhī)，多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計的流(liu)出系數(shu)較标準(zhun)孔闆流(liu)出系數(shù)有明顯(xiǎn)提高，同(tong)時随💘着(zhe)流速的(de)變化流(liu)出系數(shu)能夠🔞保(bao)持良好(hao)的穩定(dìng)性。

　　爲了(le)檢驗所(suo)設計的(de)多孔孔(kǒng)闆差壓(ya)流量計(ji)的性能(néng)指标，和(he)标準孔(kǒng)闆節流(liú)裝置進(jin)行了實(shi)流試驗(yan)，結合現(xian)場使用(yòng)反饋情(qing)況，其性(xing)能指标(biao)對比如(rú)表2所示(shì)。

4結論
　　以(yi)管徑80mm、節(jie)流比β=0.45的(de)多孔孔(kǒng)闆爲對(duì)象，通過(guo)對不同(tóng)入口🐉流(liú)速下的(de)多孔孔(kong)闆流量(liang)計進行(hang)分析，得(de)出此種(zhong)流量計(ji)節流件(jiàn)前後産(chan)生🌐的渦(wo)流大大(da)降低，無(wu)需很長(zhang)的直管(guan)段整流(liú)，顯著提(tí)高了測(cè)量精度(dù);永久壓(yā)力損失(shi)由于渦(wō)流的減(jian)少較标(biao)準孔闆(pan)節流裝(zhuang)置降低(di)了約1/3。試(shi)驗對✉️比(bǐ)分析表(biǎo)明，多孔(kong)孔闆流(liú)量計比(bǐ)常規标(biao)準孔闆(pǎn)節流✉️裝(zhuāng)置具有(you)明顯🌈的(de)優勢，其(qí)适應性(xìng)更✉️好。

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