摘要:多孔(kong)孔闆流量計 是(shi)一種比傳統的(de)差壓測量裝置(zhi)更優良的新型(xing)差壓㊙️式流🔴量測(ce)量裝置,但其函(hán)數孔的确定目(mù)前沒有統一的(de)标準。針對該問(wèn)題,采用CFD仿真軟(ruǎn)件,在相同等效(xiao)直徑比的情況(kuàng)下,針對多孔♉孔(kǒng)闆的函數孔結(jie)構,研究了開孔(kong)數目、孔🆚分布以(yǐ)及☂️倒角等因素(su)對于減少壓力(lì)損失所起到的(de)影響和作用。根(gēn)據仿真研究結(jie)果,制作了一種(zhong)多孔孔闆流量(liang)計進行流體試(shì)驗，試驗結果🌂表(biǎo)明該方法的正(zheng)确率。.
0引言
　　孔闆(pan)流量計 因其結(jié)構簡單、耐用而(ér)成爲目前國際(jì)上标準化程度(du)高、應用最😍爲廣(guang)泛的一種流量(liàng)計,但也存在着(zhe)流🏃🏻‍♂️出系數不.穩(wen)定、線性差、重複(fu)性不高、永久壓(ya)力損失🈚大等缺(quē)點“。美國馬歇爾(er)航空飛行中心(xin)設計發明的⭐一(yi)-種新型差壓式(shi)流📧量測量裝置(zhì)，即多孔🈲孔闆流(liú)量計(又稱爲平(ping)✉️衡流量計)田。多(duo)孔孔闆流量計(jì)對傳統🧑🏾‍🤝‍🧑🏼節流裝(zhuang)置有着極大的(de)突破,與傳統差(cha)壓式流.量計相(xiàng)比較,具有永久(jiu)壓力損失小、精(jing)密度高、量程比(bǐ)大、直管段短等(děng)優點。
　　多孔孔闆(pan)流量計測量原(yuan)理圖如圖1所示(shi)。雖然多孔孔🌈闆(pan)的結構與标準(zhǔn)孔闆不同,其測(cè)量原理還是節(jiē)流測量,因此在(zai)流量計算時仍(reng)可采用标準孔(kong)闆的經典計算(suàn)公式國:
 
　　式中:Q爲(wei)管道中流體的(de)流量;K爲無量綱(gang)系數;△p爲孔闆節(jiē)流前後的壓力(lì)差;ρ爲流體密度(dù)。
 
　　多孔孔闆流(liú)量計每個孔的(de)尺寸和分布基(jī)于獨特的公式(shì)和國測試數據(ju)定制，稱爲函數(shù)孔。至于函數✊孔(kong)是如何🈲定制,與(yu)哪些因素有關(guan),主要由什麽參(cān)數來決定的，目(mù)前還沒有相關(guan)的文獻可以查(chá)閱。對于如何定(dìng)制函數孔，缺少(shao)一個統--的标準(zhǔn)。以因節流而産(chan)生的壓力損失(shi)作爲對比參照(zhao)，通過仿真對函(han)數🧡孔結構的研(yán)究🤟，主要包括多(duo)孔孔闆開孔數(shù)量、孔的分布以(yǐ)及倒角等因素(su)對減小壓力損(sun)失所起到的影(ying)🔱響和作用,對于(yu)函數孔的制定(dìng)有一定的指導(dao)意㊙️義;爲函數孔(kǒng)制定标準化奠(diàn)定基礎,将有助(zhu)于推動多孔孔(kong)闆的孔函♉數的(de)研究與應用進(jin)展。
1函數孔結構(gou)的研究
　　以内徑(jing)D爲50mm、等效直徑比(bǐ)β=0.35的孔闆中,流動(dòng)介質純水爲研(yán)究對象,參考标(biao)準孔闆在實際(jì)工業應用和本(běn)次仿真模拟，爲(wèi)保證流體能🐉夠(gòu)以充分發展、理(li)想的湍流狀态(tai)進入流量計,設(shè)計有長度分别(bie)爲10D、14D的上下遊直(zhi)管段5。在⭐此基礎(chǔ)上做了3組不同(tong)的仿真🏃‍♂️模拟,并(bing)且選定其中一(yi)個模拟結果的(de)設計方案進行(hang)實流實驗,通過(guò)對比實流實驗(yàn)結果與模拟仿(pang)真結果從而驗(yan)證仿真結果的(de)正确率。
1.1對開孔(kǒng)數量的研究
　　在(zai)此先研究孔的(de)結構爲無倒角(jiao)的情況,對數量(liang)研究的時候要(yào)求其他參數均(jun)是相同的，包括(kuò)有孔分布以及(jí)孔的結💞構。設計(ji)時🚶‍♀️在-一個多孔(kǒng)孔闆.上每個💁小(xiǎo)孔的直徑是一(yī)樣的，由等效直(zhi)徑比的定義可(kě)知開孔直徑爲(wèi)
 
數;An爲每個小孔(kǒng)的面積;A2爲是管(guan)道的截面積。
　　設(shè)計原則爲:把孔(kong)隻分布在以孔(kǒng)闆的中心爲圓(yuán)心的一個圓周(zhōu)上(孔在這個圓(yuán)周，上分布的時(shí)候不能夠出現(xian)相交的情況,初(chū)步選定圓周的(de)半徑爲12mm)。受條🌂件(jian)的限制,本次研(yan)究對象的開孔(kǒng)數最小爲1個,最(zui)大爲16個。無倒角(jiao)說明節流孔的(de)厚度與孔闆的(de)厚度相同,其示(shì)意圖如圖2所示(shì)。
 
1.2對節流孔分布(bu)的研究
　　将節流(liu)孔(無倒角)均勻(yún)分布在兩個同(tóng)心圓或者兩個(gè)同心圓以及孔(kǒng)闆的中心上。調(diào)整同心圓的大(dà)小💋,即改變的同(tóng)心圓大小d1;d2示意(yi)圖如圖3所示。
 
1.3對倒(dǎo)角的研究
　　參考(kao)流量測量節流(liu)裝置設計手冊(ce)回可知标準孔(kong)闆傾斜角是在(zai)下遊端面,其大(da)小可以爲45°±15°，文中(zhōng)将分2種情況研(yán).究:下遊端面有(yǒu)45°倒角;上下遊端(duān)面均有45°倒角。
2模(mo)拟仿真
　　模拟仿(páng)真是通過CFD軟件(jiàn)包fluent來完成的。
2.1建(jiàn)模與劃分網格(gé)
　　建模與劃分網(wǎng)格都是在CFD前置(zhi)處理器gambit中完成(cheng)的。圖4爲上遊🔞直(zhí)管段10D,下遊直管(guan)段14D的多孔孔闆(pǎn)流量計的仿真(zhen)⭐模型。
 
　　文中直接(jiē)選用體網格來(lai)劃分網格。選用(yòng)體網格的Element爲Tet/Hybrid即(ji)❓四面體/混合，同(tong)時選定TGrid作爲Element的(de)Type。爲了提高計算(suàn)🔞精度，需對網格(gé)🛀🏻做局部加👣密,考(kao)慮到在節流前(qian)後壓力會急👈劇(ju)變化✍️,因此對節(jiē)流前🐇後的直管(guǎn)段以及多孔孔(kǒng)闆做🔱局部加密(mi)處理。該文在對(dui)多孔孔闆劃分(fen)🆚網格時候選用(yong)的節點間距爲(wei)0.5,在多孔孔闆前(qian)後4D的♊直管段劃(hua)分網🤞格時候選(xuǎn)用節點間距爲(wèi)3,其餘💘部分的節(jie)點間距爲6。網格(gé)單元的數量爲(wèi)398642萬。網格劃分結(jié)果如圖5所示。
 
2.2模型的求解(jiě)
　　在本文中選用(yong)壓力基求解器(qi)就能滿足要求(qiu)們。
　　本文中入口(kǒu)的雷諾數較大(dà),流動爲湍流,需(xu)要設置湍流模(mó)✨型，采用Realizablekε模型。
　　邊(biān)界條件的設定(ding):入口邊界類型(xing)設定爲速度入(rù)口,即veloc-ity-inlet入口的湍(tuan)流參數指定方(fāng)式選用kandepsilon,出口邊(bian)界類型⭐:設定爲(wèi)自㊙️由出流outflow,孔闆(pan)處爲默認内部(bù)邊界條件inte-rior,其餘(yú)爲均爲無滑🈚移(yí)外部壁面,熱傳(chuan)輸模型爲絕熱(re)。
2.3仿真結果
　　本文(wen)主要是研究因(yīn)節流而産生的(de)壓力損失(即節(jiē)流⁉️前後的💰靜壓(ya)差),爲此以節流(liú)前後的壓差作(zuo)對比🏃🏻‍♂️研究💜。
2.3.1對多(duo)孔孔闆開孔數(shù)量的研究
　　給定(dìng)的速度入口的(de)初始速度爲1m/s。對(dui)一段長爲1.2m(等于(yu)前🙇🏻後🏃🏻‍♂️直管段📐長(zhang)度24D)的直管道進(jin)行模拟仿真,參(cān)數設置以及湍(tuan)流模型的選擇(ze)與上述模拟相(xiàng)同，結果可🔞得直(zhi)管段的沿程壓(yā)力損失爲🔅314Pa。由，上(shàng)述🏃‍♂️仿真計算結(jié)☀️果的進出口壓(ya)力差減去直管(guǎn)道的沿程壓力(lì)損失，即可得到(dào)節流前後的差(cha)💘壓。開孔數量和(he)差壓的關系如(rú)圖6所示，開孔數(shu)量和差壓信号(hào)的關系如🔞表1所(suǒ)示。
 
　　由圖6可知,随(sui)着開孔數量的(de)增加,在開始階(jiē)段壓損能夠明(ming)顯減少，當開孔(kong)數達到12時壓損(sun)達到最小值，随(sui)後壓損又增大(da)。
 
　　由表1可以看出(chū)，等效直徑比爲(wei)0.35的多孔孔闆最(zui)佳的.開☔孔數㊙️是(shì)12,與開孔數爲1的(de)孔闆相比較減(jiǎn)小約29.4%的壓✔️力損(sǔn)失。
2.3.2對節流孔分(fen)布的研究
　　由方(fang)案設計可知,本(ben)階段研究主要(yào)有2種情況:
(1)同心(xin)圓沒有中心孔(kǒng)，以開孔數12爲研(yán)究對象;
(2)同心圓(yuan)有中心孔，以開(kai)孔數13爲研究對(duì)象。
孔的分布與(yu)差壓信号關系(xi)如表2所示。
 
　　從表(biao)2可以看出,對于(yú)相同的開孔數(shu),在山不變的情(qíng)況下，随着d1的增(zēng)大,壓差減小。對(dui)比開孔數爲12,有(you)中心孔，開孔數(shù)爲13的差壓信号(hao)隻大0.5%。
2.3.3對倒角的(de)研究
　　在試驗測(cè)量的時候，希望(wang)在減小壓損的(de)同時又能夠得(dé)到💯較大的測量(liang)信号,因此選取(qu)開孔數爲13,有中(zhong)心孔♉的多孔孔(kǒng)闆做進一步的(de)研究。由以上方(fang)案的設計可知(zhi),倒角的研究有(you)2種情況:
(1)隻有1個(gè)倒角,在節流闆(pan)的下遊端面;
(2)2個(ge)倒角,在節流闆(pǎn)的上下遊端面(mian)均有倒角。
　　以流(liu)量測量節流設(she)計手冊作爲參(cān)考,設計節流孔(kǒng)的厚度爲0.02D,倒角(jiǎo)爲45°。由此可得如(rú)表3所示的模拟(nǐ)結果🔞。
 
　　由表3可以(yi)看出倒角的存(cún)在對于減小壓(ya)力損失有着巨(jù)大的影🏃響,對比(bǐ)開孔數爲13、上下(xia)遊都有倒角的(de)與上下遊都無(wú)🍓倒角,壓力💔損失(shi)降低42.3%。綜合.上述(shu)3種情況,在直徑(jing)比都是0.35,開孔數(shù)爲13,上下遊均⛷️有(yǒu)45°倒角的多孔孔(kong)闆與㊙️标準孔闆(pǎn)😄相比，壓力損失(shi)減小59.8%。
3試驗測量(liang)
　　試驗是在現有(yǒu)的液體流量标(biāo)準裝置(裝置主(zhu)要由🔞穩😍壓罐、法(fa)蘭、直管段、标定(ding)容器構成。其中(zhong)穩壓罐能💰夠讓(rang)流體以恒🔆定的(de)速度🈲進入直管(guǎn)段;法蘭用于孔(kong)闆的安裝;标定(ding)🔱容器用于測量(liang)流體的流量。).上(shang)使用自己設計(ji)的多孔孔闆完(wan)成的。所選用的(de)⛹🏻‍♀️孔闆即前文仿(páng)真部分開孔數(shù)爲13,d;=8、d2=13,上下遊端面(miàn)均有倒角的多(duō)孔孔闆。多孔孔(kong)闆如圖7所示。
 
3.1試(shì)驗方法
　　取5個不(bú)同大小的流量(liang)按流速從小到(dao)大，再從大到小(xiǎo)🎯,反複測量差壓(ya)值,測量次數爲(wei)3,測量結果取平(píng)均值對試驗測(cè):量時得到的💜流(liu)速進行模拟仿(pang)真,并與試驗結(jie)果相比較。由此(cǐ)可得到🌈如圖8流(liu)量與差壓關系(xi)圖。
 
　　由圖8看出試(shì)驗結果與仿真(zhen)結果的誤差較(jiào)小(誤差能夠控(kong)制❗在7%左右),說明(míng)本次模拟仿真(zhen)所選用的計🍓算(suan)模型、方👄法是可(kě)信賴的。
4結論
　　以(yi)内徑是50mnm,等效直(zhí)徑比0.35的多孔孔(kong)闆作爲研究對(duì)象,用仿真🍉軟件(jiàn)Fluent6.3模拟研究多孔(kǒng)孔闆函數孔結(jie)構,主要是開孔(kong)數量、孔🎯的分布(bù)以及倒角對于(yú)減小壓力損🥵失(shi)所起到的作用(yong)，并對仿真結果(guǒ)進行實流試驗(yàn)驗證,得到:.
(1)在相(xiàng)同等效直徑比(bi)的情況下,增加(jia)開孔數以及倒(dao)角🙇‍♀️的👌存在能有(you)效減小壓力損(sun)失;在孔的數量(liàng)和結構都🧑🏽‍🤝‍🧑🏻确定(ding)的前提下均勻(yun)🎯而有序地分布(bu)孔對測量的影(ying)響可忽略;
(2)試驗(yàn)結果與仿真模(mo)拟結果基本吻(wěn)合,說明隻要使(shǐ)用正确的計算(suan)模型、精密的網(wang)格劃分以及準(zhǔn)确的計算方法(fa)，在沒🥰有試驗的(de)條件下也可以(yǐ)使模拟仿真對(duì)多孔孔闆進行(hang)研究。

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