摘要(yao):本文分析了孔闆(pan)流量計的結構,其(qí)工作原理屬差壓(ya)流量計範疇,從仿(pang)真角度🏃🏻對孔闆流(liu)量計進行瞬态分(fèn)析,得出“壓差-流量(liàng)點”、“壓差開方根-流(liú)量點"的拟合方程(chéng),流量值x;與壓差開(kai)方根yi的🧡線性關系(xi);随着流量的逐漸(jian)增大,壓差差值呈(cheng)增大的趨勢.且流(liu)體介質的分子量(liàng)越🌍大,k系數越小;相(xiàng)較于對稱偏離,偏(piān)離程度的大小對(dui)h系數的影💛響不穩(wen)定,呈先增大後減(jian)小、再增大波浪線(xian)上升的趨勢,沒有(yǒu)嚴格的規律而言(yán)。
0引言
　　孔闆流量計(jì)是根據伯努利公(gōng)式,利用流體在流(liu)動🙇🏻過程🐕中遵守能(neng)量守恒定律,即動(dòng)能和靜壓能之和(he)不變,以流體通過(guo)節流作用的孔闆(pǎn)時産生壓差的原(yuán)理而🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進行測量,廣(guǎng)泛應用于石油、化(huà)工、冶金、電力、供熱(rè)供水等領域的過(guò)程控制和測量。”
　　目(mù)前,CFD仿真手段是比(bǐ)較熱門的方法,廣(guǎng)泛應用于産品設(shè)計、優化參數。采用(yong)solidworks軟件建立DN150标準孔(kǒng)闆流量計幾何模(mo)型,基于CFD軟件對此(ci)狀态下孔闆流量(liàng)計内部流場進行(hang)數值模拟分析;等(děng)應用FLUENT流體仿真軟(ruan)件,對空氣經過😄孔(kong)闆前後的壓力和(hé)速度進行仿真研(yan)究;'應用計算流體(ti)力學軟件,對不同(tong)結構參數的孔闆(pǎn)流量計進行數值(zhí)模拟;運用CFD方法,在(zài)Fluent軟件中采用标💃準(zhǔn)k-e模型和離散相模(mó)型對📞孔闆内濕天(tian)然氣流動進行模(mó)拟，将模拟結果與(yǔ)NEL實驗數據進行驗(yàn)證;(5]趙奇等以計算(suàn)流體力學(CFD)爲工具(jù),模拟了标準孔闆(pǎn)流量計與一類兩(liǎng)通道非标準孔闆(pǎn)流量計的内部流(liu)場;[6]李過房自主開(kāi)發了孔闆流星計(jì)⭕流場的數值模拟(nǐ)軟件,詳細分析軟(ruǎn)件收斂的條件,并(bìng)給出了在層流和(hé)💁湍流條件下流出(chu)系數的計算結果(guǒ);采用計算流體力(li)學(CFD)模拟方法對孔(kǒng)闆流動進行了較(jiào)準确的預測;等采(cǎi)用CFD模拟方法,确定(ding)了單相非👄牛頓流(liu)體的流量系數與(yǔ)雷諾數(比0.4.0.6和0.8)的關(guan)系,并對不😄同濃度(dù)的非牛頓流體的(de)流量系數進行了(le)分析。
　　此外,孔闆流(liu)量計作爲差壓流(liu)量計範疇,流經孔(kǒng)闆的流量🏃‍♂️與節流(liu)件前後壓差開方(fāng)根成一定的線性(xing)關系,存在h系數,但(dan)很少有人對k系數(shù)的影響因子進行(háng)分析,本文将從以(yǐ)下幾個方面去探(tàn)讨不同楔角大小(xiǎo)、不同流體介，質不(bu)同偏離🈲情況對壓(yā)差及k系數的影響(xiǎng),爲在實際檢測、使(shi)用及産品設💞計等(děng)領域提🌈供參考。
1孔(kǒng)闆流量計結構與(yǔ)工作原理
1.1孔闆流(liú)量計結構
　　孔闆流(liú)量計屬于差壓流(liú)量計範疇,作爲一(yi)個節流件,使上下(xia)遊産生壓力差，主(zhǔ)要分爲标準孔闆(pan)和非标準孔闆💋(錐(zhuī)形人口孔闆、1/4圓孔(kong)闆、偏心孔闆、圓缺(quē)孔闆、多孔孔闆等(děng))。其結構簡單,如圖(tu)1所示:D爲管道内徑(jìng)🌂,d爲孔闆内徑,E爲孔(kong)闆⭐厚度,e爲節流孔(kong)厚度。其中d≥12.5mm,出口💋楔(xiē)角φ在30°~60°之間📱，e在(0.005~0.02)D之間(jiān),E在e~0.05D之🤞間。
 
1.2工作(zuo)原理
　　孔闆流量計(jì)工作時，是将孔闆(pan)與多參數差壓變(biàn)送器(或差壓變送(sòng)器、溫度變送器及(ji)壓力變送器)配套(tao)組成的差壓流量(liàng)裝置,可測量氣體(tǐ)、蒸汽、液體等介質(zhì)的流量,孔闆流量(liàng)計的流量公式爲(wei):
 
式中:qv---流過孔闆流(liú)量計的體積流量(liang),m³/h;
C---流出系數,通過标(biāo)準流量實驗裝置(zhì)檢定.得到;
ε---膨脹系(xi)數,當被測介質爲(wei)液體時,ε=1可忽略,當(dāng)被測介♌質爲氣💚體(tǐ)時,因介質可壓縮(suō),ε爲小于1的數值,需(xū)要經⁉️過研究方能(neng)得到;
m---流通截面與(yǔ)管道截面之比,僅(jǐn)與孔闆流量計相(xiàng)關幾何參數🤟有關(guan);
D--管道内徑,m;
△p---孔闆節(jie)流件前後産生的(de)差壓，由差壓變送(song)器測量得到💚,Pa;
ρ---被測(ce)流體密度,kg/m³。
因此C、ε、m、D、ρ爲(wei)常數,設:
 
　　由式(3)可知(zhi),流過孔闆流量計(jì)的體積流量與節(jie)流件前後壓差的(de)🏃‍♀️開方根呈線性關(guan)系,且經過原點。
2仿(pang)真理論與試驗方(fāng)案設計
2.1模型建立(li)
　　本文三維模型建(jiàn)立由SolidWorks2020完成,根據上(shang)文1.1中有關要求💋,初(chu)步設計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學(xué)模型。
2.2仿真理論分(fèn)析[2]
　　計算流體動力(li)學基本思想是把(bǎ)原來在時間域及(jí)✂️空間域⛹🏻‍♀️上連續的(de)物理量的場(速度(dù)場、壓力場等),用一(yi)系列有限個離散(san)點上的變量值的(de)集合來代替,通過(guo)一定的原則和方(fang)式建立起關于這(zhe)些離散點上場變(biàn)量之間關系的代(dài)數方㊙️程組,然後😘求(qiú)解方程組獲得場(chang)變量的近似值🐉。
2.3試(shi)驗思路
　　通過仿真(zhēn)分析:一是研究流(liu)體介質在管道内(nèi)的流動狀态,根據(jù)2.1相關參數建立模(mó)型,滿足“前十後五(wu)”直管段⛱️要求,進行(hang)瞬時動态分析,研(yan)究壓力、流速的分(fèn)布及變化規律;二(èr)是研究不同楔角(jiǎo)φ對k系數及節流件(jiàn)前後壓差的影響(xiang),分别取ψ爲30°、40°、45°、50°,60°條件下(xià)k系數的變化規律(lü);三是研究不同流(liu)體介質對h系數的(de)影響,分别取流體(ti)介質爲空氣、水、天(tiān)然氣等對k系數的(de)影響;四🐅是根據上(shang)下遊管道夾持孔(kong)闆形成偏心狀态(tai),研究☀️孔🎯闆對中性(xing)對h系數㊙️的影響等(děng)。
3仿真分析
3.1瞬态分(fen)析
　　根據2.1參數設計(jì),建立模型;分析類(lèi)型選擇内部,排出(chu)内部不具備流動(dòng)條件的腔,物理特(te)征選擇瞬态分析(xi),分析總時間設定(ding)爲2s,輸出時間步長(zhǎng)設定爲0.02s;進行瞬态(tài)分析選擇流體介(jie)質爲空氣,入口流(liu)量分别選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等16個(gè)流量點;如圖2所示(shi),上、下遊取壓口壓(ya)差随着人口流量(liàng)的增大呈增大趨(qu)勢;設x爲各流量點(diǎn).單位爲m³/h,yw爲各流量(liàng)點對應的上/下遊(you)取壓口壓差值、單(dan)位爲Pa,y爲xix0.5、單位爲Pa0.5。
 
　　瞬(shun)态分析如圖3所示(shì),以了解孔闆流量(liang)計在進行工作時(shí),介質的🔱流動狀态(tài)及壓力、速度實時(shi)分别情況。設定㊙️進(jìn)口流量爲100m³/h,出口壓(ya)🌈力條件爲标準大(dà)氣壓、溫度爲20℃;孔闆(pan)流量計的結構設(shè)計造成氣流通道(dao)變窄(管道突然變(biàn)徑),氣流進入管道(dào)短時間(0.005s)内上遊取(qǔ)壓口壓力突然增(zeng)大,空氣流動加劇(ju),下遊管道壓力突(tu)然間變小形成負(fu)壓區,但壓力分布(bù)不明顯,僅在孔闆(pǎn)口周圍形成不同(tóng)壓力分層;下遊💰管(guan)道壓力出現明💜顯(xiǎn)分層、且逐漸趨于(yu)穩定。
 
　　根據仿真數(shù)據得出“壓差-流量(liàng)點”、“壓差開方根-流(liú)量點”的㊙️拟合方程(chéng),分别爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
　　由于孔闆(pan)流量計工作原理(lǐ)屬差壓流量計範(fan)疇,流💁量㊙️值xi與壓差(chà)🆚開方根yi存在線性(xing)關系,通過變形可(ke)得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
　　則通過自定義(yi)設置截距爲0,xi=24.533yi,即系(xì)數k=24.533。
3.2不同楔角φ對h系(xi)數、壓差差值的影(ying)響
　　根據2.1參數設計(jì)，建立模型,其他條(tiáo)件不變，隻改變楔(xiē)角的大💋小💛，分别取(qǔ)φ爲30°、40°.45°、50°、60°條件下k系數的(de)變化規律;仿真🌈流(liu)程⭐如3.1所述。得到結(jie)果如圖4所示,不同(tong)楔角下，“壓差開方(fāng)根-流量點✌️”均呈理(lǐ)💋想線性關系(R2=1),圖像(xiang)幾乎是重合的,說(shuo)明楔角對h系數影(ying)響較小;線性關✍️系(xì)分别爲:
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令截距均(jun1)爲零,則楔角30°、40°、45°、.50°.60°對應(ying)的系數k分别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通(tōng)過計算,不同楔角(jiǎo)條件下,仿真壓差(cha)與計算壓差基本(běn)一♉緻,如🈲圖5所示，
 
　　不(bú)難發現:整體來看(kan),不論楔角是哪一(yī)種情況，在50m³/h以内的(de)⚽流🌈量下,差值基本(běn)--緻,且均接近于0;随(suí)着流量的逐漸增(zēng)大,壓差🌈差值呈增(zeng)大的趨勢;楔角40°和(he)楔角45°條件下，差值(zhí)變化趨勢基本緻(zhi),且偏離方向一緻(zhi);楔角50°與楔角60°條件(jiàn)下，差值👌基本重合(he),且偏離方向一緻(zhì);楔角30°對差值的影(ying)響最大,在流量爲(wei)500m³/h時,達到最大值1.94Pa。流(liú)量400m³/h是差值的“拐點(dian)”，當楔角爲40°、45°時,差值(zhí)最大,之後🤩差值開(kai)始降低;當楔角爲(wei)30°、50°、60°時，差🔞值開始突然(ran)變大。
3.3不同流體介(jie)質對h系數的影響(xiang)
　　爲了研究不同介(jiè)質對k系數的影響(xiǎng),本文選擇氣态水(shui)、空氣🐕、甲烷等三種(zhong)氣體作爲流體介(jie)質進行單因素試(shi)驗仿💚真，取楔角爲(wei)45°等🌍其他參數因素(su)不變進行仿真,結(jie)果如圖㊙️6所示;三🚩種(zhong)不同介質條件下(xia)，壓差與流量的關(guān)系分别爲:
 
　　由于孔(kong)闆流量計工作原(yuán)理屬差壓流量計(ji)範疇，流量值xi與壓(ya)差開方根yi存在線(xian)性關系,根據3.1分析(xī),氣态水、空氣、甲烷(wan)等三種🌍氣體作爲(wei)流體介質對應的(de)系數h:分别💃🏻爲31.407、24.533.33.304;綜上(shàng)所述,流體介質不(bu)同,壓差與流量、壓(yā)差開方根與流量(liàng)的❤️變化趨勢💰一緻(zhì),但不同流體介質(zhì)對應的k系數卻相(xiang)差很大。
 
　　根據三種(zhong)氣體介質的分子(zi)量分别爲18(H20)、29(空氣)、16(CH4),與(yu)k系數的對應👌關💛系(xì)如圖7所示;流體介(jie)質的分子量越大(dà),h系數越小;随着分(fen)子量的增🌈大、h:系數(shù)逐漸減小。
3.4孔闆對(duì)中性對k系數的影(yǐng)響
　　本文孔闆對中(zhong)性是指在安裝孔(kǒng)闆或實驗室檢定(ding)孔闆🚩時,孔闆💃孔口(kǒu)的中心線與管道(dào)中心線--緻程度,将(jiāng)上述中心線的偏(pian)離距離作爲試驗(yan)因子;如圖8所示,偏(piān)離分爲對稱偏離(li)🌏(DCPL)和偏離(PL)兩種;分别(bie)取偏離距離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔(xie)角爲45°,介質爲空氣(qì)進行仿真實驗等(děng)。
 
　　如圖9所示,仿真結(jie)果顯示:不論哪種(zhǒng)偏離情況壓差與(yu)流量的關🌍系曲線(xiàn)(變化趨勢)是一緻(zhi)的,且幾乎是重合(hé)的,并随着流量的(de)不斷增大,壓差也(yě)不斷成增大趨勢(shì);根據3.3中流量值xi與(yǔ)壓差♻️開方根yi存在(zài)線性關🔴系,得出不(bú)同偏離情況下對(duì)應的k系數,對稱偏(piān)離的情況下,随着(zhe)偏離程度的⁉️增大(da)h系數呈增大趨勢(shi);相較于對稱偏離(li),偏離程度的大🔞小(xiǎo)對h系數的影響不(bú)⛹🏻‍♀️穩定,先增大後減(jiǎn)小再增大波浪線(xian)上升的趨勢,沒有(you)嚴格的規律而言(yán);因此,在使用或檢(jian)🙇🏻定孔闆流量計時(shí),--定要保證對中性(xing)❄️，這樣檢出來的數(shù)據才有意💚義。
4結論(lun)
　　通過建模進行仿(pang)真實驗得出以下(xià)結論:
(1)分析了孔闆(pǎn)流量計的結構,其(qi)工作原理屬差壓(yā)流量計範疇，推導(dao)出流量值xi與壓差(chà)開方根yi之間存在(zai)線性關系,且通過(guo)原點。
 
(2)完成對孔闆(pan)流量計瞬态分析(xī),得出“壓差-流量點(diǎn)”、“壓🐕差開方🛀根🐇-流量(liang)點”的拟合方程,根(gēn)據.流量值xi與壓差(cha)開方😍根yi的線性關(guān)系,通過🏃‍♂️自定義設(she)置截距爲0,得出🔞h系(xi)數。
(3)不同楔角φ對h系(xì)數、壓差差值的影(ying)響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對應的系(xi)數✂️k分别爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不論楔(xie)角是哪一種情況(kuàng),在50m³/h以内的流量下(xià),差值基本一緻,且(qie)均接近于0;随着流(liu)量的逐漸增大,壓(ya)差❓差值呈增大的(de)趨勢。
(4)氣态水、空氣(qì)、甲烷等三種氣體(tǐ)作爲流體介質對(dui)應的系數k分别爲(wei)31.407、24.533.33.304;且流體介質的分(fen)子量越大,k系數越(yue)小;随着分🈲子量的(de)增大.h系數逐漸減(jiǎn)小。
(5)不論哪種偏離(lí)情況,壓差與流量(liang)的關系曲線(變化(huà)趨勢)是一.緻的,且(qiě)幾乎是重合的，并(bing)随着流量的不斷(duan)增㊙️大,壓差也不斷(duan)成增大趨勢;但在(zài)對稱偏離的情況(kuang)下,随着偏離程度(du)的增大k系數呈增(zēng)大趨勢;相較于對(duì)稱偏離,偏離程度(dù)的大小對h系數的(de)影響不🐆穩定,先增(zēng)大後減小再增大(dà)波浪線上升的趨(qu)勢,沒🧡有嚴格的規(gui)律🌂而言。
　　綜上所述(shu),在設計孔闆流量(liang)計時,一定要考慮(lü)流量🌈範🌈圍及楔角(jiao)大小的選擇兩個(gè)重要因素;在使用(yòng)時,-定要保證對中(zhong)性,這🧑🏽‍🤝‍🧑🏻樣得出的數(shù)據才有意義。另外(wai),在對孔闆流量計(jì)(差壓流量計)進行(hang)檢測時,出.具證書(shu)一定要給出檢定(ding)介質,用戶在使用(yong)時，一定要注意檢(jian)定用介質與實際(ji)流體介質的差别(bie),适時進行修正,才(cai)能保證流量計的(de)性能準确結算科(kē)學,以免帶來不必(bi)要的麻⭐煩等。

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