摘要(yào):多孔孔闆流量(liang)計 尾流流動特(tè)性是影響計量(liàng)性能的關鍵,爲(wei)了分析節💃🏻流孔(kǒng)前後倒角對尾(wěi)流流動特性的(de)影響規律、優🌈化(huà)多孔孔闆結構(gòu),針對DN100、節流比爲(wei)0.67的多孔孔闆,本(ben)研究利用🏒CFD技術(shu)對帶倒角多孔(kong)孔闆的尾流流(liu)場進行計算，從(cóng)而揭示節流孔(kǒng)前後倒角對計(jì)量性能的影♉響(xiǎng)規律,并利📞用實(shí)流實驗進行驗(yàn)證。研究結果表(biao)明:前倒角是降(jiàng)低永久壓力損(sǔn)失🔅的關鍵因素(su),但無法提高計(ji)量精度,當前倒(dao)角在30°~60°時,永久壓(ya)力損失爲相同(tóng)🐅節流比的标準(zhun)孔❗闆的50%,流出系(xi)數線🔴性度誤差(chà)随🥵前孔倒角角(jiao)度的增大🔞而提(ti)高,當前倒角爲(wei)60°時,與無❄️前孔倒(dǎo)角的多孔孔闆(pǎn)流量計線性度(du)誤差接近;在45°~60°範(fàn)圍内,後倒角對(dui)尾流流場具有(you)較好調整作用(yòng),從而拓📧寬量程(cheng)範圍、提高計🌈量(liang)精度。由此得出(chu),前倒角爲60°、後倒(dao)角在45°~60°範圍内的(de)多孔孔闆計量(liang)性能有較大的(de)提高。
1引言
　　傳統(tǒng) 差壓式流量計(jì) 雖然具有結構(gòu)簡單、價格低廉(lián)、實驗數據豐富(fù)、實現标準化等(deng)優🌍點，但是隻有(yǒu)在符合标準要(yào)求的技術條件(jian)🈚下,才🤩能準确地(di)測量流量。在工(gong)程實際應用中(zhōng),很多工況條件(jiàn)無法滿足測量(liàng)📱要求,例如雷諾(nuo)數低🚶‍♀️于标準中(zhong)💚推薦的雷⛷️諾數(shù)範圍、測量介質(zhì)複雜等。在這些(xie)情況下,非标準(zhun)差壓式流量計(ji)就顯示出它的(de)💁優越性,目前具(jù)✏️有代表性非标(biao)準差壓式流量(liang)🔴計主🔴要是 錐形(xing)流量計 和多孔(kong)孔闆流量計。錐(zhui)形流量計具有(you)自清潔、自整流(liu)💋、量程範圍寬精(jing)度高、壓損低、前(qián)後直管段短等(deng)有優點而被廣(guang)泛應用。該流量(liàng)計不但具有錐(zhuī)形流量計的優(you)點，而且結構簡(jiǎn)單、安全性高,在(zài)國際上引起關(guan)注,在中🔴國廣泛(fan)應用。
　　爲了掌握(wò)多孔孔闆流量(liàng)計的核心技術(shù),國内科研技術(shu)人員🐪開始對該(gāi)流量計進行研(yan)究。對多孔孔闆(pǎn)🙇‍♀️流量計進行實(shí)驗研究，研究結(jie)果表明該流量(liàng)計的計量性能(néng)遠高于标準孔(kǒng)闆。對特定節流(liu)孔布局方式的(de)多孔孔闆的局(ju)部阻力系數及(ji)影響該系數的(de)🌂關鍵因素進行(háng)研究。文獻[7]利用(yòng)實驗方法研究(jiū)了節🤩流孔分布(bù)、孔闆厚度、以及(ji)擾動對多孔孔(kong)闆的流出系數(shù)C的影響。2010年至今(jin),主要💋成果如下(xia):利用CFD數值模拟(ni)技術準确預測(cè)多孔孔闆流量(liàng)計内部流場[89];研(yan)究結♻️構參數對(dui)㊙️計量性能的影(ying)響,确定了合理(lǐ)的節流孔布局(ju)方式[10];基于射流(liú)的卷吸效應,利(li)用回流通量建(jiàn)立了計量性能(néng)與微觀流場之(zhi)間的關系,從而(er)實現對多🐇孔孔(kong)闆流量計的優(you)化“”]。上述⛹🏻‍♀️研究成(chéng)果均是在節流(liu)孔無倒角的情(qing)況下取得的🌈,計(jì)量性能沒有達(dá)到A+FlowTeK的性能指标(biao)，但是在研究中(zhong)發現，倒角對多(duo)孔孔🌍闆流量計(ji)的永久壓💜力損(sun)失和計量精🌈度(du)均有較大影響(xiǎng),國内外尚無關(guān)于孔倒角對多(duō)孔孔📱闆計量性(xìng)能影響的文🌈獻(xiàn)報道,因此,本文(wen)利用CFD技術揭示(shi)前後孔倒角對(dui)多孔孔闆流量(liang)計尾流流動特(te)性的影響規律(lü),從而優化結構(gòu)、進--步提高計量(liang)性能。
2尾流流場(chǎng)對流量計性能(néng)影響
2.1流量測量(liang)原理
　　多孔孔闆(pan)流量計的簡化(hua)結構如圖1所示(shì),即在封閉的管(guan)道内🈲同軸安裝(zhuāng)多孔孔闆,來流(liu)方向如圖中箭(jiàn)🔴頭所示,采用法(fǎ)💰蘭方式取壓。
 
　　如同(tóng)其他類型的差(chà)壓式流量計,多(duō)孔孔闆流量計(jì)的工作原⚽理同(tóng)樣基于能量守(shou)恒定律和質量(liàng)守恒定律,即遵(zūn)💃守以下事實規(guī)律:流體流經節(jiē)流件時将被加(jia)速,流體動能增(zeng)加，在流體被加(jiā)速處,其靜壓力(lì)會降低一個相(xiàng)對應的值,不可(kě)壓縮流體的體(tǐ)積流💘量計算公(gong)式爲:
 
　　式中:qv是體(tǐ)積流量,m³/s;△p爲差壓(yā),Pa;C爲流出系數,無(wú)量綱,該參數是(shì)從實💋驗中獲得(dé);ρ爲流體密度,kg/m³;β爲(wèi)等效直徑比;d,爲(wèi)節流孔的等效(xiao)⭐直徑;p1爲上遊靜(jing)壓,P2爲下遊靜壓(ya)。由式(1)知，流出系(xì)數C是影響多孔(kong)孔闆流量計性(xing)能的唯--參數,通(tong)過水❤️量标準裝(zhuang)置實流标定得(dé)到差壓,利用式(shì)⛷️(4)計算得到流出(chu)系數C,從式(4)可知(zhī),Op是影響流出系(xi)數C的關鍵因素(su)。--定量程比下流(liú)出系數線性度(du)誤差是評價多(duō)孔孔闆流量計(ji)精度等級的重(zhòng)要指标,多孔孔(kǒng)闆流量計的流(liu)出系數線性度(du)誤差記作δt。
 
2.2計量(liang)性能與尾流流(liú)場的關系
　　式(1)是(shì)由伯努利方程(cheng)(式(6))推導得到,而(ér)伯努利方程是(shì)基于同🐆一流線(xian)的假設,在同一(yi)流線.上式(6)成立(lì)。
 
式中:ɷ爲渦量;V爲(wèi)速度矢量;r爲觀(guān)測點與旋轉中(zhōng)心之間🌏的✏️矢徑(jìng)。
　　渦量主要集中(zhōng)在靠近多孔孔(kǒng)闆的尾流區域(yù)内,并且渦量‼️出(chū)現在各股射流(liu)的邊界中，上遊(you)渦量較小👈。由式(shi)(4)、(7)、(6)可知，流出系數(shu)🈚C主要受尾流流(liú)場速度分布影(ying)響。
多孔孔闆流(liu)量計永久壓力(lì)損失w的表達式(shi)爲:
ɷ=E+T1+T2(9)
　　式中:E尾流流(liú)場中漩渦運動(dong)所消耗的能量(liàng);T1是節流件本身(shen)造成🏃的局部損(sun)失，節流孔前後(hòu)倒角對流速🔅及(ji)流體與節流孔(kong)的接觸面積改(gai)變很小，故T1可認(ren)爲不變;T2是沿程(chéng)損失，不受節流(liu)孔是否帶倒角(jiǎo)影響。因此,E是反(fǎn)映💁倒角對多孔(kǒng)孔闆流量計永(yong)久壓力損失🙇‍♀️影(ying)響的關鍵💜參數(shù)。綜上所述，尾流(liu)流場中的漩渦(wō)是❤️影響多孔孔(kong)闆流量計計量(liàng)精度及永久壓(ya)力損失🔱的關鍵(jian)因🈚素。近年🍉來,CFD技(ji)術在流場計算(suan)中廣泛應用u[12-46]，因(yīn)此本研究利用(yòng)CFD技術來揭.示倒(dao)角對📐尾🌈流流場(chang)中漩渦的影響(xiang)規律。
3網格剖分(fen)與湍流模型選(xuǎn)擇
　　按照流量計(jì)的實際結構與(yu)尺寸在GAMBIT中建立(li)三維模型，前直(zhí)管✍️段長度設置(zhi)爲15D(D爲管徑),後直(zhí)管段長度設置(zhì)爲☀️30D。爲了準确捕(bu)捉多孔孔闆附(fù)近的流場變化(hua)細💚節，多孔孔闆(pǎn)的壁面及節流(liú)孔的網格尺寸(cun)較小，并滿足倒(dao)角❗處的網格❤️沿(yán)流向數量大于(yu)等于2,從而可🌂以(yǐ)比較準确的捕(bu)捉倒角對流場(chang)細節♻️的影響。剩(sheng)餘網格從多孔(kong)孔闆向管道入(rù)口和出口逐漸(jian)稀疏,這樣的網(wǎng)格剖分方式既(jì)減🏃🏻少網格數💃🏻量(liàng)提高計算效率(lü)，又能準确的反(fǎn)應流場細節提(ti)高計🔞算精度。網(wang)格剖分如圖2所(suǒ)示，單個mesh文件的(de)網格數量在300~400萬(wan)。
 
　　介質經過多孔(kong)孔闆後形成多(duo)股受限性射流(liu),流場情🌈況較爲(wèi)複雜，這就要求(qiú)湍流計算模型(xing)對含有大量漩(xuan)渦及🧑🏽‍🤝‍🧑🏻剪切層的(de)流場具有較好(hao)的計算效果;多(duō)孔孔闆🔆流量計(ji)采用壁面取壓(ya)方式，該💁取壓方(fāng)式要求湍流計(jì)算模型對近壁(bì)區域🥵有較好的(de)計算效果。本研(yán)究選擇SST(剪切應(ying)力傳輸)k-ɷ湍流模(mó)型。該模型是由(yóu)Menter提出的雙方程(chéng)湍流模型,集成(cheng)了Standardk:w模型與Standardhte模型(xing)的特點。不但在(zài)近壁區🔞域及尾(wei)流有很好的預(yù)測效果,而且在(zài)高雷諾數流動(dòng)區域和剪切層(céng)中有較好的預(yù)💚測效果。
4節流孔(kǒng)倒角對多孔孔(kong)闆尾流流場的(de)影響
4.1多孔孔闆(pǎn)尾流流場
　　本文(wén)以結構如圖3所(suǒ)示的兩層孔的(de)多孔孔闆爲研(yan)究對😄象☁️，第🧑🏽‍🤝‍🧑🏻1層爲(wèi)中心節流孔,第(dì)2層爲軸向對稱(cheng)等距✍️離分🐉布節(jie)流孔🌈。λ爲前孔倒(dao)角，α爲後孔倒角(jiǎo)，λ與α取值分别爲(wei)0°、30°、45°、60°。樣機的命名規(guī)則爲λ-α,如60°45°表示前(qian)倒角爲60°後倒角(jiǎo)爲45°的多孔孔闆(pǎn)樣機🏃🏻‍♂️。
 
　　介質經過(guò)多孔孔闆後形(xíng)成如圖4所示多(duō)股射流,流場中(zhōng)存在壁面回流(liu)區和射流間回(huí)流區，在回流區(qū)🔞中存在回流渦(wo)等各㊙️種變化的(de)漩渦，是影響多(duo)孔孔闆流量計(ji)計量性能的♈主(zhu)要因素。本研究(jiu)中射流間回流(liu)區尺寸很小，對(dui)計量性能的影(yǐng)響可忽略,壁面(mian)回流區是影💞響(xiǎng)多孔孔闆流量(liang)計計量性能的(de)關鍵，圖中L爲回(huí)流💃🏻區長度,01、02分别(bie)表示，上下側壁(bi)面回流區❤️中渦(wō)心位置坐标。回(hui)流區🈲中漩渦的(de)結構、渦.心位置(zhi)及個數和回流(liú)區長度是反映(ying)回流區特征的(de)
 
　　即爲再附着點(dian)位置，再附着點(dian)至多孔孔闆下(xià)遊壁面的👅距離(li)爲回流區長度(du)。永久壓力損失(shī)系數與回流區(qu)長度的無🐉量綱(gang)值的關系式如(rú)式(10)-l:
 
　　式中:△p爲永久(jiu)壓力損失，u爲入(rù)口速度，ρ爲流體(ti)密度，L爲回流區(qu)長度💜的無量綱(gang)值。從式(10)中可以(yǐ)得出,在相同的(de)入口速📱度下，永(yǒng)久🈲壓力損失随(suí)回流區長度的(de)增大而增大凹(āo)。因此,本研🔞究在(zài)入口雷諾數在(zài)3.5x104≤Re≤5.3x105範圍内，以β=0.67,管徑(jing)D=100mm,厚度t=8mm的多孔孔(kǒng)闆爲例☁️分析孔(kǒng)倒🌍角對尾流流(liu)場中回流區長(zhang)度及回流渦的(de)影響規律。
 
4.2無倒(dao)角的多孔孔闆(pan)流量計的回流(liu)區特征
　　圖5爲前(qián)倒角λ與後倒角(jiǎo)α均爲0°的多孔孔(kǒng).闆在，入口雷諾(nuò)數💋3.5x104≤Re≤5.3x105的範🌂圍☎️内的(de)尾流流場的流(liu)線圖,無倒角多(duō)孔孔闆🙇🏻流場中(zhōng)的回流區特🈚征(zheng)如表1所示。
 
 
　　從表(biǎo)1中可以看出壁(bì)面回流區中漩(xuán)渦結構、渦心位(wei)置均與管道入(rù)口雷諾數Re相關(guān)。該多孔孔闆的(de)實流實驗結果(guǒ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲:3.5x104≤Re≤5.3x105,線性度δ1=1.8%;5.8x104≤Re≤5.3x105線性(xing)✂️度δ1=0.72%。由此可以得(dé)出，壁面回流區(qū)中漩渦随😍管道(dào)入口雷諾數的(de)增加而達到穩(wěn)定狀态,進入穩(wěn)定狀态的入口(kǒu)雷諾數下限爲(wèi)Remin。當Re<Remin，壁面回流區(qū)中渦心位置不(bú)固定，甚.min至有☀️多(duo)個回流渦存在(zai)，漩渦之間的相(xiang)互運動、破裂及(ji)合并等過程較(jiào)爲複雜，對壁面(miàn)回流區的📐流場(chǎng)擾動較大，從而(ér)使該區域的靜(jìng)壓波動強☔烈，計(jì)量性能降低;當(dang)Re≥Remin,壁面回流區中(zhong)漩渦爲再附着(zhe)渦并且渦心位(wèi)置與Re無關，多孔(kǒng)♈孔闆流量計的(de)計🙇‍♀️量精度提高(gao)。
 
4.3節流孔前倒角(jiao)對多孔孔闆流(liu)量計回流區的(de)影響
　　圖6爲節流(liú)孔後倒角α=0°，節流(liu)孔前倒角λ取30°、45°、60°的(de)多孔孔闆在相(xiang)應入口雷諾數(shu)條件.下的尾流(liú)場的流線圖，回(hui)流區的主要特(te)征如表2所示。
 
 
 
　　從(cong)表2中可以得到(dào)規律:節流孔前(qian)倒角30°≤λ≤60°時,進入穩(wen)定狀态🐆的入口(kou)雷諾數下限Remn随(sui)着λ的增大而降(jiang)低，λ爲60°和0°的多孔(kǒng)孔闆具有相同(tong)的Remin;λ在30°~60°範圍内變(bian)化時對壁面回(huí)流區長度無明(ming)顯影響,回流區(qu)長度爲0.9D,但相對(duì)于無倒角的多(duō)孔孔闆,回流區(qū)長度明顯縮短(duan)。因此,在✏️入口雷(lei)諾數5.8x104≤Re≤5.3x105範圍内,30°≤λ<60°的(de)多孔孔闆流量(liàng)計量精度較差(chà),λ≥60°與λ=0°的多孔孔🏃‍♂️闆(pan)計量精度接近(jìn)，永久壓力損㊙️失(shī)減♋小。從上述規(guī)律得出:前倒角(jiao)λ是降低永久壓(yā)力損失的關鍵(jian)因素,但不能提(ti)高計量精度。
4.4節(jiē)流孔後倒角對(dui)多孔孔闆流量(liang)計回流區影響(xiang).
　　圖7爲節流孔前(qián)倒角爲60°，後倒角(jiao)分别爲30°、45°和60°的多(duo)孔孔闆在Remin(流🐆場(chang)進🙇‍♀️入穩定min狀态(tài)的雷諾數下限(xiàn))條件下的尾流(liu)流場流線圖。從(cóng)🌈圖中可以看出(chu):回流區長度相(xiang)💋等,均爲0.9D;後倒角(jiao)對Re,i有明顯的影(ying)響，影響程度與(yǔ)後倒角α的角度(dù)相關，多孔孔闆(pǎn)60°-30°的Re,in爲5x104多孔孔闆(pan)60°45°和60°-60°的Re。in均爲3.5x104min由此(ci)可知，節🥵流孔後(hou)倒角對多孔孔(kǒng)闆尾流流場進(jìn)‼️入穩定狀态💁的(de)Re,影響明顯，當45°≤α≤60°時(shi)，minRe。im顯著降低，從而(ér)拓展量程範圍(wei);壁面回流區長(zhang).min度與後孔倒角(jiǎo)變化不相關,因(yīn)此節流孔後倒(dǎo)角對永久壓力(lì)損失無影響。
 
 
　　從(cong)上述數值模拟(nǐ)結果可以看出(chū),在管道入口雷(lei)諾數💋3.5x104≤Re≤5.3x105的範圍内(nèi)㊙️，節流孔前倒角(jiǎo)λ=60°、後倒角α=60°或45°的多(duo)孔孔闆.上下側(ce)壁面回👈流區中(zhong)的漩渦爲渦心(xīn)位置固定的再(zai)附着渦,并且回(hui)流區✂️長度明顯(xian)縮短。因此,λ=60°、45°≤α≤60°的多(duo)孔孔闆流量計(jì)在較寬的量程(chéng)範圍内具有較(jiao)高的計❤️量精度(du)和較小永久壓(yā)力🔞損失。
5實流實(shi)驗
　　爲了驗證數(shu)值模拟所得到(dao)的結論，本研究(jiu)在如圖8所🍓示實(shí)✨驗❗裝🔴置上對節(jie)流比爲0.55、0.67、0.75管徑爲(wei)100mm的多孔孔闆進(jìn)行實流實驗。該(gai)裝置采用水塔(ta)穩壓，流量穩定(dìng)性爲0.1%,流量範圍(wei)爲🤞5L/h~800m³/h,不确定度爲(wei)0.05%。本文采用稱重(zhong)法對實驗樣機(ji)的流出系數及(ji)壓力損失進行(háng)測量。差壓變送(sòng)器1用來測量多(duō)孔孔闆上遊1D與(yu)下遊6D之間的壓(ya)差🌐，即壓力損失(shī),差❄️壓變送器2用(yòng)來👌測量介質經(jīng)過多孔孔闆後(hou)産生的靜壓差(chà)△p,取壓方式爲法(fa)蘭取壓。
 
　　表3爲β=0.67的(de)多孔孔闆流量(liang)計實流實驗結(jie).果,表中δl1和δl2分别(bié)爲15:1和10:1量✉️程範圍(wéi)内的流出系數(shu)線性度。從表中(zhōng)可以看出，當節(jiē)流孔前倒角λ爲(wei)30°和45°時,計量精度(du)較差,流出系數(shù)線性度誤差δl1≥3%,δl2≥2.8%,節(jie)流孔後倒角α值(zhi)😘的改變對計量(liàng)精度無影響。當(dang)λ爲0°和60°時,α爲0°和😄30°的(de)多孔孔🐪闆流出(chū)系數線性度誤(wu)差δl1≥1.5%,δl2≤0.8%;α爲60°和45°的多孔(kong)孔闆流出系數(shù)線性度誤差δl1≤0.8%,δl2≤0.5%。從(cóng)上述分🆚析可知(zhī)，當30°≤λ≤45°時,計👄量精度(du)較差,量⁉️程範圍(wéi)較窄;當㊙️λ爲0°和60°、a≤30°時(shi),在10:1量程範圍内(nèi),計量精度較高(gāo);當🔞λ爲✌️0°和60°、45°≤a≤60°時,在15:1量(liàng)程範圍内，計量(liang)精度較高🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。
 
　　表4和(he)表5分别爲β=0.55和β=0.75的(de)多孔孔闆流量(liàng)計實驗結果,從(cóng)實驗🤩結果中可(ke)以得出與β=0.67的多(duō)孔孔闆相同的(de)結論,進一步驗(yàn)證了λ爲0°和60°、45°≤a≤60°的多(duō)孔孔闆具有較(jiào)寬的量程範圍(wei)和📱計量精度.
 
　　圖(tú)9不同多孔孔闆(pǎn)流量計永久壓(ya)力損失随管道(dao)入👣口雷諾數🆚的(de)變化曲線，從圖(tú)中可以看出，永(yong)久壓力損失△o随(sui)入口雷諾數Re的(de)增大而增大,前(qian)倒角λ爲60°的多孔(kǒng)孔闆流量計的(de)永久壓力損失(shi)比λ爲0°的多孔孔(kǒng)闆降低了35%,比相(xiàng)同節流比的标(biāo)準孔闆降低了(le)50%以上,後💛倒角α對(dui)△ɷ無明顯影響。因(yin)此,λ爲60°、45°≤α≤60°的多孔孔(kong)闆在較大的量(liàng)程範圍内具🌈有(yǒu)較高的計量精(jing)度并且永久壓(yā)力♊損失較小，實(shi)驗結果與數值(zhí)模拟的結論一(yi)緻。
 
6結論
　　從理論(lun)分析可知，多孔(kǒng)孔闆流量計尾(wei)流流場中的漩(xuan)渦直接影響多(duo)孔孔闆流量計(ji)的計量性能。數(shu)值模拟得出多(duō)孔孔闆節流孔(kong)前後倒角對計(jì)量性能的影響(xiang)是不同的,具體(ti)的影響✍️規律如(ru)🌈下:節流孔前🐇倒(dǎo)角是影響永久(jiǔ)壓力損失的關(guan)鍵因素,但無法(fǎ)提🌍高.計量精度(dù);節流孔後倒角(jiao)對尾流流場具(ju)有調整作用，是(shì)提高計量精度(dù),拓寬量✌️程範圍(wei)的關鍵因素。從(cóng)實流實驗結果(guo)⭐可以看出,λ爲60°、45°≤α≤60°的(de)多孔孔闆在15:1的(de)量程範圍内,流(liú)出系數線性度(dù)在0.8%以内，永久壓(ya)力損失是标準(zhun)孔闆的50%。

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