在流(liu)體機械(xiè)瞬态流(liu)動的過(guò)程中,需(xu)要對瞬(shun)時流量(liàng)進行測(ce)試．電磁(cí)流量計(jì)在測量(liàng)快速變(biàn)化的流(liu)量時,其(qi)轉換器(qì)的信号(hào)處理時(shi)間普遍(biàn)超過0．２s,需(xū)要經過(guò)特殊設(she)計才能(néng)達到要(yào)求⛱️[5];渦輪(lun)流量計(jì)在測試(shi)小流量(liang)的瞬時(shi)變化時(shí),存在強(qiang)烈的非(fei)線性問(wen)題🌐．而在(zai)🚶許多場(chǎng)合,孔闆(pǎn)流量計(jì)能較好(hǎo)地用于(yu)瞬态流(liú)量的測(cè)試．
　　基于(yu)CFD技術,通(tōng)過改變(bian)流量﹑直(zhi)徑比﹑孔(kong)闆厚度(du)和流體(ti)介質等(děng),對孔闆(pǎn)内部穩(wěn)定流動(dòng)進行了(le)研究．采(cǎi)用CFD技術(shu)研究了(le)方形孔(kong)和圓形(xing)孔闆流(liú)量計在(zai)測量濕(shi)夭然氣(qì)時的異(yì)同;對錐(zhuī)體流量(liàng)計的孔(kǒng)流😍系數(shù)🐕進行數(shù)值模拟(ni);對周期(qī)性波動(dòng)的流量(liang)流經孔(kǒng)闆進行(hang)了實驗(yan)和理論(lùn)分析後(hòu)指出,孔(kǒng)闆前後(hou)壓差呈(cheng)現非線(xian)性,且滞(zhi)後于🌈流(liú)量的變(bian)化,稱之(zhī)爲“渦慣(guan)性”．
　　鑒于(yú)目前未(wei)見有對(dui)孔闆流(liu)量計在(zài)測量流(liú)量加速(su)瞬态過(guò)程的相(xiang)關研究(jiū),爲了從(cóng)内流角(jiao)度揭示(shi)壓差滞(zhì)後于流(liú)量變化(hua)的原因(yin),考妞到(dào)采用試(shi)驗測量(liang)較爲困(kùn)難,文中(zhōng)采用CFD方(fāng)法分别(bie)對穩态(tai)和加速(su)過程的(de)孔流系(xì)數進行(háng)數值預(yù)測,重點(diǎn)分析孔(kong)流系數(shù)與流動(dong)狀态瞬(shun)時轉變(bian)間的聯(lián)系,爲實(shí)現采用(yong)孔闆流(liu)量計測(cè)量瞬時(shí)流量提(tí)供參考(kǎo)。
1物理模(mó)型和數(shu)值方法(fa)
1.1基本理(lǐ)論
　　孔闆(pǎn)流量計(ji)是一種(zhong)差壓式(shì)流量計(ji)．對于不(bu)可壓流(liu)體的水(shui)🚩平☁️管流(liú)動,忽略(luè)管壁摩(mó)擦阻力(li)損失,根(gēn)據流🐉體(ti)的連續(xù)性和機(ji)械能的(de)相互轉(zhuǎn)化可得(dé)

1.2模型﹑網(wǎng)格和邊(bian)界條件(jian)
　　圖1爲孔(kǒng)闆流量(liàng)計的物(wu)理模型(xing)示意.根(gen)據标準(zhǔn)孔闆流(liu)量計的(de)安裝,圖(tú)1a中,上下(xià)遊直管(guǎn)段長分(fen)别取10D和(he)5D作爲穩(wěn)定直管(guan)段.其中(zhōng)上下遊(you)管内徑(jing)D取100mm,孔闆(pǎn)厚度δ取(qǔ)3mm.
　　流量從(cóng)0以恒定(dìng)加速度(du)增長,如(ru)圖1b所示(shì);測壓點(diǎn)的位置(zhi)示于圖(tú)1c.

　　爲了準(zhun)确捕捉(zhuō)孔闆前(qian)後流場(chang)的變化(huà)情況,首(shou)先在壁(bi)面✉️附🔴近(jìn)劃分了(le)邊界層(céng)網格,邊(bian)界層第(di)1層厚度(du)爲0.1mm,共10層(ceng),高度增(zeng)長因子(zi)💚爲1.1;其次(ci),用與孔(kǒng)闆等孔(kǒng)徑的圓(yuan)柱面作(zuo)爲分界(jiè)面,對内(nèi)部流域(yù)進行切(qiē)割,并對(duì)該邊界(jie)面附近(jin)劃分同(tong)上的邊(biān)界層網(wang)格,其内(nèi)部區域(yù)采用蝶(dié)形網格(gé)劃分;最(zuì)後,在邊(bian)界層設(she)置好的(de)基礎上(shàng)⛷️,采用結(jié)構化網(wang)格生成(chéng)方式完(wán)成其餘(yu)部分的(de)❤️網格劃(huà)分.
　　圖２給(gei)出了孔(kǒng)闆附近(jìn)的網格(gé)分布.以(yi)常溫狀(zhuang)态下液(yè)态水作(zuò)爲流體(tǐ)介質,動(dòng)量﹑湍動(dòng)能和湍(tuan)流耗散(sàn)率方程(cheng)的⛷️離散(sàn)選擇二(er)階迎風(feng)📞格式,壓(ya)力和速(su)度耦合(he)選❤️用SＩMＰLＥ算(suàn)法,穩态(tài)和加速(su)條件下(xià)的湍流(liu)模型分(fen)别采用(yòng)Realizablek－ε和RealizableDＥS模型(xing).穩态和(hé)加速過(guo)程的進(jin)⭕口均采(cai)用速度(du)進口邊(biān)界條件(jiàn),流體加(jia)速曲線(xian)見圖1b,管(guan)壁爲無(wú)滑移壁(bi)面邊界(jiè)條件.

　　由(yóu)于流速(su)不斷增(zēng)大,考妞(niu)采用變(biàn)時間步(bu)長的方(fāng)式以提(ti)高♍叠代(dai)過程的(de)經濟性(xing),時間步(bu)長△t與時(shí)刻t采用(yòng)式(1)的關(guan)系式:

　　流(liu)場求解(jiě)軟件爲(wèi)Liｎux平台下(xià)的Flueｎｔ6．3,采用(yong)曙光1800工(gōng)作站上(shàng)的8個ＩｎｔelXeoｎ處(chu)理器(3．２GHz)進(jin)行并行(háng)計算,穩(wen)态叠代(dai)4000次約需(xū)２h,瞬态叠(dié)代２50個時(shi)間步約(yue)需２２h．
2結果(guo)分析
2.1孔(kǒng)流系數(shu)和壓降(jiang)
　　圖3給出(chu)了孔流(liu)系數的(de)數值模(mó)拟結果(guo),Realiza-blek－ε模拟的(de)穩态孔(kǒng)😘流系數(shù)C0與ＩSO試驗(yan)回歸曲(qu)線[10]的最(zui)大誤差(cha)在3％以内(nèi),标㊙️準k－ε的(de)最大誤(wù)差達6％[6]．
　　對(duì)于流量(liàng)Q≤0．6m3/h,C0随流量(liang)的增加(jiā)緩慢下(xià)降,之後(hou)保持在(zài)0．63左右．與(yǔ)🈲C0不同⭐的(de)是,C從0開(kāi)始随流(liu)量的增(zeng)大而增(zeng)大,并逐(zhú)☔漸向C0靠(kao)近,直至(zhì)Q≥3．5m3/h後才達(dá)到🧡C0的水(shuǐ)平．C在時(shí)間上滞(zhi)後于C0．圖(tu)4中△p－Q曲線(xiàn)顯示,Q≤3．0m3/h時(shí),加速⛷️過(guò)程孔闆(pǎn)前後壓(ya)降高于(yu)同⭐等流(liú)量下穩(wěn)态壓降(jiàng);Q≥3．0m3/h後,瞬态(tai)壓降才(cái)降爲☀️穩(wěn)态水平(píng)．

2.2速度和(hé)壓力場(chang)分析
　　從(cóng)内流角(jiao)度分析(xī)導緻第(di)２．1節中C和(hé)C0不同的(de)原因,圖(tú)5和圖6分(fen)别給出(chū)并對比(bi)了相同(tóng)流量下(xià)穩态和(he)加速過(guo)程中流(liu)經孔闆(pǎn)前後流(liú)體的速(su)度和壓(ya)力場．對(dui)于Q≤3．0m3/h穩态(tai)條件,孔(kǒng)闆後方(fang)始終可(ke)觀察到(dào)一個被(bèi)拉長的(de)主渦和(hé)孔闆🏃🏻右(you)上方的(de)🍓小渦,流(liú)動的損(sun)失較大(dà),同時表(biao)明流場(chang)中已形(xíng)成穩定(dìng)的流動(dong)通道,動(dòng)🐪能和壓(ya)能的轉(zhuǎn)化已達(dá)到平💘衡(héng),流動的(de)損失(長(zhang)漩渦)也(ye)趨于穩(wěn)定,并且(qiě)壓差随(suí)流量的(de)增大🙇🏻而(er)穩定增(zeng)大．
　　加速(su)過程中(zhong)孔闆後(hòu)方的漩(xuán)渦是逐(zhú)漸形成(chéng)的:小流(liu)量時流(liu)動較爲(wèi)平穩,流(liú)體不斷(duan)被加速(sù)的流體(tǐ)向下遊(you)推😘動,漩(xuán)渦來不(bu)及形成(chéng),流動的(de)損失較(jiao)小;随着(zhe)流量的(de)不斷加(jia)大,孔闆(pǎn)後🌈方開(kāi)始🤞出現(xiàn)流動分(fen)離(約在(zai)Q＞1．1m3/h時);當流(liú)量進一(yi)步加大(da),孔闆後(hou)方出現(xian)了較大(dà)的漩💁渦(wo)．加速前(qián)期,壓力(li)沿整個(ge)管道逐(zhu)漸向下(xià)遊傳播(bō),壓能傳(chuán)播的距(ju)離🔞較長(zhǎng),沒有在(zai)短距離(lí)内快速(sù)轉👈換爲(wèi)動能．
經(jīng)上述分(fèn)析可以(yǐ)認爲,導(dao)緻加速(su)前期C和(hé)C0之間差(cha)異🐇的内(nei)流原因(yīn)是,漩渦(wo)形成的(de)滞後以(yǐ)及加速(sù)前期壓(ya)力能❓沒(mei)有在短(duan)距離内(nèi)全部轉(zhuan)化爲動(dòng)能．
　　随着(zhe)流量的(de)增大,孔(kǒng)闆後方(fang)出現了(le)明顯的(de)漩渦,漩(xuán)渦中心(xīn)⁉️附近區(qū)域即爲(wei)低壓區(qū)．雖然孔(kong)流系數(shù)和壓降(jiàng)的🏃‍♀️瞬态(tài)和穩态(tai)值分别(bié)相互接(jie)近,然而(er)由于流(liu)體仍然(ran)處于加(jia)速🏃🏻階段(duan),因此流(liú)動狀态(tai)(漩渦的(de)形狀和(he)位置)和(hé)壓力分(fèn)布與穩(wen)态條件(jiàn)相比,仍(réng)然存在(zài)較大差(cha)異．


3結論(lun)
　　通過CFD技(ji)術,實現(xiàn)了穩态(tài)和加速(sù)流體流(liú)經孔闆(pan)後流場(chǎng)的數🤟值(zhi)模拟,得(de)到了孔(kǒng)流系數(shù)﹑流場和(hé)壓力的(de)模🔅拟結(jie)果,主要(yào)概括爲(wei):
1)穩态孔(kong)流系數(shù)C0的數值(zhi)預測值(zhí)與ＩSO試驗(yàn)回歸曲(qǔ)線十分(fèn)接近,Realizablek－ε比(bǐ)🆚标🏃‍♂️準k－ε的(de)C0預測值(zhí)更接近(jin)ＩSO試驗回(hui)歸曲線(xiàn),誤差分(fèn)别爲3％和(hé)6％;
２)加速過(guò)程,C随流(liu)量的增(zēng)大逐漸(jiàn)增大并(bìng)靠近穩(wen)态C0;加速(su)前期,壓(ya)🏃‍♀️差高于(yu)穩态水(shuǐ)平,随着(zhe)流量的(de)不斷增(zēng)大🌐,瞬态(tai)和穩态(tài)壓差相(xiàng)互接近(jìn)．3)導緻加(jia)速前期(qi)C和C0之間(jiān)差異的(de)内流原(yuan)因是,漩(xuan)渦形成(chéng)的滞後(hòu)以及加(jiā)速前期(qī)壓力能(neng)沒有在(zài)短距離(li)内全部(bu)轉化爲(wèi)🐆動能．文(wen)中内容(róng)可爲利(lì)用孔闆(pǎn)流量計(ji)測量瞬(shùn)時流量(liàng)提供參(cān)考依據(ju),爲流體(ti)機械内(nèi)部非定(ding)📞常流動(dòng)等特殊(shū)問題的(de)提供基(jī)本保障(zhàng)．今後的(de)工作将(jiang)圍繞流(liu)量波動(dòng)﹑階躍和(he)突減等(děng)其他瞬(shun)🔴态狀況(kuàng)．

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