0引(yǐn)言
　　空化(hua)是液體(ti)所特有(you)的一種(zhǒng)複雜的(de)流體動(dong)力現象(xiàng)。當流場(chǎng)中某處(chù)的局部(bu)壓力較(jiao)低時，溶(rong)解在液(ye)體中的(de)不凝性(xìng)氣體會(hui)逸出，當(dāng)壓力降(jiàng)低到對(dui)應溫度(dù)下的飽(bǎo)和蒸汽(qì)壓👄時，液(ye)體開始(shi)汽化，在(zài)局部低(dī)壓下液(ye)體中瞬(shun)間形成(chéng)大量空(kong)泡，這些(xiē)空泡随(suí)液體流(liu)會在低(dī)壓區時(shi)生長、膨(peng)脹，而到(dào)達高壓(yā)區時又(you)會收縮(suō)、潰☁️滅，這(zhe)種空泡(pào)👉爆發性(xing)生長、膨(péng)脹、收縮(suō)、潰滅的(de)整個過(guo)程稱爲(wei)水力空(kōng)化現象(xiàng)。空化現(xiàn)象的發(fa)生有利(lì)有弊🔅，目(mu)⁉️前空化(hua)技術成(cheng)功地運(yun)用在工(gōng)業廢水(shuǐ)處理，飲(yǐn)用☂️水消(xiāo)毒，選礦(kuàng)等方面(mian)。在水動(dong)力學研(yán)究領域(yù)，空化普(pu)⁉️遍出現(xiàn)在核動(dòng)力🧑🏽‍🤝‍🧑🏻系統(tǒng)、低溫熱(rè)交換器(qi)、液體火(huo)箭發動(dòng)機等工(gong)程🐆領域(yù)。當常溫(wen)流♻️體流(liú)經管路(lù)、泵、閥門(men)、流量計(ji)等各種(zhong)節流元(yuán)件時，節(jiē)流壓降(jiang)容易導(dǎo)緻空化(huà)的形成(cheng)與發展(zhǎn)。空化不(bu)僅會使(shǐ)節流元(yuán)件及下(xia)遊管道(dào)被空蝕(shí)損壞🔴、設(shè)備效率(lü)降低，而(ér)且可能(néng)導緻流(liu)量測量(liang)不準、系(xì)統運行(hang)不穩定(ding)。所以，對(duì)孔闆流(liu)量計内(nei)流體空(kong)化流動(dong)特性進(jin)行理論(lùn)與實驗(yan)研究具(ju)有重要(yào)👌的工🤩業(yè)實用價(jia)值。
　　兩通(tong)道非标(biāo)準孔闆(pǎn)流量計(jì)與标準(zhǔn)孔闆流(liú)量計相(xiàng)比，具有(yǒu)臨界雷(lei)諾數低(dī)、永久壓(ya)降低，測(cè)量穩定(dìng)性高和(hé)節能等(děng)🥰優勢。但(dàn)沒有考(kǎo)慮在入(rù)口壓力(lì)較高或(huò)流👣速較(jiao)大的情(qing)況下，節(jie)流元件(jian)附⚽近可(kě)能發生(sheng)的空化(hua)現象對(duì)流量計(ji)測量🤞精(jīng)度會産(chan)生影響(xiang)。本文在(zài)其設計(ji)的流量(liang)計的基(ji)礎上，數(shu)随入口(kǒu)壓力的(de)變化規(guī)律以及(jí)流出系(xi)數和壓(yā)力損失(shi)随雷諾(nuo)數的變(biàn)化⛹🏻‍♀️規律(lǜ)，并讨論(lùn)空化的(de)發生對(dui)孔闆流(liú)量計測(ce)量精度(dù)的影響(xiǎng)☎️，對提高(gāo)測量精(jīng)度有一(yi)定的參(can)考價值(zhi)。
1物理模(mó)型與數(shù)學模型(xíng)
1.1幾何模(mó)型和網(wǎng)格劃分(fèn)
　　因節流(liu)元件爲(wèi)軸對稱(cheng)結構，可(kě)簡化爲(wei)二維模(mó)拟。本文(wen)🥰孔闆是(shi)🍓根據國(guo)家标準(zhun)GB/T2624———2006《用安裝(zhuāng)在圓形(xing)截面管(guǎn)道中的(de)差壓裝(zhuāng)置測量(liang)滿管流(liu)體流量(liang)》，其幾何(he)結構如(rú)圖1所示(shi)🏃🏻。管道直(zhí)徑D=100mm，R=50mm，孔闆(pan)中心孔(kong)半徑r1=17.5mm，環(huán)孔内半(bàn)徑r2=38.5mm，環孔(kǒng)外半徑(jing)r3=49mm，孔闆厚(hou)度E=3mm，節流(liú)孔厚度(du)e=1mm，斜角F=45°，等(deng)效直徑(jing)比🌈β=0.7。孔闆(pǎn)上、下遊(yóu)💃的直管(guǎn)段長度(du)分别取(qu)5D和15D。
　　利用(yòng)ICEMCFD進行網(wǎng)格劃分(fèn)，如圖2所(suǒ)示，整體(ti)采用四(sì)邊形結(jié)構化網(wang)格，從♈管(guǎn)道兩端(duan)到孔闆(pǎn)逐漸加(jia)密，孔闆(pǎn)處進行(hang)局部加(jiā)密，網格(ge)總體數(shu)量爲176262。
1.2數(shù)學模型(xíng)
　　采用Schnerr-Sauer空(kong)化模型(xíng)、Mixture模型與(yu)RNGk-ε湍流模(mo)型聯合(he)進行計(ji)算。Schnerr-Sauer空化(huà)模型的(de)💋蒸汽輸(shū)運方程(cheng)[16]爲


式中：α———蒸(zhēng)汽的體(tǐ)積分數(shu)；
t———時間，s；
`V ———蒸(zheng)汽平均(jun1)速度，m/s；
ρ———密(mì)度，kg/m3；l、ν、m分别(bié)爲液相(xiang)、蒸汽相(xiang)、混合相(xiang)。淨質量(liàng)源表達(da)式如下(xià)：`

式中：Rb———氣(qi)泡直徑(jìng)，m；
Pb———氣泡表(biao)面壓力(lì)，Pa；
P———局部遠(yuǎn)場壓力(li)，Pa。
蒸汽體(tǐ)積分數(shù)和單位(wèi)液體體(ti)積内氣(qì)泡數量(liang)nb的關📱系(xi)🏒如下：

式(shì)中：Psat———飽和(he)蒸汽壓(ya)，Pa；
nb———取單位(wèi)體積氣(qì)泡的數(shu)量，nb=1×1013/m3
1.3模型(xing)參數的(de)設置
　　近(jìn)壁區域(yu)采用Standardwallfunction，壓(ya)力-速度(du)耦合項(xiàng)采用SIMPLEC算(suan)法，動量(liàng)和📐湍流(liú)動能🏃‍♀️采(cǎi)‼️用一階(jie)迎風差(chà)分格式(shì)。邊界條(tiáo)件采用(yòng)壓力入(rù)口和壓(yā)力出口(kǒu)，進口壓(yā)力的取(qǔ)值範圍(wei)爲1.01355×105～3.5×105Pa（絕對(dui)壓力🔴，以(yi)下均🏃‍♀️爲(wei)絕對🐕壓(yā)力），出口(kǒu)壓力取(qǔ)值爲0，操(cao)作壓強(qiang)取值爲(wei)1.01325×105Pa。湍流參(can)數選擇(zé)湍流強(qiang)度和水(shuǐ)力直徑(jìng)🛀，汽化壓(yā)強取值(zhí)3.166×103Pa，液相爲(wei)常溫下(xia)的水，氣(qi)❌相選擇(zé)水蒸氣(qì)。以上各(ge)個方程(chéng)的殘差(chà)至少達(da)到10-3，保證(zheng)計算💜結(jié)果充分(fen)收斂。
2數(shu)值模拟(nǐ)結果分(fen)析
2.1空化(hua)現象數(shu)值模拟(nǐ)分析
　　空(kong)化數是(shì)描述水(shui)力空化(hua)和空化(huà)狀态的(de)一個重(zhòng)要🏃‍♂️參數(shu)，是表征(zheng)空化特(tè)性的無(wú)量綱參(can)數。其定(ding)義爲

式(shi)中：P0———孔闆(pan)下遊恢(hui)複壓力(li)，Pa；
Pν———常溫下(xià)流體的(de)飽和蒸(zhēng)汽壓，Pa；
u0———孔(kong)的平均(jun)流速，m/s；
ρ———操(cao)作溫度(dù)下流體(ti)的密度(dù)，kg/m3。
　　空化數(shu)的物理(li)意義爲(wei)：σ=抑制空(kong)化産生(shēng)的力/促(cù)使空化(hua)出現💛的(de)力㊙️。理論(lùn)上講，隻(zhī)要σ≤1就應(ying)該産生(sheng)空化，σ≤0.5就(jiu)必然産(chan)生穩定(ding)的空化(huà)。即使🈲在(zai)環境壓(ya)強爲幾(jǐ)十兆帕(pa)時，隻要(yao)射流速(sù)度足夠(gou)大，就能(neng)夠出現(xian)⭐空化現(xiàn)象。但☁️是(shì)，在實際(ji)工程應(ying)用中發(fā)現空化(hua)數的離(lí)👈散度較(jiao)大，用空(kōng)化數來(lai)判斷是(shi)否産生(shēng)空化并(bìng)不正确(que)，所以用(yong)空化數(shù)判斷空(kōng)化發生(shēng)沒有普(pǔ)遍應用(yòng)價值。但(dan)由于空(kong)化數相(xiang)關參數(shù)容易測(cè)量、物理(li)意義明(ming)确，目前(qián)仍是粗(cu)略判定(dìng)空化初(chū)生和空(kong)化程度(du)的💛常用(yòng)方法。
　　圖(tu)3所示爲(wèi)模拟得(de)到的空(kōng)化數随(suí)入口壓(ya)力Pi的變(bian)化🌍趨勢(shi)，空化💃數(shù)随入口(kǒu)壓力的(de)增大而(er)減小。實(shí)際的空(kong)化初生(shēng)現象一(yi)般發生(sheng)在空化(hua)數1.0～2.5之間(jian)。

　　空化(huà)初生是(shì)空穴在(zài)極小區(qu)域内初(chu)次出現(xian)的狀态(tai)。圖🆚4所示(shi)💋爲入口(kou)壓力Pi爲(wèi)1.915×105Pa，入口速(sù)度爲5.67m/s時(shí)，節流孔(kǒng)闆前、後(hòu)區域流(liu)😄體的壓(yā)力雲圖(tu)🏃。可以看(kàn)出在節(jiē)流孔内(nèi)及孔闆(pan)後D/2的區(qu)域内發(fā)生壓力(li)驟🔞降，在(zài)0.65m處壓力(li)恢複，穩(wěn)定在1.01×105Pa附(fù)近。該壓(ya)力下首(shǒu)次出現(xiàn)空化現(xiàn)象，由圖(tu)中數據(jù)看出，空(kōng)化初生(shēng)時的壓(ya)力遠高(gāo)于蒸🥰發(fa)壓力，對(dui)應的空(kong)化數爲(wei)1.33，雷諾數(shù)爲5.6×105。



　　圖5所示(shì)爲空化(huà)初生時(shí)流體中(zhōng)蒸汽體(tǐ)積分數(shù)的等值(zhi)🆚線。從圖(tu)5（a）可以看(kàn)出，空化(hua)初生出(chū)現在孔(kong)闆上遊(yóu)端面壁(bì)面處。圖(tu)5（b）爲發生(sheng)空化區(qū)域的局(ju)部放大(da)圖，可以(yǐ)看出空(kong)化初生(sheng)🧡是在壁(bì)面上開(kāi)始，在遠(yuǎn)💋離壁面(miàn)處蒸汽(qì)體積分(fèn)🧡數降低(dī)。
　　随着入(rù)口壓力(li)增加，空(kong)化範圍(wei)越來越(yue)大，空化(hua)區域内(nèi)蒸♉汽😘體(ti)積♌分數(shu)也随着(zhe)增大，當(dāng)入口壓(yā)力Pi爲3.5×105Pa，入(ru)口♋速度(dù)爲8.71m/s時，模(mó)拟所得(dé)💘空化數(shù)爲0.44。如圖(tu)6所示，可(kě)以看出(chu)在孔闆(pan)下遊0.3m以(yi)⛱️内大部(bù)分壓力(li)區域達(da)到蒸發(fā)壓力3.166×103Pa，越(yue)靠近孔(kǒng)♋闆的地(di)方蒸汽(qì)體積分(fen)數越高(gao)。

2.2空化現(xiàn)象對孔(kǒng)闆流量(liang)計測量(liang)精度的(de)影響
　　本(ben)文通過(guò)改變流(liú)體的不(bú)同入口(kou)壓力，流(liu)出系數(shù)C和壓力(lì)🥰損失Δω随(suí)雷諾數(shu)Re的變化(hua)情況，并(bing)對引入(rù)空化模(mó)型和未(wèi)引入空(kong)化模型(xing)的模拟(nǐ)結果進(jìn)行對比(bǐ)。
雷諾數(shù)的計算(suàn)公式爲(wei)

式中：u———進(jìn)口速度(dù)，m/s；
μ———流體黏(nian)度，Pa·s。
　　改變(biàn)流體的(de)入口壓(ya)力得到(dao)不同的(de)入口速(su)度，計算(suan)得到🈚不(bú)同狀态(tài)下的雷(lei)諾數。流(liú)出系數(shù)是通過(guò)孔闆的(de)實際流(liú)量值與(yu)理論流(liú)量值的(de)比值，是(shi)一個統(tǒng)計量，無(wú)法實際(ji)測出。它(tā)與管道(dao)的📞截面(mian)積比、取(qu)壓方式(shi)⛹🏻‍♀️、雷諾數(shù)及管道(dao)情況等(děng)很多因(yin)🔴素有關(guān)。在選用(yòng)孔闆流(liú)量計時(shí)，首先應(ying)考慮孔(kong)闆流量(liàng)計的⭐測(cè)量範圍(wéi)位🔴于流(liú)出系數(shu)爲常數(shù)的範圍(wei)内，以保(bao)證流量(liàng)測量的(de)穩定性(xing)。
　　通過模(mo)拟獲得(dé)孔闆前(qián)後的壓(yā)降，根據(ju)下式進(jìn)行計算(suan)，得出✊流(liú)🔅出系數(shu)。

式中：ρ———水(shui)的密度(du)，kg/m3；
ΔP———上、下遊(you)壓差，ΔP=P1-P2；
β———節(jie)流比系(xì)數。
　　采用(yong)D和D/2取壓(yā)口取壓(ya)，上遊取(qu)壓口的(de)間距爲(wèi)L1，L1取0.9D和1.1D之(zhi)❓間時無(wú)需對流(liu)出系數(shù)進行校(xiao)正，本文(wén)L1取1D，此處(chù)取壓P1；下(xia)遊取壓(ya)口的距(ju)離爲L2，因(yin)爲β=0.7，β>0.6，所以(yǐ)當L2取0.49D和(hé)0.51D之間時(shí)無需對(duì)流出系(xì)數進行(hang)校正，本(ben)文L2取0.5D，此(ci)處取壓(ya)P2。其中，L1、L2均(jun)💋爲從孔(kong)闆上遊(yóu)端面量(liang)起。
　　圖7所(suǒ)示爲C随(suí)Re的變化(huà)關系。可(kě)以看出(chū)，在兩種(zhǒng)情況下(xià)，C均✂️随Re的(de)☀️增加逐(zhú)漸減小(xiǎo)，并在Re增(zēng)加到一(yī)定值後(hòu)趨于常(cháng)數。就工(gōng)程應用(yòng)而言，在(zai)🔞選用孔(kong)闆流量(liang)計時，應(yīng)确保它(tā)的流出(chū)系數落(luò)在常數(shù)區内。由(yóu)圖7可知(zhī)，應選擇(ze)🍉Re在1.3×105～7.2×105之間(jian)。Re=5.6×105時，空化(hua)初生。還(hai)可以看(kàn)🔞出，在Re<7.2×105範(fàn)圍内，引(yǐn)入空化(huà)模型的(de)流出系(xi)數比未(wei)📱引入空(kong)化模型(xing)的流出(chū)系數大(da)；在Re>7.2×105時，未(wèi)引入空(kōng)化模型(xíng)的流出(chū)系數要(yao)大。計算(suan)結果表(biao)明，在流(liu)量計測(cè)量🐪過程(chéng)中，如🛀🏻果(guǒ)流體發(fa)生空化(huà)現象，則(ze)實際流(liú)出☔系數(shu)與沒有(you)考慮空(kōng)化效應(ying)的原計(jì)算值🙇‍♀️會(hui)有偏差(cha)，如果仍(réng)按原流(liú)出系數(shu)計算流(liú)量，則會(huì)引起測(ce)量誤差(cha)。當流體(tǐ)Re在1.3×105～7.2×105範圍(wéi)内，未考(kǎo)慮空🈚化(huà)現象的(de)影響，測(ce)量值會(hui)比實際(jì)值偏小(xiǎo)。


　　永久壓(ya)力損失(shī)是表征(zheng)裝置能(néng)量消耗(hao)的經濟(ji)指标。壓(ya)力🚶‍♀️損失(shī)按照GB/T2624.2———2006的(de)規定進(jin)行計算(suan)，其公式(shi)爲
Δω=（1-β）1.9ΔP（10）
　　圖8所(suǒ)示爲兩(liǎng)種情況(kuàng)下壓力(li)損失Δω與(yu)Re的關系(xi)。模拟結(jié)果♊表明(ming)，在Re<7.2×105時，引(yǐn)入空化(huà)模型的(de)流量計(ji)的壓力(li)損失小(xiao)于未引(yin)📧入空化(hua)模型的(de)✏️；在Re>7.2×105時，引(yin)入空化(hua)模型的(de)流量計(ji)的壓力(li)損失大(da)于未引(yin)入空化(hua)模🐉型的(de)。造成此(ci)種結果(guo)的原因(yin)可能如(ru)下：在該(gai)流量計(jì)的♋流體(ti)流動中(zhōng)壓力損(sǔn)失♊表現(xian)爲靜壓(yā)🏒能轉化(huà)爲内能(neng)，該過程(cheng)中，空化(huà)消耗能(néng)量爲ω1，汽(qi)泡的産(chǎn)生使流(liú)體與管(guǎn)壁摩擦(cā)耗能減(jiǎn)少量爲(wèi)ω2。當🔴ω1>ω2時，表(biao)現爲壓(yā)力損失(shi)增大，對(dui)應Re>7.2×105區🏃🏻域(yu)☔；當ω1<ω2時，表(biao)現爲壓(yā)力損失(shī)減小，對(dui)應Re<7.2×105區域(yu)。由圖可(kě)知，雖然(ran)空化👌的(de)發生對(dui)流量計(jì)的壓力(lì)損失有(yǒu)影響，但(dan)是影響(xiǎng)不大。
3結(jie)束語
　　通(tong)過引入(ru)空化模(mó)型對兩(liǎng)通道非(fēi)标準孔(kǒng)闆流量(liàng)計的流(liu)場進行(hang)模拟，得(de)出以下(xia)結論：
1）随(suí)着入口(kǒu)壓力的(de)增加，雷(léi)諾數逐(zhú)漸增大(dà)，空化數(shù)不斷減(jiǎn)小，在低(dī)壓下空(kōng)化數的(de)變化較(jiao)快，在高(gao)壓下空(kōng)化數🛀🏻的(de)變化較(jiao)慢，說明(míng)空化初(chū)生現象(xiang)容易在(zai)低壓下(xia)發生。因(yin)此在進(jìn)行低壓(ya)、高速的(de)流體測(cè)量時更(geng)應該注(zhù)意空化(hua)現象的(de)發生。
2）當(dang)壓力達(dá)到一定(ding)值時，空(kong)化初生(sheng)發生在(zài)孔闆的(de)上遊端(duān)面🐕靠近(jin)⚽壁面的(de)凸起處(chù)，如果流(liú)量計長(zhang)時間在(zai)這樣的(de)條件下(xià)使用，汽(qì)蝕作用(yong)有可能(néng)造成流(liú)量計節(jiē)流件🍓的(de)磨損，進(jin)而影響(xiǎng)測量的(de)精度。
3）空(kōng)化效應(yīng)對流量(liang)計的測(ce)量精度(dù)有影響(xiǎng)，在一定(ding)的雷諾(nuo)🌐數範圍(wei)内，空化(hua)效應會(huì)引起流(liú)出系數(shù)的變化(huà)，如果在(zài)實際測(ce)量時未(wèi)考慮空(kōng)化效應(yīng)的影響(xiang)，則會造(zao)成流量(liàng)計的測(ce)量誤差(cha)。

以上内(nèi)容來源(yuan)于網絡(luo)，如有侵(qin)權請聯(lián)系即删(shan)除!