摘要:因(yīn)多種工況條件無(wú)法滿足測量精度(du)要求，傳統 差壓式(shì)流量計 應用範圍(wei)受到一定限制。基(ji)于多孔整流器和(hé)标準孔闆的流🈲量(liang)測量原理，提出一(yī)種對稱多孔孔闆(pǎn)差壓式流量計 的(de)設計方法。然後對(dui)該流量計進行計(jì)算流體動力學(CFD)數(shu)值計算與仿真分(fen)析，結果表明多孔(kǒng)孔闆差壓㊙️式流量(liàng)計測量精度較标(biao)準孔闆流量計提(ti)高1倍以上，永久壓(yā)力損失減小約1/3。最(zuì)後進行實☎️流試驗(yàn)，試驗結果表明，多(duo)孔孔闆🏃‍♀️流量計比(bi)常規标準孔闆節(jie)流裝置具有明顯(xian)的優勢，其适應性(xing)更好。此設計方法(fǎ)⛷️可爲多孔孔闆流(liú)量計的結構設計(ji)和性能優化提供(gòng)參考。
0引言
　　流量計(ji)量是計量科學技(jì)術的重要組成部(bù)分，廣泛應用于農(nóng)業生産、石油石化(huà)、科學研究、國防建(jian)設以💜及人民生活(huó)的諸多⛱️領域🧡。尤其(qi)在能源危機的後(hòu)經濟時代，流量計(jì)量的重要性日益(yi)突出。相比其它流(liú)量計，傳統差壓式(shì)流量計因結構簡(jiǎn)單、成本低、重複性(xing)好、标準化程度高(gao)等特點得到廣泛(fàn)應用，但隻有在符(fú)合标準要💃🏻求的技(jì)術條件下，才能準(zhun)确地測量🔴流量。然(ran)而🚶‍♀️，工程實際應用(yòng)中，很多工況條件(jiàn)不能滿足上述要(yao)求，從而無法達到(dào)所需要的㊙️測量精(jing)度(雷諾數低于标(biāo)準中推薦的雷諾(nuo)數範圍、測量介質(zhì)中✍️混有泥沙等)進(jìn)而限制了其應用(yong)範圍。
　　爲了改善上(shang)述缺點，非标準差(chà)壓式流量計得到(dào)快速發展和進一(yī)步的應用。基于差(chà)壓原理的多孔孔(kong)闆流量計不但繼(ji)承了标準孔闆流(liu)量計的結構簡單(dan)、無運動部件等優(yōu)點，且能夠平衡調(diao)❓整流場，明顯減少(shǎo)渦流、降低死區效(xiào)應、減少流體動能(neng)💘的損失，是🏃‍♂️目前應(yīng)用最爲廣泛的一(yi)種非标準差壓式(shì)流量計。但在國内(nèi)，多孔㊙️孔闆流量計(jì)的相關核心技術(shù)研究相對較少，實(shí)際應用中要根據(jù)不同🏃‍♂️測量條件來(lai)設計流量計，缺乏(fá)完整的結構參數(shu)設計和性能優化(hua)📱設計準則的指導(dao)，在一定程度💁上遠(yuan)未達到用戶之首(shǒu)選。
　　綜上所述，針對(duì)多孔孔闆流量計(jì)的結構設計和性(xìng)能優化國内💰已有(you)一些研究，但缺乏(fá)統一的設計準🏃則(zé)，不利于工程應用(yòng)。
　　結合多孔整流器(qì)和标準孔闆聯合(he)使用的測量原理(lǐ)，提出🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一種對稱多(duo)孔孔闆差壓式流(liú)量計的設計方法(fǎ)，采用🙇🏻計算流體動(dong)力學(CFD)技術進行數(shu)值計算與仿真分(fèn)析。與标準孔闆對(duì)比分析其流🏒出系(xì)數及永久壓力損(sǔn)👅失等性能指标，分(fen)析結果說明了其(qi)優越⛹🏻‍♀️性。最後通過(guò)實流實驗驗證了(le)設計的合理性。此(cǐ)設計方法可爲多(duō)孔孔闆流量計🌐的(de)結構設計和性能(néng)優化提供一定的(de)參考。
1多孔孔闆流(liú)量計
　　 标準孔闆流(liu)量計 是使用最早(zǎo)、應用最廣泛的一(yi)種差壓式流量計(jì)，具有結構簡單✏️、測(ce)量精度高等特點(dian)。其測量原理爲對(dui)于充滿管道的🏃🏻‍♂️流(liu)體，當它流經管道(dao)内的節流件時，流(liu)體介質将會在節(jie)流件處形💚成局部(bu)收縮，因而流速增(zēng)加，靜🈲壓力降低，于(yú)是在節流件前後(hou)便産生了一定的(de)壓差。流體流量愈(yu)大，産生的壓差愈(yù)大，這樣🔞可依據壓(yā)差來💘衡量流量的(de)大小。根據不可壓(yā)縮流體的連續性(xìng)方程和伯努利方(fang)程，定🐅常流體的體(tǐ)積流量可以通過(guo)如下🤟公式表示［8］:

　　式(shì)中:C爲流出系數，無(wú)量綱;β爲等效直徑(jìng)比，無量綱;D爲孔闆(pǎn)🏃🏻‍♂️直徑;Δp爲壓差，單位(wei)爲Pa;qv爲體積流量，單(dān)位爲m3/s;ρ爲流體介質(zhi)密度。
　　多孔孔闆流(liú)量計具有對稱多(duo)孔結構，是目前最(zuì)先進的差🐆壓式流(liú)量計之一。相比傳(chuan)統差壓式流量計(jì)，不僅結構簡單、安(ān)全可靠、适用面廣(guang)，還具有精度高、直(zhi)管段要求低、量程(chéng)比寬、永久壓損小(xiǎo)🈲等優點。
　　多孔孔闆(pan)流量計的測量原(yuán)理基于能量守恒(heng)定律和質量守✌️恒(heng)定律。流量檢測時(shí)，所測介質在通過(guo)多孔節流整流器(qì)的同時進行流體(tǐ)整流，減小節流裝(zhuāng)置後形成的渦流(liu)，形成較穩定🔴的紊(wěn)流，從而使引壓管(guan)路能夠獲取到較(jiào)穩定的差壓信号(hao)，并進一步通💰過伯(bo)努利方程計算得(dé)出工藝所需體積(jī)流量、質量流量等(deng)參數［12-15］。
2對稱多孔孔(kǒng)闆差壓式流量計(jì)結構設計
　　在工程(cheng)實際應用中，每個(gè)多孔流量計都要(yao)根據不同測量條(tiao)🐆件來設計，其開孔(kǒng)面積、節流孔的大(dà)小、節流孔的具體(ti)形狀、節📱流孔個數(shu)及排列方式等結(jie)構參數均會對多(duō)孔孔闆👌流量計的(de)性能産生影響。由(you)于缺乏完整的結(jie)構參數設計🏃‍♀️和性(xìng)能優化設計準則(ze)的指導，在一定程(chéng)度上限制了其應(yīng)用範圍。對于不同(tóng)的測量函數孔的(de)數量、如何分布函(hán)數孔以及函數孔(kong)的結構等🐕無疑是(shì)最主要的設計參(cān)數，目前🔴還沒有統(tong)一的标準。
　　結合多(duō)孔整流器和标準(zhǔn)孔闆的測量原理(lǐ)，提出并設計流🍉量(liang)計的孔闆結構爲(wei)在節流闆中心一(yī)個圓孔的⛱️基礎上(shang)，對稱分布數量不(bú)等的圓孔，如圖1所(suǒ)示，均勻分布的圓(yuán)孔的總的面積和(hé)标準孔闆的面積(ji)相等。

　　當介(jiè)質流過圓孔時，流(liu)體被平衡調整，渦(wō)流被最小📞化，形成(cheng)近似理想流體，通(tōng)過取壓裝置和變(bian)送器，可📞獲得穩定(dìng)的差壓信✂️号，根💜據(jù)伯努利方程計算(suan)出流🧡體的流量:

　　式(shì)中:Q爲介質流量，單(dān)位爲m3/h;K爲儀表系數(shù);Y爲膨脹系數;Δp爲差(cha)壓👌值，單位爲Pa;ρ爲介(jiè)質工況密度，單位(wei)爲kg/m3。
　　基于以上對稱(chēng)多孔孔闆差壓式(shi)流量計結構設計(ji)🏃的方😍法，以孔闆管(guan)徑80mm、等效直徑比0.45、測(ce)量介質爲常溫水(shuǐ)的⭐條件進行研究(jiū)。首先🧑🏾‍🤝‍🧑🏼建立多孔孔(kǒng)闆流量計的🆚計算(suan)模型，如圖2所示。參(can)照流量測量節流(liu)裝置設計手冊建(jian)立🤩流量計的幾何(hé)尺寸，在流量計測(cè)量的上🈲下遊部分(fen)設計有一定的直(zhi)管段來确保流量(liàng)計在🐅測量的時候(hou)流體的流場處于(yu)一種均勻穩定的(de)狀态并使因節流(liu)而被破壞🐉的流場(chǎng)能☁️夠恢複到節流(liu)前🏃‍♀️的狀态。

3多孔(kǒng)孔闆流量計
　　依據(ju)流量計的設計尺(chǐ)寸，在Creo3.0中建立其三(san)維計算模☁️型，取闆(pǎn)前4D、闆♊後8D的流場區(qū)域作爲計算域，并(bìng)将其導入ICEM專用劃(hua)🚩分網格軟🌈件中進(jin)行網格劃分，網格(ge)的劃分采用💞全六(liù)面🏃‍♀️體結構化網格(ge)的劃分方法，對計(jì)算域進行局部加(jiā)密以保證計算精(jing)度，網格劃分結果(guo)🔆如圖3所示。

　　由于多(duō)孔孔闆流量計的(de)流場情況較爲複(fú)雜，對湍流模型的(de)💋要🈲求較高，本文采(cai)用工程上常用的(de)Standardk－ε湍流模型💔，其方程(cheng)式表述如下［15］:

　　式中(zhōng):k是湍流動能;ε是湍(tuān)流耗散率;ρ是流體(ti)密度;μ是流速;μt是湍(tuān)流粘度;Gk是由層流(liu)速度梯度而産生(shēng)的湍流動能;Gb是由(you)浮力産生的湍流(liu)動能。C1ε、C2ε、C3ε是常量，分别(bié)爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是k方程和💜ε方程(cheng)的湍流prandtl數，分别爲(wèi)❤️σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入口條件爲(wèi)速度入口(velocity-inlet)，出口爲(wei)自由發展出流(outflow)，以(yi)🙇‍♀️各項參🌈數💋的殘差(chà)小于0.00001爲收斂标準(zhun)，分别計算0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等🧑🏾‍🤝‍🧑🏼幾種(zhǒng)入口♻️流速下流量(liàng)計🆚的流場特性。文(wen)中給出幾種典型(xíng)流速條件下的計(jì)算結果，如圖4所示(shì)。


　　由圖(tu)4可以看出，入口流(liu)速在0.2～7m/s時多孔孔闆(pan)流量計下遊速度(dù)彙🏃‍♀️聚趨勢明顯，相(xiàng)比于标準孔闆其(qí)壁面回流區較小(xiǎo)，但随入口流速不(bú)斷增大回流區長(zhang)度随之增大，變化(huà)範📐圍爲0.5D～1.2D。由此可見(jian)，多孔孔闆流量計(jì)尾流流場能夠快(kuài)速進入穩定狀态(tai)。闆前死區較小，且(qie)🔅随流速增大而逐(zhu)漸增大。
　　通過Fluent求解(jie)計算獲得孔闆前(qián)後的差壓值，進而(er)得到流量計的📱永(yong)久壓力損失。取壓(ya)口設置爲上下遊(you)取壓口距離孔闆(pǎn)🛀🏻上下遊端面的距(jù)離爲0.04m，通過在Fluent中定(dìng)義相應取壓面，分(fen)别求取上下遊取(qǔ)壓面的平均壓力(li)值，獲得壓差值和(hé)永久壓力損失值(zhí)如㊙️下表1所示。不同(tong)入口流速下，标準(zhun)孔闆流量計和多(duo)孔孔闆流量計的(de)永久壓力損失的(de)對比情況如表1和(hé)圖5所示。

　　由表1和圖(tu)5可以看出，随着入(ru)口流速的不斷增(zeng)大，多孔👄孔闆流量(liàng)計的永久壓力損(sun)失呈逐漸增大的(de)趨勢;相比于标準(zhǔn)孔闆流量計，由于(yú)渦流的減少，多孔(kǒng)孔闆流量計具有(you)更小的永久❓壓力(lì)損失，永久壓力損(sǔn)失較标👌準孔闆節(jiē)流裝置降🔴低約1/3。
　　圖(tú)6所示爲不同流速(su)下，多孔孔闆和标(biāo)準孔闆流量計的(de)㊙️流出🐆系數對比曲(qǔ)線。由圖6可知，多孔(kong)孔闆流量計的流(liu)出系數較标準孔(kǒng)闆流出系數有明(ming)顯提高，同時随着(zhe)流速的變化🈲流出(chū)系♌數能夠保持良(liang)好的穩定性。

　　爲了(le)檢驗所設計的多(duo)孔孔闆差壓流量(liàng)計的性能🙇🏻指🙇‍♀️标，和(he)标準孔闆節流裝(zhuāng)置進行了實流試(shì)驗，結合現場使用(yòng)反饋情況，其性🐪能(neng)指标對比如表2所(suǒ)示。

4結論
　　以(yi)管徑80mm、節流比β=0.45的多(duō)孔孔闆爲對象，通(tōng)過對不同入口流(liu)速🈚下的多孔孔闆(pǎn)流量計進行分析(xī)，得出此種流量計(ji)節流件前後産生(sheng)的渦流大大降低(di)，無需很長的直管(guǎn)段整流，顯著❤️提高(gāo)了測量精度;永久(jiu)壓力損失由于🚩渦(wo)流的減✨少較标準(zhǔn)🏒孔闆節流👣裝置降(jiang)低了約1/3。試驗對比(bǐ)分析表明，多孔孔(kǒng)闆流量計比常規(guī)标準孔闆節流裝(zhuang)置具有明顯的優(yōu)勢，其适應性更🌈好(hǎo)。

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