目前(qian),在各種工(gōng)業生産中(zhōng)流量的測(cè)量非常重(zhong)要,因此👅各(ge)種各樣的(de) 流量計 層(céng)出不窮。壓(ya)差類的流(liu)量計由于(yu)價格較低(dī)，使用的經(jīng)驗豐富,經(jing)過長時間(jiān)的研究,精(jīng)度越來越(yue)高，所以應(ying)用非常廣(guang)泛”。其中雙(shuang)向内外管(guǎn)壓差流量(liàng)計 具有對(dui)流體的擾(rǎo)動小和獲(huo)得壓差信(xìn)号大的優(you)點❤️田,但需(xu)要😍對雙向(xiang)内外管壓(ya)差流量計(ji)的結構參(can)數進行進(jìn)YI 步🤟的優化(hua)。影響雙🧑🏽‍🤝‍🧑🏻向(xiàng)内外管壓(ya)差流量計(jì)性💚能的參(can)數有很多(duo)，以往的研(yán)究大部分(fèn)是對節流(liu)件的1個或(huò)2個結構參(can)數進行同(tóng)時優化,不(bu)夠全面印(yìn),如果對3個(ge)及以上結(jié)構參數同(tong)時優化，便(biàn)需要進行(hang)大量的仿(páng)真工作，爲(wèi)提高效率(lü)，對仿真軟(ruan)件進行二(er)次開發。傳(chuán)統的仿真(zhen)軟件FLUENT難以(yǐ)滿足需求(qiu)，而COMSOLMultiphys-ics仿真軟(ruan)件可以導(dao)出M文件,在(zai)MATLAB中🚶運行程(cheng)序可以自(zi)🔅動⭐仿真并(bìng)提取數據(ju)，二次開發(fa)難度低甲(jiǎ)。如果COMSOL的仿(pang)真效果達(da)到要求,那(nà)麽在雙向(xiàng)内外管壓(yā)差流量計(ji)的仿真中(zhong),COMSOL仿🔞真軟件(jian)便可取代(dài)FLUENT.
1流量計原(yuan)理
　　雙向内(nèi)外管壓差(chà)流量計的(de)基本結構(gou)如圖1所示(shì)。安裝🐪節🌈流(liu)件的管道(dào)直徑選爲(wèi)32mm。雙向内外(wai)管壓差流(liu)量計節流(liú)件的長度(dù)對流量計(jì)的性能影(yǐng)響可忽略(luè),爲了方便(bian)測量,将節(jiē)流件⁉️大管(guan)長度定爲(wèi)⛱️30mm,節流件的(de)厚度定爲(wèi)2mm。

　　根據(jù)連續方程(cheng)和伯努利(li)方程5的原(yuan)理可知，流(liu)體在通過(guò)❓節❗流件時(shi),在I-I平面，外(wai)流道流體(tǐ)體積壓縮(suo),流速🧡增大(dà),流體壓力(li)減小,而内(nèi)流道流體(ti)擴散,流速(sù)減小，流體(ti)壓力增大(da);在II-II平面♊,内(nèi)外流道比(bi)較平穩，流(liú)速和壓力(lì)都趨于穩(wěn)定:在亞一(yi)I平面🔴,與I-I平(píng)面情況相(xiang)反，外流道(dao)擴散,流🆚速(su)減小，流體(ti)🔞壓力增大(da)，而内流道(dao)流體壓縮(suō),流速增大(dà)，流體壓力(li)減小。如此(cǐ)--來,在II-II段節(jie)流件内外(wài)就會形成(cheng)最大的壓(ya)差:
△P=P内一P外(wai)(1)
式中:△P爲内(nei)外壓差;P内(nei)爲内測點(diǎn)的水壓;P外(wai)爲外測點(diǎn)的水壓。
與(yǔ)傳統壓差(chà)類流量計(ji)的測量公(gong)式類似,流(liu)量Q的計算(suàn)公式爲🥰:

　　式(shi)中:C爲流出(chu)系數;A爲流(liú)道截面積(ji),m2;λ爲等效直(zhi)徑比;ρ爲流(liú)體密度,kg/m3。
　　影(ying)響流量計(ji)測量JINGDU 的主(zhu)要因素是(shì)水頭損失(shi)。水頭損失(shī)包括沿程(chéng)水頭損失(shi)和局部水(shuǐ)頭損失。局(ju)部水頭損(sun)失是指因(yīn)局部邊界(jie)急劇改變(biàn)導緻水流(liú)結構改變(bian)、流速分布(bu)改變并産(chǎn)🥰生旋渦區(qu)而引起的(de)水頭損失(shi)。沿程水頭(tou)損失是⭐指(zhǐ)在固體邊(biān)界平直的(de)水道中，單(dan)位質量的(de)液體自一(yi)斷面流至(zhi)另一🛀斷面(miàn)所損失🧡的(de)機械能，這(zhè)💞種水頭損(sun)失是沿程(chéng)都有,并且(qiě)随沿程長(zhang)度而增加(jiā)。影響局部(bù)水頭損失(shi)的✉️因素主(zhu)要是節流(liú)件異徑比(bǐ)h、節流件的(de)大管半徑(jìng)R,影響沿程(cheng)水頭損失(shī)的因素主(zhu)要是擴散(san)角θ。
2二次回(huí)歸正交試(shi)驗設計.
　　回(hui)歸正交試(shì)驗是在因(yin)素的合理(li)變化範圍(wéi)内選取有(yǒu)限個試🏃驗(yan)點安排模(mó)拟計算統(tǒng)計,根據有(you)限個試驗(yan)點💋建立具(jù)有一定可(kě)信🔅度的回(hui)歸方程，當(dang)各個結構(gou)參數确定(ding)之後，可利(li)用回歸方(fāng)程進行估(gu)算見,。選擇(zé)優化的主(zhǔ)要參數是(shi)異徑比k、擴(kuò)散角θ和節(jie)流件的👉大(dà)管半徑R.采(cai)用二次正(zheng)交回歸組(zǔ)合設計的(de)試驗方法(fǎ)，首先設定(dìng)🌈3個控制參(cān)數的變化(huà)範圍:異徑(jing)比k爲0.5~0.9;擴散(sàn)角θ爲4°~10°;節流(liú)件的大管(guǎn)半徑R爲5~9mm。依(yī)據🤞二次回(hui)歸正交㊙️試(shì)驗的設計(ji)原則，可🈲以(yi)得到各組(zu)試驗的結(jie)構參數見(jian)表1。

3COMSOL與FLUENT仿真(zhēn)對比
　　利用(yong)SolidWorks建立三維(wei)模型,導入(rù)仿真軟件(jiàn)進行網格(gé)劃分。按照(zhào)網格💛劃分(fen)的原則,參(can)數變量變(biàn)化梯度大(da)的區域需(xu)要采⭕用較(jiao)爲密👉集的(de)網格劃分(fen)方法以提(tí)高精度,變(bian)化梯度小(xiǎo)🌈的區域采(cǎi)用較爲稀(xī)疏📧的網格(ge)劃分方法(fa)以節省計(ji)算資源。節(jie)流件🔴前後(hou)的流場劃(hua)分的⛹🏻‍♀️網格(gé)稀疏,節流(liu)件周圍的(de)流場劃分(fen)的網格密(mì)集回。FLUENT仿真(zhēn)軟件劃分(fèn)的網格爲(wèi)非結構四(sì)面體，将整(zheng)個流場進(jìn)行網格劃(hua)分後,網格(gé)數量在30000左(zuo)右,如圖2所(suǒ)示。COMSOL仿真軟(ruan)件劃分的(de)網格❗在靠(kào)近邊界的(de)流場爲六(liù)面體,其他(tā)區域的網(wǎng)格爲非結(jie)構四✌️面體(tǐ),将整個流(liú)場進行網(wang)格劃分後(hou)，網格數量(liàng)在100000左右，如(rú)圖3所示。兩(liang)種軟🔞件的(de)網格劃分(fen)方法相比(bi)較🐆,COMSOL對流場(chang)的網格劃(hua)分更加正(zhèng)🎯确。

　　雙向内(nei)外管壓差(cha)流量計的(de)節流件采(cǎi)用對稱結(jie)構,流場雖(suī)㊙️然被分爲(wei)内外兩個(ge)部分，但在(zai)節流件中(zhōng)部有一🔞-段(duan)穩定流态(tai)的直管段(duàn),當流體流(liú)過節流件(jiàn)後🏃🏻‍♂️，内外兩(liǎng)流道又合(he)并爲一個(gè)流道,其中(zhōng)流體的流(liu).速和壓力(li)逐漸穩定(dìng)，在流場中(zhong)并沒有過(guo)大的壓力(lì)梯🐉度,所以(yǐ)湍流模型(xíng)選擇K-ε模型(xing)。标準的K-ε模(mo)型現已經(jīng)過☔許多改(gai)進,其中🥵RNGk-ε模(mó)型來源于(yú)嚴格的統(tǒng)計技術,提(ti)高了精度(du)和可信度(du),在FLU-ENT仿真中(zhong)可以選擇(zé)RNGK-ε模型[10),但是(shi)在COMSOL仿♋真中(zhōng)隻能籠統(tǒng)地選擇K-ε模(mó)型。
　　仿真介(jie)質選擇液(yè)态水，溫度(dù)20C,爲不可壓(yā)縮流體，出(chū)口❄️條件爲(wei)outflow,試驗均在(zài)入口流速(su)2m/s.的條件下(xià)進行仿真(zhen)。在求解器(qì)的設置方(fang)面,兩種軟(ruǎn)件均選擇(zé)“叠代或容(rong)差”的終止(zhǐ)條件。
　　由于(yú)FLUENT與COMSOL軟件中(zhong)均可設置(zhì)對稱面，因(yīn)此在構建(jiàn)三維模型(xing)時可💁以僅(jǐn)構建半個(ge)流場區域(yù),以方便觀(guān)察截面.上(shang)✊的壓力分(fen)布。在仿真(zhēn)的後處理(li)中,壓力測(ce)量點需要(yao)設置在流(liu)場穩定的(de)區域，故計(jì)算㊙️壓損的(de)前後壓力(li)測量點設(she)置在節流(liú)件的前後(hòu)1個管徑距(ju)離的位置(zhi),計算壓差(chà)信号的兩(liǎng)🔞個壓力測(ce)量點設置(zhì)在節流件(jian)中心和外(wai)流道中心(xīn)0。
4仿真結果(guo)和數據分(fen)析
　　對于雙(shuang)向内外管(guan)壓差流量(liang)計而言,内(nei)外壓差信(xin)号大的條(tiáo)件下,壓損(sǔn)越小越好(hao),故選取内(nèi)外壓差信(xìn)号與壓損(sǔn)的差值，即(jí)壓損差,作(zuò)爲雙向内(nèi)外管壓差(chà)流量計的(de)評價指标(biao)。按照前文(wen)設置的結(jie)構參數建(jiàn)立15組三維(wéi)模型,分别(bié)利用FLUENT與COMSOL進(jin)行仿真,根(gēn)據仿真結(jié)果🔅,記錄内(nèi)外壓✍️差信(xin)号,将COMSOL和FLUENT仿(pang)真數據的(de)差的絕對(dui)值與FLUENT數據(ju)的比值定(dìng)義爲誤差(cha)比，内外壓(ya)差信号數(shu)據㊙️對比見(jiàn)表2,用同樣(yang)的方法記(ji)錄兩種軟(ruan)件仿真結(jié)果的前後(hou)壓損和壓(ya)損⭕差,并計(ji)算出誤差(chà)比,數據對(duì)比見表3、表(biao)4。繪🌈制的誤(wu)差比折線(xiàn)圖如圖4所(suǒ)示。




　　通過觀(guan)察表中數(shu)據可得到(dào)規律:COMSOL仿真(zhēn)數據與FLUENT仿(páng)真數據的(de)誤差📐随着(zhe)FLUENT仿真數據(jù)的增大而(ér)增大。同時(shí)對🥵比折線(xian)圖可發💁現(xian)各組數據(ju)的誤差比(bǐ)均維持在(zai)較低且穩(wěn)定的水平(píng)。這樣的誤(wù)差比對于(yú)後續拟合(hé)二次回歸(guī)方程以及(jí)計🈲算方程(cheng)的最優解(jie)影響很小(xiǎo)。
　　分别導出(chu)一組試驗(yàn)的仿真壓(ya)力雲圖進(jìn)行對比，如(rú)💋圖5、圖🌈6所示(shì)。由圖可知(zhī)，壓力分布(bù)基本相同(tóng)，COMSOL的壓力雲(yún)圖更加立(li)體直觀，視(shì)🐕覺效果比(bǐ)FLUENT更好。


5結束(shù)語
　　以雙向(xiàng)内外管壓(ya)差流量計(jì)節流件的(de)異徑.比h:擴(kuò)散角θ和🏒節(jiē)流件的大(dà)管半徑R3個(ge)結構參.數(shù)爲優化目(mù)标，設計了(le)二次回歸(guī)正交試驗(yan)，分别用FLUENT和(hé)COMSOL進行仿真(zhēn)、記錄數據(ju)。通過COMSOL仿🚶‍♀️真(zhēn)所得🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的數(shù)據與通過(guò)FLUENT仿真所得(dé)的數據相(xiàng)比,雖然有(you)浮動,但是(shì)誤㊙️差比卻(que)維持在一(yi)個較低且(qiě)穩定的水(shui)平,因此，使(shi)用COMSOL代替FLUENT進(jin)行雙向内(nei)外管壓差(chà)流量計的(de)仿真。COMSOL的仿(pang)真♋過程可(kě)保存爲M文(wén)件,方便利(lì)用MATLAB對COMSOL進行(háng)二次開發(fā)，對雙向内(nei)外管壓差(cha)流量計更(geng)多結構參(can)數📱進一步(bù)優化。

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