摘要:多(duo)孔孔闆差壓式流(liú)量計 因其快速平(píng)衡調整流場和有(you)效降低壓力損失(shī)等能力得到廣泛(fàn)應用,但其尚缺乏(fa)完整的結構參數(shù)設計和性能優💃🏻化(hua)設計準則。針對提(tí)出的對稱多孔😘孔(kong)闆差壓式流💜量計(ji)進行實流試驗,研(yan)究其計量性能并(bing)與數🐅值模拟結果(guo)進行對比分析,結(jie)果表明,對🐪稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liang)計可有效提🐇高計(jì)量精度(+0.5%)、降低壓力(li)損失,具有更好的(de)适應性,試驗結果(guo)與數值模拟結果(guo)具有一緻性⭕,驗證(zheng)了數值模拟的正(zhèng)确💛性并對新型流(liú)量計❗進行了标定(dìng)，研究結果可有效(xiao)拓寬 多孔孔闆流(liu)量計 的應用範圍(wéi)。
0引言
　　流量計量是(shì)工業生産的眼睛(jīng),廣泛應用于科學(xue)研究、工農業✊生産(chǎn)、國防建設以及人(ren)民生活等領域，諸(zhū)🚩多流量計中,傳統(tǒng)差壓式流量計因(yīn)其結構簡單、成🤩本(ben)低、實驗數據豐富(fù)、标準化程度高等(deng)優點,應用最爲廣(guang)泛。但❓在實際應用(yong)中很多💚工況條件(jiàn)無法滿足測量要(yào)求(如低于标準中(zhong)推薦的雷諾數範(fàn)圍、測量🏒介質中混(hun)有泥👄沙等),進而限(xian)制了其應用範圍(wei)。
　　在這些情況下,非(fēi)标準 差壓式流量(liang)計 得到快速發展(zhan)和進一步的應用(yòng)，目前最具代表性(xìng)的非标🔱準差壓式(shì)流量計主要有錐(zhui)形流量計和多孔(kong)孔闆流量計🧡多孔(kǒng)孔闆流量計不但(dan)繼承了标準孔闆(pan)流量計的優點，而(ér)且能夠⛹🏻‍♀️快速平衡(héng)調整流場，明顯減(jiǎn)少渦流、降低死區(qū)效應、減少流體動(dòng)能損失♍,在國際上(shang)引起廣泛關注，自(zì)2006年被引進我國市(shi)場以💰來,得到廣泛(fàn)應用。但因涉及商(shāng)🔆業機密,多孔孔闆(pan)流量計的結構參(cān)數與流出系數等(děng)計算公式未曾公(gong)開✏️。爲了掌握該流(liú)量👉計的核心技術(shù),國内科研技術🐆人(ren)員對其⛱️進行了大(da)量研究，主⁉️要集中(zhong)于孔闆結構參數(shù)優化及計量㊙️性能(néng)等方面.[448。目前,實際(jì)應用中要🔴根據不(bu)同測🏃‍♀️量條件來設(shè)計流量計，缺乏完(wán)整的結構參🔅數設(she)計和性能優化設(she)計準則指導。
　　對多(duo)孔孔闆流量計進(jìn)行了大量的研究(jiu)工作,結合多🆚孔整(zhěng)‼️流器♍和标準孔闆(pan)聯合使用的測量(liang)原理,提出了一種(zhong)對稱多孔孔闆💰差(cha)壓式流量計的設(shè)計方法(即在中心(xīn)節流孔周㊙️圍均勻(yun)環形分布若幹孔(kǒng)),采用CFD數值模拟預(yù)測了其内部流場(chang),并研究了孔數量(liang)對多孔孔闆流量(liang)計流場特性的影(ying)響規律[920但數值模(mó)拟隻能爲研究提(ti)供方向性的指導(dǎo)，并不能很好的指(zhi)導實🆚際生産。本文(wen)基于數值模拟結(jié)果搭建對✂️稱♍多孔(kong)孔闆差壓式流量(liang)計實流标校試驗(yan)平台,對其計量性(xing)能進行試驗研究(jiu)，檢驗了CFD設計成果(guǒ)的有效性,并對新(xin)型流🈲量計進行了(le)标定。
1多孔孔闆流(liu)量計
　　課題組提出(chū)并設計的多孔孔(kǒng)闆流量計結合了(le)多孔🥵整流器和标(biao)準孔闆的測量原(yuán)理,基本結構爲在(zài)節流🔞闆中心一♋個(ge)圓孔的基礎上,對(dui)稱分布數量不🌐等(deng)的圓孔,如圖1所示(shi),均勻分布的圓孔(kǒng)的總面積和标準(zhun)孔闆的開孔面積(jī)相等。流量計整體(ti)🏒結構如圖2所示。

　　多孔孔(kǒng)闆流量計的測量(liàng)原理是以能量守(shou)恒定律和質😄量㊙️守(shou)恒定律爲基礎的(de),即在流量檢測時(shi),所測介質👣流過圓(yuán)孔的同時進行流(liú)體整流，減小節流(liú)裝置後形成的渦(wo)⭐流,形成較穩定的(de)紊流(近似理想流(liu)體),從而獲得穩定(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;K爲(wèi)儀表系數;Y爲膨脹(zhàng)系數;△p爲差壓值(Pa);ρ爲(wèi)介質工況密度。
2數(shù)值模拟
　　針對設計(ji)的對稱多孔孔闆(pǎn)差壓式流量計,分(fèn)别對開📐孔數量👌爲(wei)1.4、5.7(孔的分布位置如(rú)圖3所示,參數如表(biǎo)1所示)的流量計采(cǎi)用CFD數值模拟技術(shù)分析了其内部流(liú)場情況,如圖4所示(shì)，研究了孔數量對(duì)多孔孔闆流量計(ji)流場特性的影響(xiang)規律,得出對稱多(duo)孔孔闆差壓㊙️式流(liu)量計具有可降低(di)節流件前後渦流(liu)、快速平衡♻️内部流(liú)場(前後直管段要(yào)求:前💞1D~3D,後0.5D~1D,其中D爲通(tong)流直徑)、提高測量(liang)精度、降🐆低壓力損(sǔn)失、适應性更好的(de)優點，随着孔數量(liàng)的增加壓力損失(shī)逐漸降低、流出系(xi)數提高的結論。
3試(shi)驗标校平台的組(zǔ)成
　　爲了驗證數值(zhi)模拟的正确性,搭(da)建對稱多孔孔闆(pǎn)差壓式✏️流量計試(shì)驗标校平台,由對(duì)稱多孔孔闆差壓(yā)式流量⭐計、截😘止閥(fa)、 差壓變送器 、流量(liang)調節閥、 電磁流量(liàng)計 、水泵和水槽及(jí)管路系統組成,如(ru)圖5所示,其中對稱(chēng)🏃多孔♻️孔闆差壓式(shì)流量計和電磁流(liú)量計與試驗管道(dao)均通過法蘭♈連接(jie)。試驗過程中,流量(liàng)計工裝示意圖如(ru)圖6所示。
　　工作原理(lǐ)如下:通過試驗管(guan)路變頻調速水泵(bèng)及上遊側流量調(diao)節閥開度的适當(dang)調節,獲得流速0~7m/s連(lian)續可調的流體介(jiè)📧質,并采用高精度(dù)電磁流量計(作爲(wei)标準器具,精度🌏+0.2%R)測(ce)量實際流量(流速(su)),利用高準.确度差(cha)壓變送器(EJA110E系列、量(liàng)程0~100kPa、精度+0.065%FS)測量壓差(chà)值及壓力損失值(zhi)。
　　爲了與數值模拟(nǐ)結果進行比較,相(xiang)應設置保持一緻(zhì)性:介質采用水(環(huan)境溫度5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大氣(qì)壓力86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管路規(guī)格DN80(節✨流元件上下(xia)側直管段長度約(yuē)爲5m,充分保證了多(duo)孔平衡流量計測(cè)量中對前後直管(guǎn)段研究❤️的要求),取(qu)壓方式爲法蘭取(qǔ)壓(上下遊取壓孔(kong)軸線🚶距離多孔流(liú)量計節流件上下(xia)遊端面均爲25.4+0.5mm)。其他(ta)參🌈數爲介質水密(mi)度ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mPa.s、流東(dong)膨脹系數e=1。實😘流試(shì)驗現場如圖7所示(shì)，試驗用對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liang)計如圖8所示。

4試驗(yan)結果分析
　　按要求(qiú)搭建試驗标校平(píng)台,進行實流試驗(yan),獲得流量計🍓試驗(yan)🔞的差壓與壓力損(sun)失值,如表2所示，并(bìng)與數值模拟結果(guǒ)進行對比,爲了更(geng)爲直觀和分析的(de)方便,将不同開口(kǒu)數量流量計的壓(yā)力損失值繪制成(chéng)曲線,如圖9所示。

　　由(you)圖9可以看出，對稱(cheng)多孔孔闆差壓式(shi)流量計的壓力損(sun)失比🌈标準孔闆流(liu)量計的要小一些(xie)，并且随着孔數的(de)增加壓力損失呈(cheng)現逐漸減小的趨(qu)勢。
　　流出系數是評(píng)價節流式儀表性(xing)能的最重要參數(shù)😘之

　　爲實際流量與(yu)理論流量的比值(zhi),是統計量,受設計(jì)、制造、安裝及使用(yòng)條件的影響。根據(ju)不可壓縮流體的(de)連續性✍️方程🈚和伯(bó)努利方程,定常流(liu)體的體積流量爲(wèi):


注:每點标準表數(shu)值Q、差壓值△P、壓損值(zhí)δ記錄3次,爲了節省(sheng)篇幅🆚,取🔱其平均值(zhí)進行表格相應欄(lan)的填寫
　　式中:C爲流(liu)出系數,無量綱;β爲(wei)等效直徑比，無量(liang)綱(β2=A0/A,其中✨A0爲孔闆📞節(jie)流孔開孔面積,A爲(wèi)管道截面面積);d爲(wèi)孔闆節流孔等效(xiao)直徑;△p爲壓差;q,爲體(ti)積流量;ρ爲流體介(jie)質密度。
依據式(2)，确(què)定流出系數C的數(shù)值:

　　結合實驗數據(jù)和式(3)得不同開口(kou)數量流量計的流(liu)出系數,如表♌3所示(shi),爲了與數值模拟(nǐ)結果進行直觀對(dui)比🌈，将不同開口數(shu)量流量計的流出(chu)系數繪制成🙇🏻曲線(xiàn),如圖10所示。
　　由圖10可(kě)以看出,對稱多孔(kong)孔闆差壓式流量(liàng)計的流出系💯數比(bǐ)🏒标準孔闆流量計(ji)的要大一些(對于(yú)标準孔闆,其試👈驗(yàn)範圍内📧流出🛀系數(shù)平均值爲0.6140,對于多(duō)孔㊙️孔闆流量計其(qí)試驗範圍内流出(chū)系數平均值爲4孔(kong)孔闆0.6221、

5孔孔闆0.6268.7孔孔(kong)闆0.6346),随着孔數增加(jiā)流出系數呈現逐(zhu)漸增大🈲的趨勢。
　　結(jié)合圖9和10,試驗結果(guǒ)和數值模拟計算(suàn)的結果相比,壓力(li)♋損⛷️失與流出系數(shu)的變化趨勢完全(quan)一緻,但在數值上(shàng)存在一定偏差,誤(wu)差在8%。
流出系數的(de)系統誤差e爲:

　　式中(zhong):C0爲理論流出系數(shù)，計算方法依據國(guó)際标準IS05167--2003的規定;Ci爲(wèi)實際😘流出系數的(de)平均值。
　　若忽略管(guan)道制造和安裝誤(wù)差以及溫度、流體(ti)密度的影響,依據(jù)式(3)可以得到:

　　對于(yú)電磁流量計(标準(zhun)表)精度爲0.2級,EJA110E高精(jīng)度壓差傳感器(變(biàn)送✌️器)的精度爲+0.065%,經(jing)計算,流出系數的(de)不确定度爲4孔+0.467%、5孔(kǒng)📱士.0.439%.7孔+0.446%,即流㊙️出系數(shù)的誤差均不超過(guo)士0.5%,由此并基于流(liú)出🐪系數定義可見(jiàn)✉️流量計的計量精(jing)度爲0.5%。
5結論
　　本文對(duì)多孔孔闆差壓式(shì)流量計進行了實(shi)流試驗,分析了标(biāo)準孔闆與對稱多(duo)孔孔闆流量計的(de)計量性能并與數(shu)值模拟結果進行(háng)對比,結論如下。
1)實(shi)流試驗結果與CFD數(shù)值模拟結果在趨(qū)勢上體現出👈完全(quán)的😘一緻🌐性,但在數(shu)值上存在一定的(de)偏差,因此CFD計算結(jié)果🔞并不能完全代(dai)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻替試驗研究的成(chéng)果。但是這種偏差(cha)并不是很大，作爲(wèi)工程上的估算其(qí)精度能夠滿足要(yào)求。
2)通過對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liàng)計的實流标定,結(jié)果顯示流出系數(shu)C相對于标準孔闆(pan)流量計有較大的(de)提高,量程範圍大(da)大拓寬,是一種可(ke)以應用于實際測(ce)量的新型流量計(jì)産品。具體性能指(zhi)标如下:精度+0.5%;前後(hòu)直管段要求🌈爲前(qián)1D~3D,後0.5D~1D。
3)對稱多孔孔闆(pǎn)差壓式流量計具(jù)有壓力損失小、流(liu)出系數🔆高🌂、适♉應性(xing)好等特點，完全可(ke)以直接應用于工(gong)程中目前該🛀🏻流量(liang)計已經在市場得(de)到應用,一定程度(dù)上💜拓寬了🐅其應用(yòng)範圍

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