多孔孔(kong)闆流量(liang)計 是一(yi)個對稱(cheng)的多孔(kong)圓盤,是(shì)在标準(zhǔn)孔闆基(ji)礎上發(fa)展起來(lai)的非标(biao)準節流(liu)裝置.2006年(nian)該流量(liàng)計被引(yin)入中國(guó)市場，開(kai)始應♌用(yong)于📞天然(rán)氣、化工(gong)、煉油等(děng)工業領(lǐng)域.從相(xiàng)關文獻(xian)[-3]可以看(kàn)出該流(liú)量計具(ju)有比标(biao)準孔闆(pan)更爲出(chū)色的計(jì)量性🤞能(neng),如測量(liàng)精度高(gāo)、量💘程範(fàn)圍寬、壓(ya)力損失(shī)小、前後(hou)直管段(duan)要求低(di)等優點(diǎn).多孔孔(kǒng)闆🙇‍♀️流量(liang)計結構(gòu)☀️參數多(duō),如節流(liú)孔㊙️的大(da)小、個數(shù)及排列(liè)🌈方式等(deng),優化結(jié)構參數(shù)是提高(gāo)多孔🈲孔(kong)闆流量(liang)計性能(neng)的前提(tí)條件.實(shí)現🙇‍♀️這一(yi)研究有(yǒu)實流實(shí)驗和數(shù)值模拟(ni)2種方🏒法(fa).數值模(mo)拟🈚方法(fa)是研究(jiū)流量傳(chuan)感器特(te)性的有(you)效手段(duan)之🔆--,既可(kě)降低成(chéng)本,又可(kě)提高效(xiao)率.目🐇前(qian),關于對(duì)多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計✌️流場(chang)仿真方(fāng)法的研(yán)究國内(nei)外尚鮮(xian)見文獻(xiàn)報道😍.
　　因(yīn)此,在對(dui)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的研(yán)究過程(cheng)中引入(rù)該方法(fa)，一-方面(miàn)可以加(jia)速研究(jiu)進程，另(lìng)一方面(mian)通過選(xuǎn)擇合适(shi)的計算(suan)模型🏃‍♂️提(ti)高多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計流(liú)場計算(suan)的正确(què)率.
1湍流(liu)模型的(de)選擇
　　由(yóu)于目前(qián)尚無對(duì)流場具(jù)有普适(shì)性的湍(tuān)流模型(xíng)，科研人(rén)員隻能(neng)✌️根據流(liu)場概況(kuang)選擇相(xiàng)對合理(li)的湍流(liu)模型🈲.在(zai)近幾年(nián)💰的研🤞究(jiū)中，k-湍流(liú)模型被(bei)廣泛應(yīng)用，上述(shu)研究取(qu)得較🏃🏻‍♂️好(hǎo)的效果(guǒ)，這說明(míng)雙方程(chéng)形式的(de)k-0模✔️型在(zài)計算近(jin)壁區流(liu)場、含有(you)尾渦及(ji)剪切層(ceng)等流場(chang)🌈具有較(jiao)好的計(jì)算效果(guǒ).
　　由于多(duō)孔孔闆(pǎn)孔分布(bu)具有分(fèn)散性，流(liu)體經過(guò)多孔孔(kong)闆後在(zài)管道中(zhong)形成受(shòu)限性多(duo)股射流(liú).射流自(zi)孔口出(chu)🏃‍♂️射後與(yǔ)周圍靜(jìng)止流體(tǐ)間形成(cheng)速度不(bú)連續的(de)間斷面(mian)，速度間(jian)斷面是(shi)不穩定(ding)的，必定(ding)會産生(sheng)波動，并(bing)發展成(cheng)漩渦，從(cong)而引起(qi)紊動.這(zhe)樣就把(ba)原來周(zhou)圍處于(yú)靜止狀(zhuàng)态的流(liú)體卷吸(xi)到射流(liú)中，形成(cheng)射流的(de)🤩卷吸現(xiàn)象7.根據(jù)文獻[7]中(zhong)的雙股(gu)射流理(lǐ)論，流體(ti)經過❗多(duo)孔孔闆(pan)後多股(gǔ)射流間(jiān)形成會(huì)聚區，最(zui)終合而(er)爲一進(jìn)人聯合(he)區.由于(yú)🤟卷吸現(xian)象的存(cun)在，會聚(jù)區内形(xíng)成射流(liu)間回流(liú)區，各股(gǔ)射流與(yǔ)壁面之(zhī)間産生(sheng)近壁面(miàn)回流區(qu)，在壁面(miàn)回流區(qu)和射流(liú)間回流(liú)區中有(yǒu)大量的(de)漩渦存(cun)在，流場(chǎng)如圖🏃1所(suo)示.

　　由于(yú)射流與(yǔ)周圍靜(jìng)止流體(tǐ)的卷吸(xi)與摻混(hùn)，相應地(di)❓産生了(le)對射流(liu)的阻力(li)，使射流(liu)邊緣部(bù)分流速(su)降低，難(nán)以保持(chi)原來的(de)初始流(liu)🐪速.射流(liu)與周圍(wéi)流體的(de)摻混自(zi)邊緣部(bu)分向中(zhong)心發展(zhan)，經💘過一(yi)-定的距(ju)離發展(zhan)到射流(liu)中心，自(zì)此以後(hòu)射流的(de)全斷面(miàn)上👣都發(fā)展成湍(tuan)流.由孔(kǒng)口㊙️!邊界(jie)開始向(xiang)🏃‍♂️内外擴(kuo)展的🤞摻(chān)混區即(jí)爲剪切(qiē)層，因此(ci)，流體經(jing)過多孔(kong)孔闆形(xing)成的多(duo)股♈射流(liú)🛀流場中(zhōng)存在較(jiào)多的剪(jian)切層.綜(zōng)上所述(shu)，多孔孔(kong)闆流量(liàng)計的流(liú)場情況(kuang)較爲複(fu)雜，這就(jiù)要求🐇湍(tuān)流計算(suàn)模型對(dui)含有大(da)量漩渦(wo)及🈲剪切(qiē)層的流(liu)場具有(yǒu)較📧好的(de)🔞計算效(xiào)果;由于(yú)多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計采用(yong)壁面取(qǔ)壓方式(shì)，該取壓(ya)方式要(yao)求湍流(liu)計算模(mó)型對近(jìn)壁區域(yu)有🙇🏻較好(hǎo)🎯的計算(suàn)效果.
　　基(jī)于上述(shù)兩方面(miàn)原因，采(cǎi)用雙方(fang)程形式(shi)的Standardk-?模型(xing)、SSTk-模型以(yǐ)及Standardk-c+SSTk-組合(he)形式分(fen)别對10塊(kuai)100mm口徑、β=0.6的(de)多孔孔(kong)闆進行(háng)了數值(zhi)模☀️拟與(yu)♌實流實(shí)驗，流速(sù)範圍爲(wei)0.5~7.5m/s.本文選(xuan)擇了其(qi)中3塊具(jù)有代表(biao)性的多(duo)孔孔🈚闆(pan)對結果(guo)進行說(shuō)明.
2湍流(liu)模型
　　Standardk-模(mo)型是一(yī)個通用(yòng)雙方程(cheng)湍流模(mo)型18-9],其中(zhōng)一個變(bian)量♋是🔞湍(tuan)✉️動能k，另(ling)一個變(biàn)量爲耗(hao)散率.Standardk-?模(mo)型是基(ji)于Wilcoxk-模型(xing)，該模型(xing)對🌈近壁(bi)區域的(de)流動、尾(wei)流、射流(liu)、剪切層(ceng)及低雷(léi)諾數流(liú)動有💯較(jiào)好的預(yu)測效果(guǒ).SSTk-0模型是(shì)由Menter提出(chū)的雙方(fang)程湍🐅流(liu)模型，該(gāi)模型不(bú)但集成(chéng)了Standardk-模型(xing)特點與(yu)🐇Standardk-模型對(dui)高雷諾(nuo)數流動(dong)具🚶有較(jiào)好計算(suàn)效果的(de)優點，而(er)且增加(jia)了橫向(xiàng)擴散導(dao)數項，在(zai)湍流黏(nián)度定義(yi)中考慮(lü)了湍流(liu)剪切應(ying)力的傳(chuán)輸過程(cheng).其模型(xing)爲


3建模(mó)網格剖(pōu)分
3.1多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計的(de)幾何結(jie)構
　　圖2爲(wei)多孔孔(kong)闆流量(liang)計結構(gou)，其中圖(tu)2(a)爲流量(liàng)計的整(zhěng)體結構(gou)🈲，圖2(b)爲多(duo)孔孔闆(pǎn)的結構(gou)及參數(shu)定義.圖(tú)2(b)中D爲多(duo)孔孔闆(pan)流量♋計(ji)的管徑(jing);D1爲中心(xin)節流孔(kong)直徑;D2爲(wei)環狀排(pái)列㊙️孔直(zhí)徑;D3爲環(huan)狀排列(lie)孔的中(zhōng)心🔆圓直(zhi)徑;多孔(kǒng)孔闆中(zhong)心節流(liú)孔與環(huan)形排列(liè)孔之間(jiān)的距離(lí)爲d,環形(xing)排列孔(kong)與管壁(bi)之間的(de)距離爲(wèi)d2.圖3爲多(duō)孔孔闆(pǎn)實驗樣(yang)機,dh、dh的大(dà)小決定(ding)了射流(liú)間回流(liú)區及壁(bì)面🈲回流(liú)區的尺(chǐ)寸，因此(ci)表1中給(gei)出了各(gè)樣機的(de)d1、d2的具體(ti)數值.

3.2網格(ge)剖分
　　按(àn)照流量(liang)計的實(shí)際尺寸(cun)在GAMBIT中建(jiàn)立三維(wéi)計算模(mo)型，前直(zhí)管段長(zhang)度設置(zhì)爲10倍管(guan)徑，後直(zhi)管段長(zhang)度設置(zhì)爲30倍管(guan)徑✊.爲了(le)正确獲(huo)得多孔(kǒng)孔闆附(fu)近的流(liú)場變🧑🏽‍🤝‍🧑🏻化(huà)情況，多(duo)孔孔💚闆(pǎn)附近采(cǎi)用sizefunction函數(shu)進行🧑🏽‍🤝‍🧑🏻加(jiā)密處理(lǐ)，特别在(zai)多孔孔(kong)闆的下(xià)遊，加密(mi)區域更(geng)大，而在(zài)遠離多(duo)孔孔闆(pan)的上下(xià)遊直管(guan)段區域(yù)的網格(ge)逐漸變(bian)得稀疏(shu)，最密處(chù)網格尺(chǐ)寸與兩(liǎng)側稀📧疏(shu)處的比(bǐ)爲1:5.網格(gé)質量爲(wèi)EquiSizeSkew值爲0.75,EquiAngleSkew值(zhi)爲0.80，AspectRatio值爲(wei)1.0:
3.4.圖4爲多(duō)孔孔闆(pan)B仿真模(mó)型局部(bù)網格.

4計(jì)算結果(guo)分析
　　衡(heng)量湍流(liu)模型對(dui)節流式(shi)流量計(ji)數值計(jì)算效果(guǒ)優劣标(biāo)準如下(xià)♋.
(1)在同樣(yang)的流量(liàng)範圍内(nei)，比較數(shù)值計算(suan)得出的(de)流出系(xi)數🛀C與實(shí)流實驗(yàn)結果是(shì)否具有(you)一緻性(xìng);
(2)通過對(dui)不同物(wu)理量的(de)流場分(fèn)析，判斷(duan)計算結(jie)果是🚶否(fǒu)🔴與相應(yīng)流🌈體力(lì)學理論(lùn)-緻.
4.1流出(chu)系數C的(de)計算結(jié)果與分(fèn)析
節流(liu)式流量(liàng)計測量(liang)不可壓(ya)縮流體(ti)的體積(jī)流量計(jì)算🌈公式(shì)爲

　　式中(zhōng):qv爲體積(ji)流量，m/s;Ap爲(wèi)上下遊(you)取壓點(dian)測得的(de)差壓值(zhi)，Pa,在仿真(zhēn)實驗中(zhōng)，來自流(liu)場數值(zhí)計算結(jié)束後壓(yā)力場數(shù)據的提(ti)取，在實(shí)流✔️實驗(yàn)中則直(zhi)接來自(zi)差壓變(biàn)送器 的(de)讀數;ρ爲(wei)流體的(de)密度,kg/m3;β與(yu)d分别是(shi)多孔孔(kong)闆的等(deng)效直徑(jìng)🏃‍♂️比和節(jiē)流孔的(de)等效直(zhi)徑，在實(shi)驗中均(jun1)爲确定(ding)👌的幾何(hé)參數;C爲(wei)節流👣式(shì)流量計(ji)的流出(chū)系數，該(gai)參數是(shì)從仿🏃‍♀️真(zhen)計算或(huo)者是實(shí)流實驗(yan)中得🛀出(chū)，因此節(jie)流式流(liú)量計的(de)流出系(xì)🧡數C是評(ping)價節流(liú)式儀表(biao)性能的(de)最重要(yao)參數.
爲(wei)了便于(yú)書寫，Standardk-、SSTk-、Standardk-+SSTk-?分(fen)别采用(yong)如下縮(suō)寫形式(shi):
　　STD、SST,STD+SST.圖5~圖7是(shì)STD模型、SST模(mo)型及STD+SsT組(zǔ)合形式(shì)在同一(yi)雷諾數(shù)範圍内(nei)對🔅不同(tóng)🌍結構的(de)多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計計算(suan)得出的(de)流出系(xi)數C.值和(hé)實🌐流實(shí)驗值(EXP)的(de)比較.每(mei)個湍流(liú)模型的(de)8個仿真(zhen)實驗點(diǎn)對應人(ren)⚽口流速(sù)分别爲(wèi)⭐0.5m/s.1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s、6.0m/s和7.5m/s.
　　在數(shù)值計算(suan)過程中(zhong)，對于多(duo)孔孔闆(pǎn)A、B,SST模型在(zài)計算過(guò)🏒程中⭕發(fa)散.從圖(tu)5~圖7可以(yi)看出,在(zài)這3種數(shu)值計算(suàn)方式🔴中(zhong)，SST模型或(huò)STD+SST模式計(jì)算得到(dào)的流出(chu)系數C在(zài)變化趨(qu)勢🛀🏻與實(shi)流實驗(yan)結🚩果吻(wen)合得最(zui)好;STD模型(xíng)計算得(de)到的流(liu)出系數(shu)C的變化(huà)趨勢與(yu)實流實(shi)驗之間(jiān)有🔞輕微(wēi)的差異(yì),但總體(ti)趨🙇‍♀️勢--緻(zhi).

　　表2和表(biǎo)3中定量(liang)地給出(chū)了采用(yòng)各數值(zhí)計算方(fang)法得出(chu)的計算(suan)結果.表(biao)2中定量(liang)地給出(chu)了采用(yòng)各數值(zhi)計算方(fang)法得到(dào)的流出(chu)系數💋平(píng)均值、實(shí)流實驗(yàn)得出的(de)流出系(xì)數平均(jun1)值及其(qí)平均值(zhí)💜相對誤(wu)差,該誤(wu)差定義(yì)爲

　　表3中(zhong)定量地(dì)給出了(le)采用各(ge)數值計(jì)算方法(fa)得到流(liu)出系數(shu)線性度(du)ELA以及實(shí)流實驗(yan)得出的(de)流出系(xì)數線性(xìng)度ELE,計算(suàn)流出系(xi)數線性(xìng)度的表(biao)達式爲(wèi)

式中:Cmaxs爲(wèi)所有流(liú)量點中(zhong)流出系(xì)數最大(da)值;Cmin爲所(suǒ)有流量(liang)點中流(liu)出系數(shu)最小值(zhí).

　　從表2中(zhong)可以看(kan)出,對于(yú)多孔孔(kong)闆C,3種計(ji)算模式(shì)均收斂(liǎn),STD模☔型計(ji)算結果(guo)的相對(duì)誤差爲(wei)6.90%,SST模型與(yu)STD+SST模式計(jì)算👄結果(guǒ)的相對(dui)誤差較(jiao)小，分别(bié)爲4.30%與4.20%.對(dui)于多孔(kǒng)孔闆A與(yu)💃B,STD模型與(yǔ)STD+SST模式計(jì)♉算結果(guo)♉的相對(dui)誤差均(jun)較小,其(qí)中STD+SST模式(shì)對多孔(kong)孔闆計(ji)算結果(guo)的相對(dui)誤差随(suí)🌈着d2值的(de)減小而(er)減小從(cong)🎯表3中可(ke)以看出(chū)，利用STD+SST模(mó)式計算(suàn)多孔孔(kong)🔞闆可以(yi)較好地(di)反映出(chū)不同形(xíng)式多孔(kong)孔闆的(de)流出系(xi)數線性(xìng)度.
4.2不同(tóng)物理量(liàng)流場分(fen)析
(1)從上(shàng)述分析(xī)可知,分(fèn)别用STD湍(tuān)流模型(xing)和STD+SST組合(he)模式計(jì)算多孔(kong)孔闆🏃‍♀️A、B得(dé)出的流(liú)出系數(shù)計算結(jié)果與實(shí)流實驗(yàn)結果相(xiang)對誤差(chà)均較小(xiǎo)，但是速(sù)度場和(hé)湍流強(qiang)度場卻(que)有很大(dà)差别，如(rú)圖8~圖13所(suǒ)示.Standardk-?湍流(liú)模型對(duì)高雷諾(nuò)數湍流(liu)及具有(you)自由剪(jian)切層的(de)湍流具(jù)有很好(hao)的計算(suàn)效果，SST模(mo)型中集(jí)成了Standardk-湍(tuan)流模型(xing)的這一(yī)優點，所(suo)以♌利用(yong)STD+SST模式仿(pang)真多孔(kǒng)孔闆A得(dé)到的下(xià)遊速度(dù)流場具(jù)有明顯(xiǎn)的☂️會聚(ju)趨勢，符(fú)合文獻(xian)[4]中的雙(shuāng)股理論(lun)，而利用(yong)STD仿真多(duō)孔孔闆(pǎn)A得㊙️到的(de)下遊射(she)流沒有(yǒu)明顯會(hui)聚趨勢(shi).多孔孔(kong)闆B的速(su)度📧場雲(yún)圖雖然(rán)符合射(she)流理論(lùn)🤟，但是利(lì)用STD+SST模式(shi)計算的(de)湍流強(qiáng)度場中(zhong)湍💞流強(qiang)度最♌大(da)的位置(zhi)在射流(liú)的剪切(qiē)層🔆中，與(yǔ)文獻[10]結(jié)論-緻.因(yīn)此可以(yi)😄看出SST湍(tuān)流模型(xíng)比STD湍流(liu)模型更(gèng)适合計(jì)算受限(xiàn)性多股(gǔ)射流相(xiàng)互作用(yòng)的流場(chang).

(2)從圖9、圖(tu)11和圖14中(zhōng)可以看(kan)出，相對(dui)于多孔(kǒng)孔闆C,多(duō)孔孔闆(pan)A、B的射流(liu)🔴間回流(liu)區域較(jiao)大，壁面(mian)回流區(qū)域較小(xiao).直接使(shi)用SST模型(xíng)計算射(shè)流間回(huí)流區域(yu)較大多(duō)孔孔闆(pan)✔️時的收(shōu)斂比較(jiao)困難，而(er)📧STD+SST組合模(mo)式不但(dan)克服了(le)上述缺(quē)點并且(qiě)⭕計算效(xiao)果較好(hao).

(3)如前文(wén)所述，SST模(mo)型在近(jin)壁區以(yǐ)外及剪(jiǎn)切層中(zhōng)集成了(le)Standardk-ε湍流模(mo)型的特(tè)點，而Standardk-ε湍(tuan)流模型(xíng)本身存(cun)在缺陷(xian),該模型(xíng)在彎曲(qǔ)壁面、彎(wān)曲流線(xian)等情況(kuàng)下會産(chan)生失真(zhen).多孔孔(kǒng)闆A、B、C的壁(bì)面回流(liú)區依次(ci)🍓增大,所(suo)以采用(yong)壁面取(qǔ)壓方式(shì)時,計算(suan)得出流(liu)出系🌈數(shu)平均值(zhí)與實流(liú)實驗得(dé)出的流(liú)出系數(shu)平均值(zhi)之間的(de)相對誤(wù)差依次(ci)㊙️減小.
5結(jie)語
　　通過(guo)有限體(ti)積法數(shu)值求解(jie)Reynolds平均N-S方(fāng)程,湍流(liú)模型分(fen)❗别用STD模(mó)型、SST模型(xing)及STD+SST組合(hé)模式對(dui)3塊多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計進(jìn)行了數(shù)值模拟(ni).結果表(biǎo)明:對于(yú)中心節(jie)流孔與(yǔ)環🌈形排(pai)列孔之(zhī)間距離(lí)較小的(de)多孔孔(kǒng)闆，SST模型(xing)收斂性(xìng)較好;對(dui)于中心(xīn)節流孔(kong)與環形(xíng)排列的(de)小孔之(zhi)間距離(li)較大的(de)多孔孔(kǒng)闆,SST模型(xing)計算結(jie)果收斂(lian)困難,STD+SST組(zu)合💘模式(shì)在保證(zheng)計👌算精(jing)度的前(qian)提下改(gai)善了收(shōu)斂👅效果(guǒ).相對STD模(mo)型💃,SST模型(xíng)更加适(shi)合計算(suan)多孔孔(kǒng)闆流量(liang)計的内(nei)部流場(chang),計算結(jié)果與射(she)流力學(xue)中的雙(shuang)股射流(liu)理論-緻(zhì),與實流(liu)實驗結(jié)果誤差(chà)的最大(da)值爲4.2%,并(bing)且🏃能反(fǎn)🏃映出不(bú)同多孔(kǒng)孔闆流(liu)出系數(shù)線性度(du)的差異(yì).因此，利(li)用該方(fang)法計算(suàn)多孔孔(kong)☔闆流場(chǎng)對優化(huà)多孔孔(kǒng)闆🈲結構(gòu)具有一(yi)定的指(zhǐ)導意義(yì)，并且對(dui)其他具(jù)有射流(liú)性質的(de)流場仿(páng)真具有(you)一定的(de)參考價(jià)值.

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