摘要:多孔(kong)孔闆流量計 是一(yi)種比傳統的差壓(yā)測量裝置更優良(liang)的新型差壓式流(liu)量測量裝置,但其(qi)函數孔的确定目(mu)前沒有統一的标(biāo)準。針對該問題,采(cǎi)用CFD仿真軟件,在相(xiàng)同等效直徑🐪比的(de)情✂️況下,針⭐對多孔(kong)孔闆的函數孔結(jié)構,研究了開💰孔數(shu)目、孔分布以及倒(dao)角等因素對于減(jiǎn)🙇🏻少壓力損失所起(qi)到的影響和作用(yòng)。根據仿真研究😄結(jié)果,制作了一種多(duo)孔孔闆流量計進(jin)行流體試驗，試驗(yan)結果表明該方法(fa)的正确率。.
0引言
　　孔(kǒng)闆流量計 因其結(jié)構簡單、耐用而成(chéng)爲目前國際上标(biao)準化程度高、應用(yong)✍️最爲廣泛的一種(zhong)流量計,但也存在(zài)着流出系數不.穩(wěn)定、線性差、重複性(xìng)不高、永久壓力損(sun)失大等缺🌈點“。美國(guó)馬歇爾航空飛行(hang)中心🧑🏾‍🤝‍🧑🏼設計發明的(de)一-種新型差壓式(shi)流量測量裝置，即(ji)多孔❓孔闆流量❗計(ji)(又稱爲平衡流量(liang)計)田。多孔孔闆流(liú)量計對傳統🏃🏻節流(liu)裝置有着極大的(de)突破,與傳統差壓(ya)式流.量計相比較(jiào),具有永久壓力損(sǔn)失小、精密度高、量(liang)程比大🈲、直管段短(duǎn)等優點。
　　多孔孔闆(pǎn)流量計測量原理(li)圖如圖1所示。雖然(ran)多孔孔闆的結構(gou)與标準孔闆不同(tong),其測量原理還是(shi)節流測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量,因此在(zai)🥵流量計算時仍可(ke)采用标準孔闆的(de)經典計算公式國(guó):
 
　　式中:Q爲管道中流(liu)體的流量;K爲無量(liang)綱系數;△p爲孔闆節(jiē)流前後的壓力差(chà);ρ爲流體密度。
 
　　多孔孔(kong)闆流量計每個孔(kǒng)的尺寸和分布基(ji)于獨特的公式和(he)國測試數據定制(zhi)，稱爲函數孔。至于(yú)函數孔是如何💚定(ding)制,與哪些因素有(yǒu)關,主要由什麽參(can)數🔆來決定的，目前(qián)還沒有相關的文(wén)獻可以查閱。對于(yu)如何定制🛀🏻函數孔(kǒng)，缺少一個統--的标(biao)準。以因節流而産(chan)生的壓力損失作(zuò)爲對比參照，通過(guò)仿真對函數孔結(jie)構的研🐇究，主要包(bāo)括多孔孔闆開孔(kong)數量🔱、孔的分布以(yi)及倒角等因素對(duì)減小壓力損失所(suo)起到的🌍影響和作(zuò)用,對于函數孔的(de)制定有一定的指(zhǐ)導意義;爲函數孔(kǒng)制定标準🍓化奠定(ding)基礎,将有助于🔴推(tui)動💘多孔孔闆的孔(kǒng)函數的研究與應(ying)用進展♻️。
1函數孔結(jié)構的研究
　　以内徑(jìng)D爲50mm、等效直徑比β=0.35的(de)孔闆中,流動介質(zhì)純水爲研💃究🔞對象(xiàng)㊙️,參💜考标準孔闆在(zai)實際工業應用和(he)本次✉️仿真模拟，爲(wei)保證流體能夠以(yǐ)充分發展、理想的(de)湍🌈流狀态進入流(liu)量計,設計有長度(du)分别爲10D、14D的上下遊(you)☔直管段5。在此基礎(chǔ)上做了3組不🤩同的(de)仿真模拟,并且👄選(xuan)定其中一㊙️個模拟(nǐ)結果的設計方案(an)進行實流實驗,通(tōng)過對比實✌️流實驗(yàn)結果與模拟仿真(zhen)結果從而🙇‍♀️驗證仿(páng)真結果的正确率(lü)。
1.1對開孔數量的研(yán)究
　　在此先研究孔(kong)的結構爲無倒角(jiao)的情況,對數量研(yán)究📐的時候⚽要求其(qi)他參數均是相同(tóng)的，包括有孔分布(bu)以及孔的結構。設(shè)🏃‍♀️計時在-一個多孔(kong)孔闆.上每個小孔(kǒng)的直徑是❓一樣的(de)😍，由等效直徑比的(de)定義可知開孔直(zhí)徑爲
 
數;An爲每個小(xiǎo)孔的面積;A2爲是管(guan)道的截面積。
　　設計(ji)原則爲:把孔隻分(fèn)布在以孔闆的中(zhong)心爲圓心💁的一個(gè)圓周上(孔在這個(ge)圓周，上分布的時(shí)候不能夠出現相(xiàng)交的情況,初步選(xuan)定圓周的半徑爲(wèi)12mm)。受條件的限制,本(běn)次研究對象的開(kāi)🐅孔數最💜小爲1個,最(zuì)大爲16個。無倒角說(shuo)明節流孔的厚度(dù)與孔闆的厚度相(xiang)同,其示意圖🐆如圖(tu)2所示。
 
1.2對節流孔分(fen)布的研究
　　将節流(liú)孔(無倒角)均勻分(fen)布在兩個同心圓(yuan)或者兩個同心圓(yuán)以及孔闆的中心(xīn)上。調整同心圓的(de)大小,即改變的同(tong)心🙇‍♀️圓大小d1;d2示㊙️意圖(tu)如圖3所示。
 
1.3對倒角的研究(jiu)
　　參考流量測量節(jie)流裝置設計手冊(ce)回可知标準孔闆(pǎn)傾斜角是在下遊(you)端面,其大小可以(yi)爲45°±15°，文中将分2種情(qíng)☀️況研.究:下遊端面(mian)有45°倒角;上下遊端(duan)面均有45°倒👨‍❤️‍👨角。
2模拟(ni)仿真
　　模拟仿真是(shì)通過CFD軟件包fluent來完(wán)成的。
2.1建模與劃分(fen)網格
　　建模與劃分(fen)網格都是在CFD前置(zhì)處理器gambit中完成的(de)。圖♉4爲上遊🚶‍♀️直管段(duan)10D,下遊直管段14D的多(duo)孔孔闆流量計的(de)仿真模型。
 
　　文中直接選(xuan)用體網格來劃分(fen)網格。選用體網格(ge)的Element爲🐅Tet/Hybrid即四面體/混(hun)合，同時選定TGrid作爲(wei)Element的Type。爲了提高計算(suàn)精度，需對網格做(zuò)局部加密,考慮到(dào)在節流前後壓力(li)會急劇變化,因此(ci)對⁉️節流前後的直(zhí)管段以及多孔孔(kǒng)闆做局部加密處(chù)理。該文在對多孔(kǒng)孔闆劃分網格時(shí)候選用的節點間(jiān)距爲0.5,在多孔孔闆(pan)前後4D的直管段劃(huà)分網格時候選用(yòng)節點間距爲3,其餘(yu)部分的節點間💃🏻距(jù)爲6。網格單元的數(shu)量爲398642萬。網格劃分(fen)結果如圖5所示。
 
2.2模(mó)型的求解
　　在本文(wen)中選用壓力基求(qiu)解器就能滿足要(yào)求們。
　　本文中入口(kou)的雷諾數較大,流(liú)動爲湍流,需要設(she)置湍流⛱️模型，采用(yòng)Realizablekε模型。
　　邊界條件的(de)設定:入口邊界類(lei)型設定爲速度入(ru)口💜,即veloc-ity-inlet入♍口的❌湍流(liu)參數指定方式選(xuan)用kandepsilon,出口邊界類型(xíng):設定爲自由出🌐流(liú)outflow,孔💔闆處爲默認内(nèi)部邊界條件inte-rior,其餘(yu)爲均爲無滑👌移外(wai)部壁面,熱傳輸模(mo)型爲絕熱。
2.3仿真結(jie)果
　　本文主要是研(yán)究因節流而産生(sheng)的壓力損失(即節(jiē)流前後的靜壓差(cha)),爲此以節流前後(hòu)的壓差作對比💁研(yan)究💋。
2.3.1對多孔孔闆開(kai)孔數量的研究
　　給(gei)定的速度入口的(de)初始速度爲1m/s。對一(yi)段長爲1.2m(等于前🔴後(hou)直管段長度24D)的直(zhi)管道進行模拟仿(pang)真,參數設置以及(ji)湍流模型的㊙️選擇(ze)♉與上述模拟相同(tong)，結果可得直管段(duan)的沿程壓力損失(shī)爲314Pa。由，上述仿真計(ji)算結果的進出♉口(kou)壓力差減去直管(guǎn)道的沿程壓力損(sǔn)失🍓，即可得到節流(liú)前後的差壓。開孔(kǒng)數量和差壓的關(guān)系如圖6所示，開⭐孔(kǒng)數量和差壓信号(hao)的關系如👈表1所示(shi)。
 
　　由圖6可知,随着開(kai)孔數量的增加,在(zai)開始階段壓損能(neng)⛷️夠明‼️顯減少，當開(kai)孔數達到12時壓損(sun)達到最小值，随後(hòu)壓損又增大。
 
　　由表(biǎo)1可以看出，等效直(zhí)徑比爲0.35的多孔孔(kǒng)闆最佳的🏃‍♀️.開孔數(shu)是12,與開孔數爲1的(de)孔闆相比較減小(xiao)約29.4%的壓力損失。
2.3.2對(dui)節流孔分布的研(yan)究
　　由方案設計可(kě)知,本階段研究主(zhǔ)要有2種情況:
(1)同心(xin)圓沒有中心孔，以(yǐ)開孔數12爲研究對(dui)象;
(2)同心圓有中心(xīn)孔，以開孔數13爲研(yán)究對象。
孔的分布(bu)與差壓信号關系(xi)如表2所示。
 
　　從表2可(kě)以看出,對于相同(tong)的開孔數,在山不(bú)變的情況下，随着(zhe)d1的增大,壓差減小(xiǎo)。對比開孔數爲12,有(you)中心孔，開孔數爲(wei)13的🥵差壓信号隻大(da)0.5%。
2.3.3對倒角的研究
　　在(zài)試驗測量的時候(hou)，希望在減小壓損(sǔn)的同時又能夠得(de)🐇到較大🤞的測量信(xin)号,因此選取開孔(kong)數爲13,有中心孔的(de)多孔孔闆做進一(yī)步的研究。由以上(shang)方案的❄️設計可知(zhī),倒角的研究有2種(zhǒng)情況:
(1)隻有1個倒角(jiao),在節流闆的下遊(yóu)端面;
(2)2個倒角,在節(jiē)流闆的上下遊端(duān)面均有倒角。
　　以流(liú)量測量節流設計(ji)手冊作爲參考,設(she)計節流孔的👨‍❤️‍👨厚度(dù)爲0.02D,倒角爲45°。由此可(kě)得如表3所示的模(mó)拟結果♉。
 
　　由表3可以(yǐ)看出倒角的存在(zai)對于減小壓力損(sǔn)失有着巨💯大的影(yǐng)響,對比開孔數爲(wèi)13、上下遊都有倒角(jiao)的🎯與上下遊都無(wú)倒角,壓力損失降(jiang)低42.3%。綜合.上述3種情(qíng)😘況,在直🈲徑比都是(shì)0.35,開孔數爲13,上下遊(you)均有45°倒角的多孔(kǒng)孔闆與标準孔闆(pan)相比，壓力損失減(jian)小59.8%。
3試驗測量
　　試驗(yàn)是在現有的液體(tǐ)流量标準裝置(裝(zhuāng)置主要由穩壓罐(guan)、法蘭、直管段、标定(ding)容器構成。其中穩(wěn)壓罐能夠讓流體(tǐ)以恒定的速度進(jìn)入直管段;法蘭用(yòng)于孔闆的安裝;标(biāo)定💃容器用于測量(liàng)流體的流量。).上使(shǐ)用自己設計的多(duo)孔孔闆完成的。所(suo)選用的🌈孔闆即前(qian)🔞文仿真部分開孔(kong)數爲13,d;=8、d2=13,上下遊端面(mian)均有倒角的多孔(kong)孔闆。多孔孔闆如(ru)圖7所示。
 
3.1試驗方法(fa)
　　取5個不同大小的(de)流量按流速從小(xiǎo)到大，再從大到小(xiao),反複測量差壓值(zhí),測量次數爲3,測量(liàng)結果取平均☔值對(duì)試驗測:量時得到(dào)的流速進行模拟(nǐ)仿真,并與💛試驗結(jié)果相比較。由此可(kě)得到🤟如圖8流量與(yǔ)差壓關🧡系圖。
 
　　由圖(tu)8看出試驗結果與(yǔ)仿真結果的誤差(chà)較小(誤差能夠控(kong)制在7%左右),說明本(ben)次模拟仿真所選(xuǎn)用的計⛷️算模🐅型、方(fāng)⛷️法是可信賴的。
4結(jie)論
　　以内徑是50mnm,等效(xiao)直徑比0.35的多孔孔(kǒng)闆作爲研究對象(xiang)㊙️,用仿真軟件Fluent6.3模拟(ni)研究多孔孔闆函(han)數孔結構,主要是(shi)開孔數量、孔的分(fen)布以及倒角對于(yú)減小壓力損🌂失所(suo)起❄️到的作用，并對(dui)仿真結果進行實(shi)流試驗驗證,得到(dao):.
(1)在相同等效直徑(jing)比的情況下,增加(jia)開孔數以及倒角(jiao)的存在能有效減(jian)小壓力損失;在孔(kǒng)的數量和結構都(dou)确定的前提下均(jun)勻而有序地分布(bù)孔對測量的影響(xiang)可忽略;
(2)試驗結果(guo)與仿真模拟結果(guo)基本吻合,說明隻(zhi)要使用正确的🌏計(jì)算模型、精密的網(wǎng)格劃分以及準确(què)的計算方法，在沒(mei)有試驗的條件下(xia)也可以使模拟仿(páng)真對多孔孔闆進(jin)行研究。

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