摘要(yao):本文分析了孔(kong)闆流量計的結(jie)構,其工作原理(lǐ)屬差壓流量計(jì)範疇,從仿真角(jiǎo)度對孔闆流量(liàng)計進行瞬态分(fèn)析,得出“壓差-流(liu)量點🏃”、“壓差開方(fāng)🌂根-流量點"的拟(nǐ)合方程,流量值(zhi)x;與壓差開方根(gen)yi的線性關💯系;随(suí)着流量的逐漸(jian)增大,壓差差值(zhi)呈增大的趨勢(shì).且流體介質的(de)分子量越大,k系(xi)數越小;相較于(yu)對稱偏離,偏離(lí)程度的大小對(dui)h系數的影響不(bú)穩定,呈🐪先增大(da)後減小、再增大(da)波浪線上升的(de)趨勢,沒有🔅嚴格(ge)的🌈規律而言。
0引(yǐn)言
　　孔闆流量計(jì)是根據伯努利(lì)公式,利用流體(ti)在流動過程中(zhōng)遵守能量守恒(heng)定律,即動能和(he)靜壓能之和不(bu)變,以流體通過(guo)節流作用的孔(kǒng)闆時産生壓差(cha)的原理而進行(hang)測量,廣泛應用(yòng)于💋石油、化工、冶(yě)金、電力🙇‍♀️、供熱供(gong)水🐕等領域的過(guo)程控制和測量(liàng)。”
　　目前,CFD仿真手段(duàn)是比較熱門的(de)方法,廣泛應用(yong)于産品設🥵計、優(yōu)化參數。采用solidworks軟(ruan)件建立DN150标準孔(kong)闆流量計幾何(hé)模型,基于CFD軟件(jian)對此狀态下孔(kǒng)闆流量計内部(bu)流場進行數值(zhi)模拟分析;等應(ying)用FLUENT流體仿真軟(ruǎn)件,對空氣經過(guo)✍️孔闆前後的壓(ya)🈲力和速度進行(hang)仿真研究‼️;'應用(yòng)計🈲算流體力學(xué)軟件,對不同結(jie)構🏃🏻參數的孔闆(pǎn)流量計進行數(shù)值模拟;運用CFD方(fang)☎️法,在Fluent軟件中采(cǎi)用标準k-e模型和(he)離散相模型對(dui)孔闆内濕天然(ran)氣流動進🔞行模(mo)拟，将模拟🔅結果(guǒ)與NEL實驗數據進(jìn)行驗證;(5]趙奇等(děng)以計算流體力(lì)學(CFD)爲工具,模拟(ni)了标準孔闆流(liu)量計🔞與一類兩(liǎng)通道非标準孔(kǒng)闆流量計的内(nei)部流場;[6]李🔴過房(fang)自主開發了孔(kǒng)闆流星計🐪流場(chǎng)的數值模拟軟(ruan)件,詳細分析軟(ruǎn)件收斂的條件(jiàn),并給出了在層(céng)流和🈲湍流條件(jian)下流出系數的(de)✂️計算結果;采用(yòng)計算流體力學(xué)🤞(CFD)模拟方法對孔(kong)闆流動進行🙇‍♀️了(le)較準确的預測(cè);等采用CFD模拟方(fang)法,确定了單相(xiang)非牛頓流㊙️體的(de)流量系數與雷(lei)諾數✍️(比0.4.0.6和0.8)的關(guān)系,并對不🙇🏻同濃(nong)度的非牛✔️頓流(liu)體的流量系數(shù)進行了分析。
　　此(cǐ)外,孔闆流量計(ji)作爲差壓流量(liang)計範疇,流經孔(kong)闆的流量與節(jiē)流件前後壓差(cha)開方根成一定(ding)的線性🙇‍♀️關系💃🏻,存(cun)在h系數,但很少(shao)有人對k系數的(de)影響因子進⛷️行(háng)分析,本文将從(cóng)以下幾個方面(miàn)去探🔞讨不同楔(xie)角㊙️大小、不同💋流(liú)體介，質不同偏(pian)離💋情況對壓差(cha)及k系數的影響(xiang),爲在實際檢測(cè)、使用及産品設(she)計等領域提🐅供(gong)參考。
1孔闆流量(liàng)計結構與工作(zuò)原理
1.1孔闆流量(liàng)計結構
　　孔闆流(liu)量計屬于差壓(ya)流量計範疇,作(zuò)爲一個節流件(jiàn),使🐉上下遊産生(shēng)壓力差，主要分(fèn)爲标準孔闆和(he)非标準孔闆🔴(錐(zhuī)形人口孔闆、1/4圓(yuan)孔闆、偏心孔闆(pan)、圓缺孔🈲闆、多孔(kǒng)♈孔闆等)。其結構(gou)簡單,如圖1所示(shi):D爲管道内徑,d爲(wei)孔闆内徑,E爲孔(kong)闆厚度,e爲節流(liu)孔厚度。其中d≥12.5mm,出(chu)口楔角φ在30°~60°之間(jiān)，e在(0.005~0.02)D之間,E在e~0.05D之間(jiān)。
 
1.2工作原(yuan)理
　　孔闆流量計(ji)工作時，是将孔(kong)闆與多參數差(chà)壓變送器(或差(chà)壓變送器、溫度(dù)變送器及壓力(lì)變送器)配套組(zu)成的差壓流量(liang)裝置,可測量氣(qì)體、蒸汽、液體等(děng)介質的流量,孔(kǒng)闆流量計的流(liu)量公式爲:
 
式中(zhōng):qv---流過孔闆流量(liang)計的體積流量(liang),m³/h;
C---流出系數,通過(guo)标準流量實驗(yan)裝置檢定.得到(dao);
ε---膨脹系數,當被(bèi)測介質爲液體(ti)時,ε=1可忽略,當被(bei)測介質爲氣體(ti)⛷️時💃🏻,因介質可壓(yā)縮,ε爲小于1的數(shu)值,需要經🥰過研(yan)究方能得到;
m---流(liú)通截面與管道(dao)截面之比,僅與(yu)孔闆流量計相(xiang)關幾何參數有(you)🌐關;
D--管道内徑,m;
△p---孔(kong)闆節流件前後(hòu)産生的差壓，由(yóu)差壓變送器測(ce)量📞得到,Pa;
ρ---被測流(liu)體密度,kg/m³。
因此C、ε、m、D、ρ爲(wei)常數,設:
 
　　由式(3)可(kě)知,流過孔闆流(liu)量計的體積流(liú)量與節流件前(qian)後壓🔞差的開方(fang)根呈線性關系(xì),且經過原點。
2仿(páng)真理論與試驗(yàn)方案設計
2.1模型(xing)建立
　　本文三維(wéi)模型建立由SolidWorks2020完(wán)成,根據上文1.1中(zhong)有關要求,初步(bu)設計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建🏃🏻立數學(xue)模型。
2.2仿真理論(lùn)分析[2]
　　計算流體(ti)動力學基本思(si)想是把原來在(zài)時間域及空間(jiān)域上連續的物(wù)理量的場(速度(dù)場、壓力場等),用(yòng)一系列有💘限個(ge)離散點上的變(biàn)量值的集合來(lái)代替,通過一定(ding)的原則和方🎯式(shi)建立起關于🥰這(zhe)些離散點上場(chang)變量之間關系(xi)的代數方程組(zu),然後求解方程(cheng)✂️組獲得場變量(liang)的近似值💋。
2.3試驗(yàn)思路
　　通過仿真(zhēn)分析:一是研究(jiu)流體介質在管(guǎn)道内的流動🛀🏻狀(zhuang)态,根據2.1相關參(can)數建立模型,滿(mǎn)足“前十後五”直(zhí)㊙️管段💋要求,進行(háng)瞬時動态分析(xi),研究壓力、流速(sù)的分布及變⁉️化(huà)規律;二是研究(jiu)不同楔角φ對🍓k系(xi)數及節流件前(qián)後壓差的影響(xiǎng)🐕,分别取ψ爲30°、40°、45°、50°,60°條件(jian)下k系數的變化(hua)規律;三是研究(jiū)不同流體介質(zhi)對h系數的影響(xiǎng),分别🔞取流體介(jie)質☎️爲空氣、水、天(tian)然氣等對k系數(shù)的影響;四👌是根(gēn)據上下遊管道(dào)夾持孔闆形成(chéng)偏心狀态,研究(jiū)孔闆對中性對(dui)h系數💁的影響等(děng)。
3仿真分析
3.1瞬态(tai)分析
　　根據2.1參數(shu)設計,建立模型(xíng);分析類型選擇(zé)内部,排出内部(bù)不具備流動條(tiáo)件的腔,物理特(tè)征選擇瞬态分(fèn)析,分析總時間(jian)設定爲2s,輸出時(shi)間步長設定爲(wèi)0.02s;進行瞬态分😍析(xi)選擇☔流體介質(zhi)爲空氣,入口流(liu)量分别選💁取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等(děng)16個流量點;如圖(tú)2所示,上、下遊取(qǔ)壓口壓差随着(zhe)人口流量的增(zēng)大呈增大趨勢(shì);設x爲各流量點(diǎn).單位📐爲m³/h,yw爲各流(liu)量點對應的上(shang)/下遊取壓口壓(ya)差值⭕、單位爲Pa,y爲(wei)xix0.5、單位爲Pa0.5。
 
　　瞬态分(fèn)析如圖3所示,以(yǐ)了解孔闆流量(liàng)計在進行工作(zuo)🔞時✊,介質的🐆流動(dòng)狀态及壓力、速(sù)度實時分别情(qing)況。設定進口流(liu)量爲100m³/h,出口壓力(lì)條件爲标準大(da)氣壓、溫度爲20℃;孔(kǒng)🛀🏻闆流量♈計的結(jie)構設計造成氣(qi)流通道變窄(管(guan)道突然變徑),氣(qì)流進入管道短(duan)時間(0.005s)内上遊取(qǔ)壓口壓力突然(rán)增大,空氣流動(dòng)加劇,下遊⛷️管道(dao)壓力突👈然間變(bian)小形成負壓區(qu),但壓力分布不(bu)明顯,僅在孔闆(pan)口周圍形成不(bu)❗同壓力分層;下(xia)遊管道壓力出(chū)現明顯分層、且(qie)逐漸趨于穩定(dìng)。
 
　　根據仿真數據(jù)得出“壓差-流量(liàng)點”、“壓差開方根(gēn)-流量💞點”的拟合(hé)方🔴程,分别爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
　　由(you)于孔闆流量計(jì)工作原理屬差(chà)壓流量計範疇(chóu),流🎯量值xi與壓🤟差(chà)開方根yi存在線(xiàn)性關系,通過變(bian)形可得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
　　則通過(guò)自定義設置截(jié)距爲0,xi=24.533yi,即系數k=24.533。
3.2不(bu)同楔角φ對h系數(shu)、壓差差值的影(yǐng)響
　　根據2.1參數設(she)計，建立模型,其(qi)他條件不變，隻(zhī)改變楔角的大(dà)小，分别取φ爲30°、40°.45°、50°、60°條(tiao)件下k系數的變(biàn)化規律;仿真流(liú)程如3.1所❤️述。得到(dào)結果如圖4所示(shi),不同楔角下，“壓(yā)差開方根-流量(liàng)點”均呈理想線(xiàn)性關系(R2=1),圖像幾(jǐ)乎是重合的,說(shuō)明楔角對h系數(shu)影響較小;線性(xìng)關系分别爲:
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令(lìng)截距均爲零,則(ze)楔角30°、40°、45°、.50°.60°對應的系(xi)數k分别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通過(guò)計算,不同楔角(jiao)條件下,仿真壓(yā)差與計算壓差(chà)❤️基本一緻,如圖(tú)5所示，
 
　　不難發現(xiàn):整體來看,不論(lun)楔角是哪一種(zhong)情況，在50m³/h以内✔️的(de)流☔量下,差值基(jī)本--緻,且均接近(jin)于0;随着流量的(de)逐漸增大,壓差(cha)差值🔴呈增大的(de)趨勢;楔角40°和楔(xiē)角45°條件下，差㊙️值(zhi)變化趨勢基本(běn)緻,且🚶‍♀️偏離方向(xiang)一緻;楔角☔50°與楔(xiē)角60°條件下，差值(zhí)🔞基本重合,且偏(piān)離方向一緻;楔(xiē)角30°對差值的影(ying)響最大,在流量(liang)爲500m³/h時,達到最大(dà)值1.94Pa。流量400m³/h是差值(zhí)的“拐點”，當楔角(jiǎo)爲40°、45°時,差值最大(dà),之後差值開始(shǐ)降低;當楔角❤️爲(wei)30°、50°、60°時，差值開始突(tu)然變大。
3.3不同流(liu)體介質對h系數(shù)的影響
　　爲了研(yán)究不同介質對(dui)k系數的影響,本(běn)文選擇氣态水(shuǐ)、空氣、甲烷✍️等三(san)種氣體作爲流(liú)體介質進行單(dan)因素試驗仿真(zhēn)，取楔角爲45°等其(qi)他參數因素不(bu)變進行💰仿真,結(jié)👅果如圖6所示;三(san)種不同介質條(tiao)件下，壓差與流(liu)量的關系分别(bié)爲:
 
　　由于孔闆流(liú)量計工作原理(li)屬差壓流量計(ji)範疇，流量值🐉xi與(yǔ)👣壓差開方根yi存(cún)在線性關系,根(gēn)據3.1分析,氣态水(shui)、空氣、甲烷等🧑🏾‍🤝‍🧑🏼三(san)種氣體作爲流(liú)體介質對應的(de)系數h:分别爲31.407、24.533.33.304;綜(zōng)上所述,流體介(jie)質不同,壓差與(yu)流量、壓差開方(fang)根與流量的💚變(biàn)化趨勢一緻,但(dan)不🐇同流體介質(zhì)對應的k系㊙️數卻(què)相差很大。
 
　　根據(ju)三種氣體介質(zhi)的分子量分别(bié)爲18(H20)、29(空氣)、16(CH4),與k系數(shu)的對應關🏒系如(ru)圖7所示;流體介(jiè)質的分子量越(yuè)大,h系數越小;随(suí)着分📱子量的增(zeng)大、h:系數逐漸減(jiǎn)小。
3.4孔闆對中性(xing)對k系數的影響(xiang)
　　本文孔闆對中(zhōng)性是指在安裝(zhuang)孔闆或實驗室(shi)檢定孔闆時,孔(kǒng)闆孔口的中心(xīn)線與管道中心(xin)線--緻程度,将上(shàng)述中心線的偏(piān)離距離作爲試(shi)驗因子;如圖8所(suo)示,偏離分爲對(duì)稱偏離(DCPL)和偏離(lí)(PL)兩種;分别取偏(piān)離距離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔角(jiǎo)⁉️爲45°,介質爲空氣(qi)進行仿真實驗(yan)等。
 
　　如圖9所示,仿(pang)真結果顯示:不(bú)論哪種偏離情(qing)況壓差與流量(liàng)的關系曲線(變(biàn)化趨勢)是一緻(zhì)的,且幾乎是重(zhong)合的,并随着流(liu)量的不🐪斷增大(da),壓差也不斷成(chéng)增✏️大趨勢;根據(jù)3.3中📞流量值xi與壓(yā)差開方根yi存在(zai)線性關系,得出(chū)不同偏離情況(kuang)下對應的k系數(shu),對稱偏離的🏃🏻‍♂️情(qíng)況下,随着偏離(li)程度的增大h系(xi)數呈增大趨勢(shì);相較于對稱偏(pian)離,偏離程度的(de)大小對h系數的(de)影♋響不穩定,先(xian)增大後減小再(zài)增大波浪線上(shang)升的趨勢,沒有(yǒu)嚴格的規律而(er)言✏️;因此,在使用(yong)或檢定孔闆流(liu)量計時,--定要保(bao)證對中性，這樣(yàng)檢出來的數據(ju)才有意義。
4結論(lùn)
　　通過建模進行(háng)仿真實驗得出(chū)以下結論:
(1)分析(xī)了孔闆流量計(jì)的結構,其工作(zuò)原理屬差壓流(liu)量計範❄️疇，推導(dǎo)出流量值xi與壓(ya)差開方根yi之間(jiān)存在💚線性關系(xi)💋,且通過原點。
 
(2)完(wan)成對孔闆流量(liang)計瞬态分析,得(dé)出“壓差-流量點(dian)”、“壓差🍓開方🚶根-流(liú)量點”的拟合方(fāng)程,根據.流量值(zhi)xi與壓差🤟開方根(gēn)yi的線性關系,通(tong)過自定義設置(zhì)截距爲0,得出h系(xì)數。
(3)不同楔角φ對(dui)h系數、壓差差值(zhi)的影響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對(dui)應的系數⁉️k分别(bie)爲💞:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不🚶論楔角是(shì)哪一種情況,在(zài)50m³/h以内的流量下(xia),差值基🌂本一緻(zhì),且📱均接近于0;随(sui)着流量的逐漸(jiàn)增大,壓差差值(zhí)呈增大的趨勢(shì)。
(4)氣态水、空氣、甲(jiǎ)烷等三種氣體(ti)作爲流體介質(zhì)對應的👉系數k分(fèn)别爲31.407、24.533.33.304;且流體介(jie)質的分子量越(yue)大,k系數越🔅小;随(suí)着分子量的增(zeng)大.h系數逐漸減(jiǎn)小。
(5)不論哪種偏(pian)離情況,壓差與(yǔ)流量的關系曲(qu)線(變化🔞趨勢)是(shi)一.緻的,且幾乎(hu)是重合的，并随(sui)着流量的不斷(duan)增大,壓差也✏️不(bu)斷成增大趨勢(shi);但在對稱偏離(li)的情況下,随着(zhe)偏離程度♉的增(zēng)大k系數呈🌏增大(dà)趨勢;相較于對(duì)稱偏離,偏離程(cheng)度的大小對h系(xi)數的影響不穩(wen)定,先增大後減(jian)小再增大波浪(làng)線上升的趨勢(shì),沒有嚴格的規(guī)律而言。
　　綜上所(suǒ)述,在設計孔闆(pan)流量計時,一定(ding)要考慮流量範(fan)圍及楔❓角大小(xiǎo)的選擇兩個重(zhong)要因素;在使用(yong)時,-定要保證❌對(dui)中性,這🙇‍♀️樣得出(chu)的數據才有意(yi)義。另外,在對孔(kǒng)闆流量計(差壓(ya)流量計🤟)進行檢(jian)測時,出.具證書(shū)一定要給出檢(jian)定介質,用戶♻️在(zai)使用時，一定要(yao)注意檢定用介(jie)質與實際流⭐體(ti)介質的差别,适(shì)時進行修正,才(cái)能保證流量計(jì)的性能🎯準确結(jié)算科學,以免帶(dai)來不必要的麻(ma)煩等。

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