摘要(yào):爲了研(yán)究孔闆(pan)流量計(jì) 在動态(tài)非穩定(dìng)流态或(huo)振蕩流(liú)态下的(de)瞬時壓(ya)力-流量(liang)特性，理(li)論☀️分析(xī)了孔闆(pǎn)前後的(de)旋渦城(chéng)大小随(suí)流速變(bian)化是引(yin)起孔闆(pǎn)進出口(kou)瞬時流(liu)量差的(de)主要原(yuan)因.借助(zhu)CFD數值解(jie)析方法(fǎ),建立孔(kǒng)闆模型(xíng),并在模(mó)型入口(kou)加載某(mǒu)💋一頻率(lü)下的正(zheng)弦流速(sù)，對孔闆(pan)流量計(ji)在🔴振蕩(dang)流态下(xia)⛷️的瞬時(shi)壓力-流(liu)量特性(xìng)進行分(fen)析.結果(guo)表明:當(dang)孔闆流(liu)量計處(chu)于低頻(pín)振蕩流(liu)動狀态(tai)時,孔闆(pan)兩端差(chà)壓也處(chù)于周期(qi)振蕩狀(zhuàng)态,差壓(yā)與節流(liú)孔瞬時(shi)流量同(tong)頻不同(tong)📞相，差壓(yā)幅值随(sui)入口✊流(liú)速振幅(fu)增大而(ér)線性增(zeng)大，且線(xiàn)性增長(zhǎng)♉系數與(yu)振蕩頻(pin)率相關(guān);孔闆的(de)入口與(yu)出口存(cún)在周期(qi)波動的(de)瞬時流(liu)量差,振(zhèn)蕩頻率(lǜ)💚越大或(huo)入口流(liu)速峰值(zhi)越小,瞬(shùn)時流量(liàng)👌差的波(bō)動越小(xiǎo)，由于相(xiàng)位滞後(hòu)和瞬時(shi)流量差(cha)的存📱在(zài)，使孔闆(pǎn)流量計(jì)的測量(liang)流量與(yǔ)實際出(chu)🚶口流量(liàng)之間存(cun)在偏差(cha).振蕩頻(pin)率越大(dà)，偏差也(yě)越大.
　　孔(kong)闆流量(liàng)計因其(qí)結構簡(jiǎn)單、耐用(yòng)而成爲(wei)目前國(guó)際上标(biao)準☔化🍓程(chéng)度最高(gao)、應用最(zuì)爲廣泛(fàn)的一種(zhong)流量計(jì),因此研(yán)究節流(liu)孔的流(liu)量特性(xìng),對提高(gāo)孔闆流(liú)量計測(ce)量不确(que)定度的(de)認識具(ju)有很重(zhong)要的意(yì)義.孔闆(pan)流量計(ji)通過✨測(ce)量壓差(cha)進而獲(huo)得流量(liàng).當液⛷️流(liu)經過節(jiē)流孔,流(liú)束縮小(xiǎo),流速變(bian)大并伴(bàn)随着較(jiào)大的壓(yā)力降✉️.流(liu)束的最(zui)小橫斷(duàn)面出現(xiàn)在實際(ji)縮口的(de)下遊,稱(cheng)爲縮流(liu)斷面.在(zài)縮流斷(duàn)面處,壓(ya)力最低(dī).壓降的(de)産生是(shi)由于在(zai)孔闆的(de)兩側側(cè)面出現(xian)回流區(qu)🏃‍♀️及旋渦(wō)域,造成(chéng)較大的(de)内部紊(wěn)流和能(neng)量損⁉️耗(hao)的結果(guo)[1-2].旋渦域(yù)的🈲大小(xiǎo)取決于(yu)流動雷(léi)諾數,随(sui)着雷諾(nuo)數的增(zēng)大,渦旋(xuán)強度增(zeng)加[3].
　　流體(tǐ)力學中(zhōng)對孔口(kǒu)恒定出(chū)流的描(miao)述爲孔(kong)闆結構(gòu)的設計(ji)提供了(le)理論依(yī)據.但實(shi)際應用(yòng)中，由于(yu)外界激(ji)勵引起(qǐ)的壓力(li)波動,圓(yuán)管内流(liú)體常處(chu)于動态(tai)非穩定(dìng)流👉态或(huo)振🔞蕩流(liú)态[4],孔闆(pǎn)流🥰量計(jì)内⚽部流(liu)場結構(gou)變化極(ji)爲複雜(za)，因此,計(ji)量孔闆(pǎn)的瞬時(shi)流量特(tè)性往💁往(wǎng)與理論(lun)分析結(jie)果存在(zài)偏差因(yīn)此,有必(bi)要對孔(kǒng)闆在非(fei)穩定流(liu)态下的(de)流量特(tè)性進行(hang)研究.
　　通(tōng)過Fluent流體(tǐ)仿真程(chéng)序,對不(bu)同節流(liu)孔直徑(jìng)比的孔(kong)闆,以水(shuǐ)爲介質(zhi)在振蕩(dang)流态下(xia)的流動(dòng)過程進(jìn)行仿真(zhen)🐕,對其瞬(shun)時壓力(li)💃-流量特(tè)性進行(hang)分析.
1理(li)論分析(xi)
　　通常在(zài)特定測(cè)壓位置(zhi)和特定(ding)流體參(cān)數情況(kuàng)下,根⭕據(jù)流體流(liú)🔱動的連(lián)續性方(fāng)程和伯(bo)努利方(fāng)程可推(tui)導出孔(kǒng)闆前後(hòu)差壓△p與(yu)🙇‍♀️流經節(jie)流孔的(de)體積流(liu)量QY滿足(zú)以下函(han)數關系(xì)[5],即
 
　　式中(zhong):C爲流出(chu)系數;ρ爲(wèi)流體密(mi)度;β爲節(jie)流孔的(de)直徑比(bǐ)(β爲節流(liú)孔直徑(jing)d與圓管(guǎn)内徑D的(de)比值,即(ji)β=d/D);sign爲符号(hào)函數*.
圓(yuan)管進口(kou)流量可(ke)計算公(gōng)式爲
 
　　孔(kǒng)闆流量(liàng)計通過(guo)測量節(jiē)流孔兩(liǎng)端差壓(ya)進而獲(huo)得節流(liu)孔流量(liàng)QV.對于不(bu)可壓縮(suo)的定常(cháng)流，圓管(guǎn)進口流(liú)量Qin和出(chu)口☔流量(liàng)Qout與節流(liu)孔流量(liàng)QY相等,聯(lian)立以上(shang)方程可(kě)得節💘流(liú)孔兩端(duan)差壓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻與(yu)人口流(liú)速的關(guan)系表達(da)式爲
 
　　由(you)式(3)可知(zhī),孔闆兩(liang)端差壓(ya)也呈周(zhou)期性波(bo)動,.其振(zhèn)蕩🔆頻率(lü)與孔闆(pǎn)人口流(liu)速振蕩(dang)頻率相(xiang)同.
　　孔闆(pǎn)前後存(cun)在旋渦(wo)域.旋渦(wō)域的大(da)小占據(ju)圓管空(kong)間,液體(tǐ)✔️在旋渦(wō)域停留(liu),不流向(xiàng)下遊管(guǎn)道.旋渦(wo)域增🐇大(dà),則流向(xiang)圓管🤟出(chu)口的液(yè)流減少(shǎo).由于孔(kǒng)闆前後(hou)遊渦旋(xuan)強度随(sui)流動雷(léi)諾數增(zēng)大⭐而增(zēng)大,即随(sui)流速增(zēng)加旋渦(wō)域變大(dà)3]，.在振蕩(dàng)流态下(xia),旋渦域(yù)大小随(sui)入口流(liú)速變化(hua)也表現(xian)爲周期(qī)性變化(hua)狀态,變(bian)化頻率(lü)與流速(sù)振蕩頻(pín)率相同(tong).因此，在(zai)某一極(ji)短時間(jiān)段内,旋(xuán)渦域的(de)體積變(biàn)化量表(biao)現爲圓(yuán)管進、出(chū)口的瞬(shun)時流量(liang)🎯之差.對(duì)于不可(ke)壓🔴縮的(de)非定常(chang)流,人❓口(kǒu)瞬時流(liú)量Qin與出(chū)口瞬時(shí)流量Qout和(hé)節流孔(kong)瞬時流(liu)量QY滿足(zú)以下關(guān)系,即
 
　　式(shì)中:△Q表示(shì)圓管進(jin)出口瞬(shun)時流量(liàng)差.瞬時(shi)流量差(chà)的存在(zài)💛，使孔闆(pan)流量計(jì)實際測(ce)量流量(liàng)Qv與出口(kǒu)瞬時流(liú)量Qout之間(jiān)不可避(bi)免存💋在(zai)偏差.
　　事(shi)實上,由(you)于節流(liú)孔的壓(yā)降作用(yòng),當孔闆(pan)下遊壓(ya)力低于(yu)💞液體飽(bao)和蒸氣(qi)壓以下(xia)，氣泡将(jiāng)在下遊(you)管道産(chǎn)生,形成(cheng)閃蒸現(xiàn)🐕象.當👅壓(yā)力上升(sheng),氣泡破(pò)裂瞬間(jiān)産生局(ju)部空⚽穴(xué),高壓👨‍❤️‍👨液(yè)體重新(xin)流向這(zhe)些空📞間(jiān).顯然,氣(qi)泡和空(kong)穴占📐據(jù)了下遊(you)管道空(kong)間,使進(jìn)、出口流(liu)
量Qm與Qout,存(cún)在差異(yì),出現瞬(shun)時流量(liang)差實際(ji)孔闆流(liu)量計使(shi)用🛀🏻過程(cheng)😍中避免(miǎn)閃蒸和(hé)空穴現(xiàn)象的出(chū)現,故文(wen)中對其(qi)影響不(bu)做表述(shu).
爲進一(yi)步探究(jiū)孔闆的(de)瞬時壓(yā)力流量(liang)特性,文(wén)中以上(shang)述🈲理🧑🏽‍🤝‍🧑🏻論(lùn)分析爲(wei)基礎，結(jié)合有限(xiàn)元分析(xi)思想,對(dui)孔闆流(liu)量計🐉在(zai)低頻微(wēi)幅振蕩(dàng)流态下(xià)的壓力(li)流量特(tè)性進行(háng)🍓了分析(xī).
2期修仿(páng)真
2.1控基(ji)文圖
　　文(wén)中選用(yòng)RNGk-ε湍流模(mo)型對孔(kong)闆的流(liu)量特性(xing)進行模(mo)拟😄.該模(mo)型的控(kòng)🐅制方程(chéng)分别爲(wei)連續性(xing)方程
 
　　上(shang)述式中(zhōng):xi,xj分别爲(wei)縱向和(he)橫向坐(zuò)标;ui,uj分别(bié)爲縱向(xiàng)和想♍象(xiàng)的速🐇度(du)🐅分量;p爲(wei)流體壓(yā)力;v爲流(liú)體運動(dong)黏度;vt爲(wèi)流體渦(wō)流黏度(dù),vt=Cμk²/Ɛ,其中k爲(wei)湍動能(néng),Ɛ爲湍動(dong)耗散率(lü),Cμ=0.085.
　　模型邊(bian)界條件(jian)包括速(sù)度人口(kǒu)、壓力出(chū)口、無滑(hua)移壁面(miàn)邊🧑🏾‍🤝‍🧑🏼界,在(zài)近壁面(miàn)區域采(cǎi)用标準(zhun)壁面麗(li)數進行(háng)處⛹🏻‍♀️理.采(cai)用軸🏃‍♀️對(duì)稱邊界(jie),即模型(xing)對稱軸(zhou)的徑向(xiang)速度爲(wèi)0.在求解(jiě)離散方(fāng)程組和(he)壓力速(su)度耦合(he)時選擇(ze)了SIM-PLE算🔱法(fǎ),動量和(he)✉️湍流動(dong)能分别(bie)采用的(de)是二階(jiē)迎風與(yu)一階迎(ying)風差分(fen)🏒格式.
2.2仿(páng)真文收(shōu)
　　利用孔(kǒng)闆模型(xing)的軸對(duì)稱性的(de)特征,在(zài)圓柱坐(zuo)标系下(xià)💃建立它(tā)們的1/2實(shí)體模型(xíng),取壓方(fang)式采用(yong)D-D/2取壓其(qi)計算域(yù)如圖1所(suo)示.孔闆(pan).上遊🎯直(zhi)管段長(zhǎng)度爲20D,充(chong)足的上(shàng)遊管長(zhang)能夠确(què)保液流(liú)✉️在孔闆(pan)上遊爲(wei)充分發(fa)展的湍(tuan)流流動(dong).模型具(jù)體尺寸(cùn),其中D=12.3mm,β=0.247,Lu=246mm,Lt=494mm,t=2mm.
　　爲(wei)了表現(xiàn)孔闆前(qián)後的流(liu)場變化(huà)情況,首(shǒu)先在壁(bì)面附近(jin)劃分邊(bian)界層網(wǎng)格,邊界(jie)層第一(yi)次厚度(dù)爲0.1mm,共10層(céng),高度增(zēng)長因子(zǐ)1.1.其次,爲(wei)了提高(gāo)孔闆附(fu)近的計(ji)算精度(dù),對靠近(jin)孔闆🔱部(bù)分的網(wang)格進♻️行(háng)局部🏃🏻‍♂️加(jiā)密,離節(jie)流孔越(yuè)遠,網格(gé)越稀疏(shū)最後,利(li)用❓結構(gòu)化網格(gé)生成方(fāng)💘式劃分(fèn)其餘部(bu)分網格(gé).
 
　　文中所(suo)選用的(de)流體介(jiè)質爲常(chang)溫狀态(tai)下的水(shui).人口流(liú)速設🐉定(dìng)爲某一(yi)-頻率下(xià)的正弦(xian)流動u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選(xuǎn)擇不同(tong)平均流(liu)速uarg、流速(sù)振幅uamp和(hé)振蕩🌏頻(pín)率ƒ參數(shu)作爲節(jie)流孔的(de)人口流(liu)速,具體(tǐ)參數見(jian)表1.利用(yong)UDF功能将(jiāng)該自定(dìng)義速度(dù)函數加(jia)載在模(mo)型的速(su)度人口(kou).
 
3網出第(di)日
3.1振蕩(dang)差絡
　　通(tōng)過後處(chù)理後可(kě)以觀察(cha)到,當人(rén)口流速(sù)爲某一(yi)頻率下(xia)的🐕正弦(xián)流動時(shí),孔闆兩(liǎng)端将出(chū)現與人(ren)口流速(su)頻率相(xiàng)同的振(zhen)蕩差壓(ya).如圖2所(suo)示，節流(liú)孔瞬時(shi)流量與(yu)差壓振(zhen)蕩頻率(lü)相等且(qiě)具有固(gù)定的相(xiàng)位滞後(hòu).相位滞(zhi)後意味(wei)着測量(liàng)壓差不(bú)能反映(yìng)當時的(de)流量情(qíng)況.此外(wai)，由于壓(ya)差測量(liang)裝置的(de)動作時(shí)🌈限,測量(liàng)壓差滞(zhi)後,不能(neng)及時反(fan)映瞬時(shí)壓差🆚的(de)變化因(yin)此，在振(zhèn)蕩流态(tài)下,孔闆(pǎn)流量❓計(jì)對瞬時(shi)流量的(de)測量存(cun)在不确(que)定性.
　　圖(tú)3爲人口(kou)流速振(zhèn)幅與差(chà)壓幅值(zhi)的關系(xi).對于同(tóng)一振✍️蕩(dang)🐇頻率📧的(de)入口流(liu)速,孔闆(pǎn)兩端差(chà)壓幅值(zhi)随人口(kou)流速振(zhèn)幅增大(da)而線性(xìng)增大,但(dan)其線性(xìng)增長系(xi)數與振(zhen)蕩頻🚶‍♀️率(lǜ)有關.
 
　　從(cong)圖4中可(ke)以看出(chu)當人口(kou)流速振(zhèn)幅一定(ding)時,節流(liú)孔兩端(duān)差壓的(de)振蕩幅(fú)值随振(zhèn)蕩頻率(lü)的增大(da)而增大(dà).差壓幅(fú)值與振(zhen)蕩頻率(lü)存☀️在近(jìn)似一次(cì)線性關(guan)系.
　　在孔(kong)口恒定(dìng)出流情(qing)況下,測(cè)量流量(liang)與實際(jì)節流孔(kǒng)流量Qv相(xiàng)同.而在(zài)振蕩流(liú)态下,差(cha)壓幅值(zhí)随振蕩(dang)頻率線(xiàn)性增大(da),則測量(liàng)流🚶量幅(fu)值越大(dà),與實際(ji)節流孔(kǒng)流量的(de)偏差也(ye)越大.
　　從(cóng)圖5中可(ke)以看出(chu),平均入(ru)口流速(su)的變化(huà),對壓力(lì)幅🍉值的(de)影響幾(jǐ)🚶‍♀️乎可以(yi)忽略.
3.2瞬(shùn)時流量(liang)差
　　在振(zhèn)蕩流态(tài)下,孔闆(pǎn)前後回(huí)流區和(hé)旋渦域(yù)的大小(xiǎo)随👨‍❤️‍👨人❤️口(kǒu)流🏃‍♂️速💋變(biàn)化不斷(duàn)改變，導(dǎo)緻進出(chu)口流量(liang)存在.瞬(shun)時流量(liang)差△Q,如圖(tú)6所示.瞬(shùn)時流量(liang)差表現(xian)爲複雜(zá)的🤞周期(qī)性👉波動(dòng),其波動(dòng)周期與(yu)差壓振(zhen)蕩周期(qi)相同,相(xiàng)位介于(yú)瞬時流(liu)量和差(cha)壓兩者(zhě)之間,且(qie)稍滞後(hou)于振🔞蕩(dang)差壓.當(dang)差壓增(zēng)大至峰(fēng)🔅值點時(shi)，瞬時流(liú)量差趨(qu)向✊其波(bō)峰,并在(zài)到達峰(fēng)值點後(hòu)反向階(jie)躍.
 
　　爲研(yán)究人口(kǒu)流速各(gè)參數對(dui)瞬時流(liú)量差的(de)波動特(tè)性影響(xiang)✊,對仿💔真(zhen)記錄的(de)瞬時流(liu)量差數(shu)據作方(fāng)差分析(xi)和極差(chà)分析,以(yi)此描述(shù)瞬時流(liú)量差的(de)波動情(qing)況.瞬時(shí)流量差(cha)的極差(cha)和方差(cha)與振蕩(dàng)頻率關(guan)系如圖(tu)7所示.當(dang)入口平(ping)均流速(sù)和流速(sù)❄️振幅不(bu)變時,瞬(shun)時流量(liang)差的極(jí)差和方(fāng)差随人(ren)口流速(sù)的振蕩(dang)頻率增(zēng)大而減(jiǎn)小也即(ji)🐉人🔞口流(liu)速頻率(lǜ)越大,瞬(shun)時流量(liàng)差🈲的波(bo)動程度(du)越小，同(tong)時⚽波動(dòng)的峰值(zhi)也越小(xiao).
　　圖8爲入(ru)口平均(jun)流速與(yu)瞬時流(liú)量方差(chà)及極差(chà)的關系(xi).當振蕩(dang)頻率和(he)流速振(zhen)幅相同(tóng)時,人口(kǒu)平均流(liu)速🐕越大(dà),瞬時流(liu)量差的(de)方差🌈和(hé)極差越(yue)大.圖9爲(wèi)瞬時流(liú)量差方(fang)🙇🏻差和極(ji)差與流(liú)速振幅(fú)關系.從(cong)圖中可(kě)以看出(chu)，當人口(kǒu)☂️平均流(liú)速相同(tong)時,對于(yú)給定的(de)振蕩頻(pín)率,瞬時(shi)流量差(cha)的方差(chà)和極差(chà)随着流(liu)速振幅(fu)增大而(er)🔴增大.因(yin)此,當人(rén)口流速(su)峰值越(yuè)大,瞬時(shi)流量差(chà)波動也(yě)越大,瞬(shun)時流量(liang)差就越(yuè)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻不穩定(dìng).
 
4結論
　　當(dāng)孔闆流(liu)量計所(suǒ)計量不(bú)可壓縮(suo)流體爲(wei)低頻振(zhen)蕩🥰流👨‍❤️‍👨動(dòng)♊狀态✍️時(shí)，通過前(qián)述CFD分析(xī),得到如(rú)下結論(lun):
1)孔闆兩(liang)端差壓(yā)爲周期(qi)振蕩狀(zhuàng)态,差壓(ya)與節流(liú)孔瞬🆚時(shi)💃🏻流💋量🔴同(tong)頻不同(tóng)相.差壓(ya)幅值随(sui)人口流(liú)速振幅(fu)增大而(er)線性增(zeng)大，且線(xian)性增🐉長(zhang)系數與(yǔ)振蕩頻(pin)率相關(guān)㊙️.
2)圓管人(ren)口與出(chu)口存在(zài)周期波(bō)動的瞬(shun)時流量(liàng)差,振蕩(dang)頻率越(yue)大或人(ren)口流速(sù)峰值越(yuè)小，則瞬(shun)時流量(liang)差的波(bō)動也越(yue)小
3)在振(zhen)蕩流态(tai)下,由于(yu)相位滞(zhì)後和瞬(shùn)時流量(liàng)差的存(cún)在💰,使孔(kong)🆚闆流量(liang)計的測(ce)量流量(liang)與實際(jì)出口流(liú)量之間(jian)存在偏(piān)差振蕩(dang)頻率越(yue)大,偏差(cha)也越大(dà)..
4)孔闆流(liú)量計作(zuo)爲的流(liú)量計量(liang)的常用(yòng)元件,該(gai)分析結(jié)果對孔(kǒng)闆的結(jie)構設計(jì)及系統(tong)的整體(tǐ)動态特(tè)性研究(jiu)具有重(zhong)要意義(yi). 本文來(lái)源于網(wǎng)絡,如有(you)侵權聯(lián)系即删(shān)除！