摘要:針對孔(kong)闆流量計 測量精(jing)度及節能降耗的(de)要求，對5種結構的(de)單孔闆進行了數(shù)值模拟研究。進行(háng)了數值模拟與标(biao)準孔闆實🔴驗比♉對(dui),對模拟方法的可(kě)靠性進行了驗證(zhèng)，在❤️此基礎上進一(yī)步完成了5種結構(gou)10組流速下的數值(zhi)研究。通過速度矢(shǐ)量圖得出孔☎️口後(hòu)流态的變化;計算(suàn)流量系數，得出流(liú)量系數與雷諾數(shù)關系曲線、軸線距(ju)離與壓🥰力關系圖(tú)、壓差與雷諾數關(guan)系圖。結果🐆表明,5種(zhong)孔闆中外凹型孔(kǒng)闆流量計II因爲闆(pan)前緩沖段較爲理(li)想,對流體起到了(le)整流的作用，減弱(ruò)了闆前流體死區(qu)的形成和闆後渦(wo)流的形成,降低了(le)孔闆流量計的壓(ya)力🔆損失,且流量系(xì)數大,随雷諾數增(zēng)♍大壓差增大緩慢(man),壓力恢複快。
　　孔闆(pǎn)流量計是常見的(de)測流量裝置，以連(lian)續性方程和伯努(nǔ)♍利方程爲理論基(ji)礎。流體在通過節(jie)流元件時,由于流(liu)通面積的突然🔞收(shōu)縮促使流體加速(sù)，産生節流效應,使(shǐ)孔闆前後産生壓(ya)差,通過測量壓差(cha)從而計算出管道(dao)中的流量。節流元(yuan)件的尺寸和結構(gou)💃🏻的不同,會導緻測(cè)量精度、測量壓力(lì)、管徑範圍及流量(liàng)系數随雷諾🌈數變(biàn)化關系的㊙️差異。選(xuan)擇或者✉️設計出較(jiào)爲理想的孔闆流(liu)量計,是計量🏃‍♀️行業(ye)發展的需要。采用(yòng)數值模拟分析研(yan)究管内孔闆類節(jie)流元件的相關流(liu)場已有數十年的(de)曆史,采用ANSYSFluent軟件,選(xuan)擇5種标準及非标(biao)準孔闆作爲對象(xiang),爲非标準📱孔闆流(liu)量🌍計的與發展提(tí)供一定依據。
1研究(jiu)模型
1.1幾何模型
　　模(mó)拟5種不同孔闆形(xing)狀的孔闆流量計(jì)，見圖1。
　　5種孔闆均按(àn)照ISO5167國際标準，确定(dìng)孔闆尺寸。根據相(xiang)關🌏規定,孔闆節流(liú)元件的孔徑與孔(kong)闆通徑比值d/D=0.2~0.8;最小(xiǎo)孔徑dmin≥12.5mm;直孔✊部分厚(hou)度h=(0.005~0.02)D;總厚度H<0.05D這5種孔(kong)闆公稱通徑D=40mm,節流(liú)元件的孔徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流量(liàng)系數計算模型
　　計(jì)算每個孔闆流量(liang)計對應的流量系(xi)數見公式(1)
 
　　式中:qm爲(wei)流體的質量流量(liang),kg/s;A0爲孔口截面積,m2;p爲(wei)流體密度,kg/m3;△p爲孔口(kǒu)兩側壓差,Pa。
2模型驗(yan)證及數值模拟
2.1實(shí)驗驗證過程
　　爲了(le)确保數值模拟過(guò)程設置正确,将模(mo)拟結果與實驗值(zhí)進行了比對實驗(yan)采用裝置見圖2。
 
　　水(shui)由離心泵從水箱(xiāng)抽出後,經過孔闆(pan)流量計，通過彎管(guan)再流回水箱。其中(zhōng)孔闆流量計爲标(biāo)準型，管道内徑40mm,孔(kong)闆🔆口徑35mm,孔闆厚度(du)5mm。在不同的閥門開(kai)度下,測試孔闆流(liu)量計壓差,計算流(liú)量及流量計流量(liàng)系數。實驗、模拟💚結(jie)果對比見圖3。
 
　　由圖(tú)3可知，模拟與實驗(yan)吻合,對模拟方法(fa)的可靠性⛷️進行了(le)驗🔞證.。
2.2數值模拟設(shè)置
　　由于孔闆流量(liàng)計的軸對稱特性(xìng)，流體在經過孔闆(pǎn)流量計時也是對(duì)稱的,因此選用1/2實(shi)體及對稱面結構(gou)。應用“mesh”進行模拟實(shí)體的網格劃分，見(jian)圖4。
 
　　由于孔闆流量(liang)計結構簡單,因此(cǐ)在劃分網格時隻(zhi)需在節♍流元件處(chù)既縮口處進行網(wang)格的加密。該模拟(ni)中采用的介質爲(wèi)20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作壓力爲(wèi)标準大氣壓。采用(yong)3D求解器，湍流方程(chéng)㊙️用“标準k-epsilon”方程;選用(yòng)速度進口和壓力(lì)出口邊界條件,進(jìn)行叠代求解計算(suan)。
　　在模拟過程中取(qǔ)闆前2D、闆後5D,即闆前(qián)80mm、闆後200mm爲計算域。5種(zhong)孔闆設定10個統一(yi)的進口流速,分别(bie)爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的雷諾數(shu)值分别爲7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果與(yǔ)讨論
　　以ʋ=0.2m/s時孔闆的(de)模拟結果爲例,各(ge)孔闆流量計的速(sù)度矢量雲圖🈲見圖(tu)5.
 
 
 
　　由圖5可知，流體在(zài)經過闆前區域時(shí)流道急劇收縮，速(su)度增🏃‍♀️大。其🍉中标準(zhun)孔闆I所形成的孔(kǒng)後大速度值高,爲(wèi)1.2m/s;外凸型孔闆川I、加(jiā)厚型孔闆IV次之,約(yue)爲1m/s;外凹型孔闆I1和(he)♻️直邊型❗孔闆V較小(xiǎo),分别爲0.88和0.74m/s。外凸型(xing)孔闆II低流速較大(da)，直邊型孔闆V次之(zhi),其餘均基本相等(děng)。經過孔口後部分(fèn)☀️流體流動方🔱向發(fā)生改變,産生了一(yi)定🐅的渦流區域🚶，形(xíng)成湍流,孔闆的.結(jié)構不同造成的旋(xuán)渦湍流區域形狀(zhuàng)及發展長度也明(ming)顯不同。标準孔闆(pan)I湍流區較寬,湍流(liú)長度較長。外凹型(xíng)孔闆II湍流段較短(duǎn),流場爲整齊,從而(er)也推測出其節流(liú)損失🔞小。
　　對5種孔闆(pan)進行了進一步的(de)數據采集,保持孔(kong)闆的直徑比不改(gai)變。由流量分别計(ji)算對應的雷諾數(shù),采集每💞個孔闆每(měi)🔴個流速所對應的(de)闆前D、闆後D/2取壓點(dian)🌏所在平面的平🈚均(jun1)壓力，即闆前40mm、闆後(hòu)20mm計算壓差,并根❓據(ju)公式(1)計💜算出每個(ge)孔闆對應的流量(liang)系‼️數,得到流量系(xì)數與雷諾數關系(xi)曲線圖見圖6。
 
　　由圖(tu)6可知,雷諾數的變(bian)化對流量系數影(ying)響不大,說明這幾(ji)種孔闆都具有良(liáng)好的穩定性。外凹(ao)型孔闆II的流🌈量系(xì)數比其他🙇🏻4種大，标(biāo)準孔闆I小;加厚型(xing)孔闆IV的流量系數(shu)曲線在較大及較(jiao)🌍小雷諾數時變化(huà)明顯,因此該類型(xing)穩定性稍差;直邊(biān)型孔闆V穩定性好(hao)。
　　沿軸向的距離L與(yu)壓力的關系見圖(tu)7。
 
　　由圖7可知，幾種孔(kǒng)闆壓降位置、壓降(jiang)大小及壓力恢複(fú)性不同。加🚶‍♀️厚型孔(kong)闆IV的壓降位置靠(kao)前,直邊型孔闆V靠(kao)後,其🔆餘三者基☂️本(ben)接近;标準孔闆I的(de)壓降大,外凹型孔(kong)🌈闆II壓降🔞小;外凹型(xing)孔闆II的壓力恢複(fu)快。
　　壓差△p與雷諾數(shu)的關系曲線見圖(tu)8。
 
　　由圖8可知，幾種孔(kong)闆壓差△p随着雷諾(nuo)數的增大而增大(dà),增加趨勢基本相(xiàng)同,其中标準孔闆(pan)I增加快大,外凹型(xing)孔闆II增大緩慢。
4結(jié)論
　　通過流場模拟(ni)雲圖、流量系數與(yu)雷諾數的曲線關(guan)系🈲、中㊙️心軸線壓力(lì)分布曲線、壓差△p與(yǔ)雷諾數的曲線關(guan)系的分析可🚶以得(de)出,5種孔闆中外凹(ao)型孔闆流量計II因(yin)爲闆前緩沖段較(jiao)🤞爲理想❄️,對流體‼️起(qi)到了整流的作用(yòng),減弱了闆前流體(tǐ)死區的形成和闆(pǎn)後渦流的形成,降(jiàng)低了孔闆流量計(jì)的壓力.損失。且流(liú)量系🤞數大,随雷諾(nuo)數增大壓差增大(da)緩慢,壓力恢複快(kuài)，是5個類型中♋性能(néng)較好的一種。在進(jin)行單孔闆流量計(ji)的設計時，不但要(yao)滿足直徑比,還應(yīng)該考慮孔闆的厚(hòu)度和孔闆闆前的(de)過渡段。孔闆的厚(hòu)度不宜🐉太薄也不(bu)宜過厚,過渡段對(duì)流體要能進行整(zheng)‼️合,使流體盡可能(néng)緩和🏃‍♀️的流人。在孔(kǒng)闆的設計及使用(yòng)中,應結👈合實際情(qíng)況,應用合适尺寸(cùn)類型的孔闆，确保(bǎo)流量🌏系數穩定,并(bing)降低壓力損失,保(bǎo)證流場穩定,進而(ér)提高孔闆流量計(jì)的質量和測量的(de)精度。

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