摘(zhai)要:超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳循(xun)環發電(dian)技術采(cǎi)用超臨(lin)界狀态(tai)下的二(er)氧化碳(tan)代替傳(chuán)統水蒸(zheng)氣工質(zhì),由于物(wù)性發生(sheng)巨大變(biàn)化,質⭐量(liang)流量測(cè)量與計(ji)算方法(fa)需重新(xin)構建。本(běn)文開展(zhǎn)了孔闆(pǎn)流量計(ji) 數值模(mó)拟研究(jiu),使用fluent軟(ruan)件模拟(ni)計算了(le)孔闆直(zhi)徑比、節(jie)流孔厚(hòu)度🌈、孔闆(pǎn)厚度等(deng)結構參(can)數對流(liú)量系數(shù)的影響(xiǎng),結果♍表(biao)明現行(hang)㊙️标準對(dui)超臨界(jiè)二氧化(hua)碳并不(bú)适用。本(ben)文提出(chū)了針對(dui)超臨界(jiè)二氧化(hua)碳工質(zhi)的孔❤️闆(pǎn)流量計(ji)‼️結構參(cān)數㊙️推薦(jian)範圍,在(zai)該範圍(wéi)内絕大(dà)多💃數計(jì)算結果(guǒ)🈲相對誤(wu)差小于(yú)2%,并針對(dui)入口邊(bian)緣鈍化(huà)提出了(le)新修正(zheng)系數,修(xiū)正後計(ji)😘算結果(guo)相對誤(wù)差爲0.11%~1.85%,滿(mǎn)足測量(liàng)💃精度要(yao)求。
　　伴随(sui)着經濟(ji)社會的(de)不斷發(fā)展,我國(guo)發電機(jī)組在發(fā)電效率(lü)、能🔞源結(jie)構、環境(jìng)效益等(deng)多方面(miàn)都面臨(lín)着轉型(xing)升級的(de)嚴峻挑(tiāo)戰。中國(guó)在2007年已(yǐ)經成爲(wèi)全球溫(wēn)室👈氣體(tǐ)第一大(dà)排放國(guó)家川。習(xí)近平總(zong)書記在(zai)聯合國(guó)-般性辯(biàn)論會.上(shàng)承諾[2],中(zhōng)國碳排(pái)🆚放量力(li)争🚩分别(bie)于2030年🔞和(hé)2060年前實(shí)現達峰(feng)和中和(hé),作爲一(yī)種變革(gé)性火力(lì)發電技(ji)術超臨(lín)界二氧(yang)化碳循(xún)環是實(shi)現能源(yuán)結構轉(zhuǎn)型進程(cheng)中的重(zhòng)要手段(duan)。
　　随着“雙(shuang)碳”目标(biao)的逐步(bù)落實，超(chāo)臨界二(èr)氧化碳(tàn)(溫度高(gāo)于303.98K、壓力(lì)高💛于7.38MPa)被(bèi)廣泛應(ying)用,其作(zuo)爲工質(zhi)的布雷(lei)頓循環(huán)具有極(ji)高的熱(rè)源适💯用(yòng)性,可應(yīng)用于太(tài)陽能、核(hé)♉能、餘熱(rè)等多種(zhǒng)場景。且(qiě)💛由于超(chao)臨界二(èr)🚶氧化碳(tan)密度大(dà)、黏性小(xiǎo)、壓縮性(xing)好、循環(huán)過程無(wu)相變，相(xiàng)比于傳(chuán)統水工(gong)質,超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳循(xún)環珂以(yǐ)實現更(geng)高的循(xun)環效率(lǜ),Dostal等[3]指🔞出(chū)在透平(ping)人口工(gong)質溫度(dù)高于550℃條(tiáo)件下,超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tan)循環發(fā)㊙️電系統(tong)性能顯(xiǎn)著高于(yú)水✔️循環(huán)系統。此(cǐ)外，配合(hé)間歇性(xìng)、随機性(xing)強的可(kě)再生能(neng)源供電(diàn)以保障(zhàng)社會用(yong)電穩定(dìng)是未來(lai)火力發(fa)電重要(yao)任務,超(chao)臨界二(er)氧化碳(tàn)系統靈(ling)活性高(gāo)、能實現(xiàn)完全熱(re)電解耦(ou)的特點(dian)也使其(qí)更能滿(mǎn)足未來(lái)火力發(fā)電的☂️深(shēn)度調峰(feng)需求。
　　系(xi)統内部(bù)流動工(gong)質流量(liang)的正确(què)測量是(shi)其得以(yǐ)應🏃🏻‍♂️用的(de)基礎。當(dāng)前超臨(lín)界二氧(yǎng)化碳主(zhǔ)要用于(yu)藥物/化(huà)學試劑(jì)萃取、油(you)田驅油(yóu)等溫度(du)、壓力相(xiàng)對較低(di)的場景(jing),而超♌臨(lin)界二氧(yang)化碳循(xun)環系統(tong)需要二(er)氧化碳(tàn)工質達(da)到極高(gao)的溫度(dù)與壓力(lì),二🥰氧化(huà)碳的密(mi)度、比熱(re)、黏度等(deng)物性參(cān)數發生(sheng)了顯著(zhe)變化,對(dui)于該條(tiao)件下👉二(èr)氧化碳(tan)流量✔️測(cè)量,傳統(tong)流量測(ce)量方法(fa)将不再(zài)适用。孔(kǒng)闆流🌂量(liang)計是--種(zhǒng)技術成(cheng)熟且适(shi)合于高(gao)溫高壓(ya)流體流(liú)量測:量(liàng)的方法(fǎ),經過多(duō)年發展(zhan)孔闆流(liu)量計已(yǐ)形成标(biāo)🍉準化形(xing)式,主要(yào)包括兩(liang)部分,分(fen)别是具(jù)有直角(jiao)邊緣的(de)-段節流(liu)孔,以及(jí)在節流(liu)孔後具(jù)有一斜(xie)🐪角的錐(zhuī)形擴流(liu)段,其結(jié)構如圖(tú)1所示。然(ran)而有關(guān)測量超(chao)臨界二(èr)氧化碳(tan)循環中(zhōng)工質流(liu)量的孔(kong)闆流量(liàng)計設計(jì)方案,國(guo)内外并(bing)無經驗(yan)借鑒。因(yin)此需要(yao)針對超(chao)臨界二(er)氧化碳(tàn)工質的(de)全新特(te)性,探究(jiū)孔闆結(jié)構參🔱數(shù)的變化(huà)對于流(liú)量系數(shù)的影響(xiǎng),同時驗(yan)證現有(yǒu)标準中(zhōng)的相關(guan)規定對(duì)于超臨(lin)界二氧(yang)化碳✌️工(gōng)質是否(fou)适用。.
　　我(wo)國學者(zhě)采用數(shu)值模拟(nǐ)爲主,實(shí)驗驗證(zhèng)爲輔的(de)研究方(fang)式㊙️,以水(shuǐ)或天然(rán)氣爲研(yán)究對象(xiang),開展了(le)管徑、孔(kǒng)💁徑厚度(dù)等結構(gòu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻參數對(duì)孔闆流(liú)量計的(de)影響研(yan)究。孔闆(pǎn)直徑比(bi)、厚度🔆等(deng)參數會(huì)顯著影(yǐng)響孔闆(pǎn)的節流(liú)特性,從(cóng)而影響(xiǎng)流量計(jì)的計量(liàng)性能。當(dang)直徑比(bǐ)小于0.3時(shí),流量系(xì)數随直(zhí)徑比增(zeng)加❌而快(kuai)速下降(jiang)🛀🏻,當直徑(jing)比大于(yú)0.3時，流量(liang)系數逐(zhú)漸遞增(zeng),但增速(sù)較緩;直(zhí)徑比✉️在(zai)0.2~0.8範圍内(nèi)時，流量(liàng)系數随(sui)β增大👉呈(chéng)先減小(xiao)後增大(da)的趨勢(shi)♍,并以0.55爲(wei)分界點(diǎn),其中♊β在(zai)0.45~0.65之間時(shi)可控制(zhi)誤差在(zai)3%以内✨。與(yu)直徑比(bǐ)不同,流(liu)量系數(shù)随孔闆(pǎn)厚度的(de)變化特(te)性較--緻(zhì)。厚度e增(zeng)加，流出(chu)系數直(zhi)線上升(shēng);林棋等(děng)人[4-5]也認(ren)🚶爲流出(chu)系數随(suí)縮徑孔(kǒng)厚度增(zeng)大而增(zeng)大;在模(mó)型中考(kǎo)慮了引(yin)壓管的(de)存在,結(jie)果顯示(shi),e變化0.15mm時(shí)，流出系(xi)數🌈變化(hua)1.56%;e變化1mm時(shi)，流出系(xì)數變化(hua)2.125%。
 
　　近年來(lai)的理論(lun)知識、不(bú)斷優化(hua)的算法(fǎ)以及不(bú)斷更💛新(xin)擴充🔴的(de)實驗數(shu)據庫等(děng)都保證(zheng)了數值(zhi)模拟研(yán)究😍的正(zheng)确率與(yu)精度,因(yīn)而逐漸(jiàn)成爲主(zhǔ)流研究(jiū)方法之(zhī)一。孔闆(pǎn)流量計(ji)管道内(nei)部介質(zhi)🐉流動複(fú)雜,參數(shù)變化劇(ju)烈,采用(yòng)數值模(mó)拟方法(fa)可以有(yǒu)效捕捉(zhuo)到管道(dào)内☂️部的(de)細微變(bian)化,因此(cǐ)是孔闆(pǎn)流量計(ji)研究的(de)有力工(gōng)🐇具。部分(fèn)學者利(lì)用數值(zhi)模拟對(dui)孔闆流(liú)量計結(jie)🌈構進行(hang)了優化(huà)設計。利(lì)用Fluent模拟(ni)🌈了一種(zhong)半雙曲(qǔ)線型的(de)新式🐆孔(kong)闆流量(liàng)計,并同(tong)時利用(yong)牛頓流(liu)體和非(fēi)牛頓流(liú)體進行(hang)驗證，發(fa)現這種(zhong)流量計(ji)可使内(nei)部介質(zhì)🧡近似無(wú)剪切流(liu)動,大大(da)消除了(le)渦流和(hé)停滞區(qū)㊙️等流動(dong)結✉️構;研(yán)究發現(xian)🔞在孔闆(pǎn)流量計(jì)下遊插(cha)入-個環(huán)可以有(yǒu)💞效減少(shǎo)壓力損(sun)失,并利(li)用數值(zhí)🙇🏻模拟和(he)遺傳算(suàn)法優化(huà)結構,可(ke)減少33.5%的(de)壓力損(sun)失,極大(da)的降低(di)了能耗(hao)和🍉成本(běn)。
　　因此,本(běn)文進行(hang)了孔闆(pǎn)流量計(jì)結構參(cān)數對于(yú)流量🐇系(xi)數影👣響(xiǎng)的‼️模拟(nǐ)研究,包(bao)括直徑(jìng)比、節流(liu)孔厚度(dù)、孔闆厚(hòu)度等結(jié)構參數(shu),明确了(le)在超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳工(gōng)質典型(xing)工況下(xià)不同結(jié)構參數(shu)對流量(liàng)系數的(de)影響,同(tóng)時将通(tong)過現行(hang)孔闆流(liu)量計㊙️國(guo)際标準(zhǔn)文件中(zhong)經🌈驗公(gōng)式計算(suàn)得到的(de)結果與(yǔ)數值模(mo)拟結果(guǒ)進行比(bǐ)🌈較,提出(chu)了針對(duì)超臨界(jiè)二氧化(huà)碳工質(zhi)的孔闆(pan)流量計(ji)結構參(can)數推薦(jian)範圍與(yu)🔴推薦設(shè)計值,提(ti)升了其(qi)測量精(jing)度。除此(cǐ)之外，還(hái)探究了(le)孔闆人(ren)口直角(jiǎo)邊緣鈍(dun)化對孔(kong)闆💋流量(liàng)計測量(liàng)精度的(de)影響,并(bing)據此提(ti)出了新(xīn)的針對(duì)現行孔(kong)闆流量(liàng)❄️計國際(jì)标準文(wén)件中經(jīng)驗公式(shi)計算得(dé)到的流(liú)量系數(shù)的修正(zheng)系數。
1.計(jì)算模型(xing)與模拟(nǐ)方法
1.1模(mo)型建立(lì)與網格(ge)劃分
　　根(gen)據标準(zhǔn)文件[1]規(guī)定的孔(kong)闆流量(liang)計結構(gòu)設計與(yu)參數要(yao)求，本文(wen)🍓分别建(jiàn)立了DN25和(he)DN200兩種管(guan)徑的孔(kǒng)闆流量(liang)💃🏻計,結構(gòu)參數如(rú)🏃表1所示(shi),在後文(wén)進行相(xiang)關研究(jiū)時均🐕以(yi)該表中(zhong)的結構(gòu)參數🌏爲(wèi)基礎參(can)數,依據(ju)該參數(shu)使用SolidWorks軟(ruǎn)件建立(lì)了孔闆(pan)流量計(ji)及其前(qián)後一定(ding)長度管(guan)道的幾(ji)何模型(xing),如圖2所(suǒ)示👄。
 
 
　　本文(wen)采用非(fēi)結構化(hua)網格進(jin)行模拟(nǐ)計算,利(lì)用AnsysMeshing軟件(jian)将孔闆(pǎn)♊流🚶量計(ji)管道劃(hua)分爲四(sì)面體網(wang)格和六(liù)面體網(wǎng)格相結(jie)合的混(hun)合形式(shi)☂️。除此之(zhī)外,爲了(le)準确捕(bǔ)捉到流(liú)場🔴内的(de)細微變(biàn)化,在介(jiè)質與管(guan)道内壁(bi)接觸處(chu)進行邊(bian)界層的(de)網格劃(huà)分，采用(yòng)平滑過(guò)渡法,第(dì)一層🏃高(gāo)度根據(jù)面網格(gé)和過渡(du)比進行(háng)确定,最(zui)大層數(shu)爲📐5層，增(zeng)長率爲(wèi)1.2,這時邊(bian)界層總(zǒng)厚度是(shì)變化的(de),對于複(fú)雜流動(dòng)更有效(xiào)，結果如(rú)圖3所示(shi)。
 
　　爲提高(gāo)節流孔(kǒng)闆内部(bu)及其到(dao)前後取(qu)壓截面(miàn)處的模(mo)拟精度(dù),利用影(ying)響球對(dui)孔闆前(qián)後長度(dù)爲D的流(liú)場範圍(wei)内進行(háng)了局部(bù)網格加(jiā)密,網格(ge)數量過(guo)少會導(dǎo)緻計算(suan)精度不(bu)足,而過(guò)多的網(wang)格數量(liàng)則會無(wú)謂地加(jia)大計算(suàn)🤞工作量(liang),降低計(jì)算速度(du)。本文對(dui)DN25和DN200兩種(zhong)管徑不(bú)同的管(guan)道進行(hang)網格數(shu)量與計(jì)算結果(guo)無關性(xing)的驗證(zhèng)，綜合計(ji)算精度(dù)與計算(suan)速度考(kao)慮,對于(yú)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼DN25管道,選(xuǎn)取網格(gé)數分别(bie)爲956036和1190483時(shi),在各點(diǎn)測出的(de)壓力相(xiang)差均小(xiao)于0.01%，因此(ci)選擇劃(huà)分網格(ge)數爲956036;對(duì)于✊DN200管道(dao),選取網(wǎng)🔅格數分(fen)别爲2308874與(yǔ)4328293時,在各(gè)💋點測出(chū)的壓力(lì)相差均(jun)小于0.01%，因(yīn)此選擇(ze)劃分網(wang)格數爲(wei)2308874。
1.2模拟程(cheng)序參數(shù)設置
1.2.1物(wù)性參數(shù)設置
　　Refprop軟(ruan)件由NIST開(kai)發，該軟(ruan)件含有(you)豐富的(de)數據庫(ku)以及适(shi)用于😄超(chāo)臨界CO,的(de)多個狀(zhuang)态方程(chéng)。本文通(tong)過在Fluent軟(ruǎn)件中激(jī)活NISTRealGas模型(xing)[川進行(hang)調用,計(jì)算超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳流(liú)體的物(wu)性參數(shu)。其中物(wù)性參數(shu)采用FEK狀(zhuàng)态方程(cheng)模型計(jì)算‼️，黏度(du)采用VS1模(mó)型,導熱(rè)系數采(cai)用💁TC1模型(xing),各模🏃型(xing)的相關(guān)參數如(rú)表2所示(shi)。
 
1.2.2邊界條(tiao)件設置(zhi)
　　本文針(zhen)對超臨(lín)界二氧(yǎng)化碳鍋(guō)爐人口(kou)處的循(xún)環工質(zhi)💁進😘行流(liú)量系數(shu)測量的(de)數值模(mó)拟研究(jiu),設置了(le)質量流(liú)量人🈲口(kou)與壓力(lì)出口,溫(wen)度、壓力(li)等參數(shù)的選取(qǔ)爲超臨(lin)🐉界二氧(yang)化碳鍋(guō)爐入口(kǒu)處工質(zhì)典型參(can)數,即750K、21MPa。由(you)于循環(huán)系統運(yun)行😄于高(gāo)壓環境(jìng)，管道的(de)壓力損(sǔn)失👈相較(jiào)而言很(hěn)小，因此(ci)可認爲(wei)管道壓(ya)力爲恒(heng)定.值,壓(ya)🐅力出口(kou)參數設(she)置與人(rén)口相同(tóng),其餘參(can)數保持(chi)默認🌈不(bú)變;由于(yú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻超臨界(jie)二氧化(huà)碳鍋爐(lu)人口處(chu)管道一(yī)般采取(qu)嚴格保(bǎo)溫措施(shī),因此可(ke)忽略壁(bi)面與工(gōng)質間的(de)換熱,設(she)置爲絕(jué)熱邊界(jiè)。
1.2.3數值模(mo)型設置(zhì)
　　本文主(zhu)要模拟(ni)超臨界(jie)二氧化(huà)碳工質(zhì)流經孔(kǒng)闆流✊量(liàng)計♋的流(liu)動過程(chéng),基本方(fang)程包含(han)質量、動(dong)量和能(néng)量💔輸運(yun)方程,由(you)雷諾數(shù)的定義(yì)公式
 
　　計(ji)算可知(zhī)本文針(zhēn)對的超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tan)工況下(xià)雷諾👣數(shu)均遠大(da)于4000,因此(cǐ)管道内(nèi)的流動(dòng)均處于(yu)湍流狀(zhuàng)态,在📞進(jin)行㊙️數值(zhí)💋模拟時(shí)需進行(háng)湍流模(mó)型的設(shè)置,本文(wén)選擇SSTh-ɷ湍(tuan)流模型(xíng)。
1.2.4求解參(cān)數設置(zhì)
　　FLUENT中的亞(ya)松弛因(yīn)子主要(yào)控制計(ji)算過程(chéng)中每次(cì)叠代☁️的(de)變化量(liàng)✏️,可以通(tong)過減少(shao)兩層次(ci)之間計(ji)算.結果(guǒ)的差值(zhi)從而促(cù)進收斂(liǎn)。本文⭐設(she)置的亞(yà)松弛因(yīn)子如表(biǎo)3所示。
 
1.3模(mo)型的驗(yan)證
　　基于(yu)上述設(shè)置，本文(wén)針對溫(wen)度爲535.1~642.5K、壓(ya)力爲19MPa、質(zhi)量流量(liàng)爲1.28kg/s的實(shi)驗工況(kuang)進行了(le)模拟研(yán)究,模拟(ni)的孔闆(pǎn)結構參(can)數、溫度(du)、壓力、流(liu)量等參(can)數以及(jí)數據處(chù)理方法(fa)均與實(shi)驗保持(chí)--緻,得到(dao)了超臨(lín)界二氧(yang)化碳工(gōng)質的流(liú)量系數(shu)。将模拟(ni)計算得(dé)到的流(liú)㊙️量系數(shu)與實流(liu)測量結(jie)果進行(hang)對比,結(jie)果如圖(tu)4所示。,通(tōng)過數值(zhi)模拟得(de)到的流(liu)量系數(shù)與實驗(yan)數據總(zǒng)體❗趨勢(shì)相似,在(zai)數值上(shàng)⛷️均高于(yú)實🥵驗數(shù)據🚶‍♀️,但相(xiàng)對于實(shí)驗數據(jù)的偏差(chà)較小,偏(piān)差爲1.62%~2.69%。
 
　　造(zào)成偏差(cha)的原因(yīn)可能有(yǒu)多種,如(rú)實驗選(xuǎn)用測量(liang)儀表具(ju)✨有一定(dìng)🆚的不确(que)定度、模(mo)拟參數(shù)的設置(zhì)無法與(yu)真實情(qíng)況完全(quan)對應、收(shou)斂判據(jù)設置不(bú)嚴格等(deng)等。爲了(le)降低模(mo)拟結果(guo)與實驗(yàn)數據的(de)偏差,本(ben)文分别(bie)按各模(mó)拟結果(guǒ)相對同(tong)工況下(xià)實驗數(shù)據的🈲偏(piān)差平均(jun1)⛱️值進行(háng)修正。模(mo)拟得到(dao)流量系(xi)數相對(dui)實驗數(shù)據平均(jun1)增大0.013,因(yin)此對模(mó)拟結果(guǒ)減去該(gai)修正值(zhi),修正後(hou)相對偏(pian)差爲0.016%~0.674%。
上(shàng)述結果(guǒ)說明數(shu)值模拟(nǐ)方法與(yǔ)實驗結(jié)果的一(yī)緻💋性🎯較(jiào)🛀好,因此(cǐ)本文建(jiàn)立的數(shù)值模拟(nǐ)方法可(ke)用于後(hòu)🐪續進一(yi)步的研(yan)👅究。
2孔闆(pǎn)結構參(can)數對流(liú)量系數(shù)影響
2.1直(zhi)徑比的(de)影響
　　直(zhi)徑比會(hui)顯著影(yǐng)響孔闆(pǎn)對于介(jiè)質流過(guò)的節流(liu)效果🌈,改(gai)變介質(zhì)流過的(de)速度、壓(yā)力等參(can)數,是影(yǐng)響孔闆(pǎn)流量計(jì)測量性(xing)能的首(shou)要因素(sù)。ISO國際标(biao)準中規(gui)定,孔闆(pan)流量⚽計(jì)的直徑(jing)比一般(ban)在0.1~0.75内變(bian)化,本文(wen)分别選(xuǎn)取直徑(jìng)比在0.3~0.9之(zhī)内的7個(ge)✨工況進(jìn)行了模(mó)拟計算(suan),探究孔(kong)🚩闆流量(liang)計直徑(jing)比對流(liú)量系數(shù)的影響(xiǎng)，得到的(de)結果⛷️如(rú)圖5所示(shi)。
對數據(jù)進行分(fèn)析可知(zhi):
(1)孔闆流(liu)量系數(shù)随直徑(jìng)比的變(bian)化趨勢(shì)與管徑(jing)無關。随(suí)着孔闆(pan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼直徑比(bǐ)增大,DN25和(hé)DN200管道内(nei)孔闆流(liu)量系數(shù)呈現近(jin)似相🌈同(tóng)變化趨(qū)♈勢;上升(shēng)-平穩-.上(shang)升,主要(yao)區别在(zai)于前者(zhe)✌️在β爲0.4~0.8範(fàn)圍内較(jiao)平穩、而(er)✔️後者在(zài)0.5~0.8範圍内(nei)較平穩(wěn);
(2)标準文(wén)件[10]中經(jing)驗計算(suàn)公式的(de)結果随(sui)直徑比(bi)增加而(ér)逐漸下(xia)💚降,其中(zhong)直徑比(bi)在0.3~0.6範圍(wei)内時下(xia)降趨勢(shì)較平緩(huan)🐇,當超過(guò)0.6時下降(jiang)值逐漸(jian)增大;
(3)孔(kong)闆流量(liàng)系數在(zài)β爲0.3~0.6時小(xiǎo)于經驗(yàn)公式計(ji)算值,此(cǐ)範圍内(nei)使用經(jīng)🤞驗計算(suàn)公式會(huì)使測量(liàng)結果較(jiao)真實值(zhi)❓大2.45%~47.03%;β在0.7~0.9時(shí)孔🏃🏻‍♂️闆流(liu)量系數(shu)大于經(jing)驗公式(shi)計算值(zhí)，此時使(shǐ)用經驗(yan)計算公(gōng)式會使(shi)測量值(zhí)比實際(ji)值小0.5%~60.19%;
(4)當(dang)直徑比(bi)在标準(zhǔn)文件[10]規(gui)定的0.1~0.75範(fàn)圍内時(shi),孔闆流(liú)量系數(shù)的模拟(ni)結果與(yu)經驗公(gong)式計算(suàn)結果的(de)相對誤(wù)差波🏃🏻‍♂️動(dong)較大,如(rú)對DN25管道(dao)而言,β爲(wèi)0.3時相對(dui)偏差達(da)到47.03%,而β爲(wèi)0.7時相對(duì)偏差僅(jǐn)爲0.5%。因此(cǐ)對于🔞超(chao)臨界二(er)氧化碳(tàn)工質而(er)言，孔闆(pan)直徑比(bǐ)的選擇(ze)範圍應(yīng)較标準(zhǔn)規定範(fan)圍縮小(xiao);對于超(chao)臨界二(èr)氧化碳(tàn)工質而(ér)言,直徑(jing)比在0.6~0.7範(fàn)圍内時(shí)孔闆流(liu)量系數(shu)的模拟(nǐ)結果與(yu)經驗公(gōng)式⛷️計算(suan)結果的(de)相對誤(wu)差較小(xiao)，其中DN25管(guǎn)道相對(duì)誤差爲(wei)🛀🏻0.5%~2.45%,DN200管道相(xiang)對誤差(cha)爲2.27%~3.6%。
 
2.2節流(liú)孔厚度(du)的影響(xiang)
　　孔闆節(jiē)流孔厚(hou)度決定(ding)了超臨(lín)界二氧(yang)化碳工(gong)質流🔞過(guo)收縮管(guǎn)道的長(zhǎng)度,是影(yǐng)響孔闆(pǎn)節流能(néng)力的主(zhǔ)要參數(shu)🏒之一，會(huì)對工質(zhi)流過孔(kong)闆的流(liú)速、壓力(lì)等參數(shu)産生影(ying)響,進而(ér)👅影響測(ce)量結果(guo)。标準文(wen)件[10]規定(dìng)标準🎯孔(kong)闆節流(liú)孔厚度(du)應在0.005D~0.02D之(zhī)間,對應(yīng)DN25管道的(de)e應在0.115~0.46mm,DN200管(guǎn)道🏃的e應(yīng)在0.695~2.78,本文(wen)🆚分别模(mo)拟了DN25管(guan)道e爲0.1~0.7mm、DN200管(guǎn)道e爲0.2~4.2mm時(shi)超臨界(jiè)🤞二氧化(hua)碳工🤟質(zhi)流過節(jie)流孔闆(pan)☁️的流量(liang)系數變(bian)化,爲便(bian)于對比(bǐ)♈,以e/D爲橫(héng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼坐标将(jiāng)結果表(biǎo)示在圖(tú)6中。
 
對數(shù)據進行(hang)分析可(kě)知:
(1)孔闆(pan)流量系(xi)數随e/D的(de)變化趨(qu)勢與管(guan)徑無關(guan)。随着e/D逐(zhu)㊙️漸🔞增加(jia),DN25和DN200管道(dao)内孔闆(pan)的流量(liàng)系數均(jun)呈現先(xian)減小後(hou)增大的(de)趨勢，分(fen)别在e/D爲(wei)0.017和0.023時達(dá)到最小(xiǎo)值，此後(hòu)流量系(xi)數先急(ji)劇增大(dà),随後保(bǎo)持🍉平緩(huan)增長;
(2)标(biāo)準文件(jian)[I0]中經驗(yàn)計算公(gong)式的結(jie)果不随(suí)節流孔(kong)厚度而(ér)發生改(gǎi)🤟變,其中(zhong)DN25管道的(de)經驗公(gong)式計算(suan)結果略(luè)大-一些(xie),模拟得(dé)到的🚶DN25和(hé)DN200管✔️道的(de)流量系(xi)數均小(xiao)于經👅驗(yàn)公式計(ji)算結果(guǒ),其中前(qián)者的🏃‍♂️相(xiang)對誤♌差(cha)爲0.18%~1.84%,後者(zhe)的‼️相對(dui)誤差爲(wèi)0.31%~2.05%;
(3)在标準(zhǔn)文件[10]規(guī)定孔闆(pan)節流孔(kǒng)厚度範(fàn)圍内,孔(kǒng)闆流量(liàng)系數模(mo)拟📱結果(guo)與經驗(yàn)公式的(de)相對誤(wu)差均在(zài)2%以下,因(yin)此标準(zhǔn)中規定(dìng)的孔闆(pan)節流孔(kǒng)厚度範(fan)圍可以(yi)接受;同(tong)時還發(fā)現當節(jiē)流孔厚(hòu)度超過(guò)規定範(fan)圍一🍉定(ding)值後,相(xiàng)對誤差(cha)仍可接(jiē)受,甚至(zhi)相對誤(wu)差還可(kě)能減少(shao)，如DN25管道(dao)的e爲0.6mm、0.7mm時(shi),均超出(chu)了規定(dìng)上限0.46mm,但(dàn)相對誤(wu)差分别(bie)達到了(le)0.3%和0.18%，因此(cǐ)标準中(zhōng)規定的(de)節流孔(kong)厚度範(fan)圍在針(zhen)🌐對超臨(lín)界二氧(yǎng)😍化碳工(gōng)質時可(ke)以适當(dāng)擴大📱,推(tuī)薦DN25管道(dao)孔闆節(jie)流孔厚(hou)度可在(zai)0.004D~0.03D内變化(hua)，DN200管道在(zai)0.005D~0.03D範圍内(nei);
(4)基于模(mó)拟結果(guǒ)給出相(xiang)對誤差(cha)更小時(shí)對應孔(kǒng)闆節流(liu)孔厚度(du)的推薦(jiàn)值,其中(zhōng)DN25管道孔(kǒng)闆在e/D爲(wèi)0.004~0.008及0.02~0.03之間(jiān),即e爲0.1~0.2mm.0.5~0.7mm時(shí)🚶，相對誤(wù)差小于(yú)1.5%;DN200管道♋孔(kǒng)闆在e/D爲(wei)0.005~0.012及0.027~0.03時,對(duì)應e爲0.7~1.7mm及(ji)3.7~4.2mm時，相對(duì)誤差小(xiǎo)于等于(yu)1.5%。
2.3孔闆厚(hou)度的影(yǐng)響
　　由圖(tú)1可知，标(biāo)準孔闆(pǎn)在節流(liu)孔之後(hou)還設置(zhi)一定長(zhang)👌度的錐(zhui)形擴流(liú)段,與節(jiē)流孔段(duàn)共同組(zǔ)成孔闆(pǎn)的節流(liú)段,該擴(kuò)流段🥵長(zhang)度也會(huì)對孔闆(pǎn)的節流(liu)能力産(chan)生影響(xiang),從而改(gǎi)變工質(zhì)流過孔(kǒng)闆後的(de)速度、壓(ya)力等參(can)🈲數,對測(cè)量精度(dù)産生影(yǐng)響。标準(zhun)文件[10]規(guī)定孔闆(pǎn)厚度E應(yīng)在e~0.05D之間(jiān),對應DN25管(guan)道的E應(ying)不大于(yu)1.15mm,DN200管道的(de)E不超過(guò)6.95mm。
　　本文在(zai)保持節(jie)流孔厚(hou)度不變(bian)的情況(kuàng)下，分别(bié)設置了(le)不同的(de)孔闆厚(hòu)度用以(yi)探究流(liú)量系數(shù)的變化(huà),其中DN25管(guan)道孔♌闆(pǎn)厚☁️度E爲(wèi)0.5~1.4mm,DN200管道孔(kong)闆厚度(du)E爲3~8mm,模拟(ni)結果如(ru)圖7所示(shì)。
 
對數據(jù)進行分(fèn)析可知(zhi):
(1)孔闆流(liú)量系數(shù)随E/D的變(biàn)化趨勢(shì)與管徑(jing)無關。随(suí)着E/D逐🧑🏾‍🤝‍🧑🏼漸(jiàn)😍增加📞,DN25管(guan)道和DN200管(guǎn)道内孔(kǒng)闆流量(liang)系數呈(cheng)現近似(sì)相同的(de)變化💔趨(qu)勢🔴:即下(xia)降上升(sheng)-平穩-下(xia)降,主要(yao)區别在(zai)于DN200管道(dao)内孔闆(pǎn)流量系(xì)數下降(jiang)和上升(shēng)的趨勢(shì)更加明(ming)顯;
(2)流量(liang)系數經(jīng)驗計算(suan)公式的(de)結果不(bu)随孔闆(pan)厚.度而(er)發生變(biàn)化，其中(zhōng)DN25管道的(de)經驗公(gōng)式計算(suan)結果偏(piān)大--些,DN25和(hé)DN200管🔞道的(de)👅流量系(xi)數🈲均小(xiǎo)于經驗(yan)公式計(ji)算值,因(yīn)此當使(shi)用經驗(yan)公式進(jìn)行工質(zhì)流量計(ji)算時會(huì)造成計(ji)算結果(guo)偏大;
(3)在(zài)标準文(wen)件[10]規定(ding)孔闆厚(hòu)度範圍(wei)内,DN25和DN200管(guǎn)道内孔(kong)闆流量(liàng)系數與(yǔ)經驗計(ji)算公式(shi)的相對(dui)誤差均(jun)在2%以下(xia)，因此标(biāo)準中的(de)規定範(fàn)圍可以(yi)接受,但(dan)該規定(ding)範圍🌂對(duì)于超臨(lin)界二氧(yang)化碳工(gong)質可适(shi)當擴充(chong),如模拟(nǐ)結果所(suǒ)示，當DN25和(hé)DN200兩種管(guǎn)徑的孔(kǒng)闆厚度(du)E達到0.06D左(zuo)右時，雖(suī)🔞然已經(jing)超出✍️了(le)規定的(de)0.05D這一限(xian)值,但相(xiang)🏃🏻對誤差(cha)仍小于(yu)2%，處于可(kě)接受的(de)範圍,但(dàn)依據變(bian)化趨勢(shi)可以合(hé)理預測(cè)，當孔闆(pǎn)厚度繼(ji)續增加(jia)時，相對(dui)誤差将(jiāng)大于2%，因(yīn)此建議(yi)對于超(chao)臨界二(er)氧化碳(tàn)工質而(er)言,孔闆(pǎn).厚度可(ke)設置在(zai)📐0.02D~0.06D之間。
2.4孔(kong)闆流量(liang)計結構(gou)參數設(shè)計建議(yi)
　　通過對(dui)孔闆流(liú)量計各(ge)結構參(can)數的模(mo)拟研究(jiū),明确了(le)在進行(háng)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhì)質量流(liu)量測量(liang)時,孔闆(pǎn)流量系(xi)數随各(gè)結構參(can)數的變(bian)化趨勢(shì)與相對(dui)📐誤差,本(ben)節主要(yao)對以上(shàng)模拟結(jie)果進行(háng)總結分(fèn)析,參💛考(kǎo)《用能單(dan)位能源(yuán)計量器(qi)具配🐆備(bèi)和管理(lǐ)通則》中(zhōng)的🥵精度(dù)規定，，給(gei)👅出了針(zhēn)對超臨(lín)界二氧(yǎng)化碳工(gōng)質的孔(kǒng)闆流量(liàng)計結🚩構(gou)參數推(tui)薦設計(jì)範圍,在(zài)該範圍(wéi)内經驗(yàn)計算公(gong)式的計(jì)算結果(guǒ)可滿足(zu)2.5精度等(děng)級要求(qiu),還進一(yi)步提出(chū)了該範(fan)圍内精(jīng)度相對(duì)更高的(de)結構參(cān)數推薦(jian)值，将以(yǐ)上結果(guo)與現行(háng)🌍國際标(biao)準ISO5167-2:2003中标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)各結構(gòu)參數的(de)規定範(fàn)圍進行(háng)對比,如(rú)表4所示(shi)。
 
　　可以看(kan)出,對于(yú)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhi)而言,标(biāo)準文件(jiàn)[10]規定的(de)孔♍闆流(liu)量計各(gè)結構參(can)數的設(shè)計範圍(wéi)并不完(wán)全适用(yong),其中直(zhi)🈲徑比的(de)規定範(fàn)圍過大(da),對應的(de)流量系(xi)數的相(xiàng)對誤差(chà)🌈也波動(dong)✌️較大,從(cóng)0.5%到47.03%不等(deng),而當直(zhi)徑比在(zài)0.6~0.7範圍内(nèi)時🥰,可将(jiang)相對誤(wu)差有效(xiào)❗降低至(zhì)0.5%~3.6%;在标準(zhǔn)文件[10]規(guī)定的節(jiē)流孔🈲厚(hòu)度、孔闆(pǎn)厚度等(deng)參數範(fan)💔圍内,絕(jué)大多數(shu)流量系(xì)數的相(xiang)對誤差(cha)可控制(zhì)在2%以🔅下(xià)，因此其(qi)規定範(fan)圍可以(yǐ)繼續使(shǐ)用,同時(shi)本文的(de)數值模(mo)拟結果(guǒ)顯示，當(dang)孔闆的(de)以，上幾(ji)個結構(gòu)參數的(de)數值超(chao).出其規(gui)定範圍(wei)時,最大(da)相對誤(wù)差也僅(jin)👉爲2%左右(yòu)，因此對(dui)于超臨(lín)界二氧(yang)化碳工(gong)質而言(yan)，孔闆的(de)節😍流孔(kǒng)厚度、孔(kǒng)闆厚度(du)等參數(shu)均可一(yi)定程度(dù)上超出(chū)标準中(zhong)的規定(ding)範圍，相(xiàng)對誤差(chà)也可接(jie)受。
3入口(kǒu)直角邊(bian)緣尖銳(rui)度及其(qí)修正系(xì)數的模(mó)拟研究(jiu)
　　一般而(ér)言,孔闆(pan)人口邊(bian)緣應該(gāi)是尖銳(rui)的,其與(yu)超臨界(jiè)二氧化(hua)🐕碳工質(zhi)首先直(zhi)接接觸(chù),如果其(qí)尖銳度(dù)不夠的(de)話則無(wu)法保證(zheng)對于工(gong)質的節(jie)流作用(yòng)達到預(yù)期,因而(er)會對測(cè)量精度(du)産生影(ying)響。在孔(kǒng)闆實際(jì)工作過(guo)程:中,可(ke)能存在(zai)加工精(jing)度不足(zu)、工質磨(mó)損、腐蝕(shi)等問題(tí)的存在(zài)🙇🏻,造成直(zhi)角邊🤞緣(yuan)變鈍,故(gu)标準文(wen)件[10]規定(ding),孔闆人(rén)口邊緣(yuán)的圓弧(hu)半徑應(yīng)小于等(deng)于0.0004D,在此(cǐ)限值之(zhī)内的誤(wù)♋差是可(ke)以接受(shòu)的,若超(chāo)過這一(yī)-限值,則(zé)無法保(bao)證測量(liang)精度,應(ying)進行相(xiang)應的維(wei)修、更換(huàn)或修正(zhèng)等。本文(wén)模拟了(le)孔闆人(ren)口邊緣(yuan)圓弧半(ban)徑爲0~0.015D時(shí)✉️孔闆的(de)流量系(xì)數變化(hua)趨勢,結(jie)果如圖(tú)8所示。
 
分(fen)析結果(guo)可以得(dé)出:
(1)孔闆(pan)人口邊(biān)緣尖銳(ruì)度對于(yu)孔闆流(liu)量系數(shù)的影響(xiang)🔞趨勢與(yu)管徑無(wú)關。随着(zhe)孔闆人(rén)口邊緣(yuan)逐漸變(bian)鈍,DN25和DN200兩(liang)種😍管道(dao)的孔闆(pǎn)流♉量系(xì)數呈現(xian)近似相(xiang)同的變(bian)化趨勢(shì)，均随着(zhe)人📞口圓(yuán)弧半徑(jìng)的增大(da)而先增(zēng)大後減(jian)小,分别(bié)在r達到(dào)0.01D和0.008D時流(liú)量系數(shu)達到最(zuì)大;
(2)孔闆(pǎn)人口邊(bian)緣開始(shǐ)鈍化時(shí),流量系(xì)數顯著(zhe)增加,遠(yuan)大于經(jing)驗計算(suàn)公式結(jie)果,因此(ci)造成使(shi)用經驗(yan)計算公(gong)式時得(de)到的工(gōng)質質量(liàng)流量相(xiàng)對真實(shí)值很小(xiao)，其中DN25管(guan)道内相(xiang)對🈲誤差(chà)爲5.16%~12.61%,DN200管道(dào)的相對(duì)誤差爲(wei)5.13%~11.96%;
(3)對于超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tàn)工質而(ér)言,當孔(kong)闆人口(kǒu)直角邊(bian)緣🐪變鈍(dun)❓後😄,應立(li)即進行(hang)相應的(de)處理或(huo)流量系(xì)數的修(xiū)正,否則(ze)誤差将(jiang)會變得(dé)很大。
　　當(dang)使用标(biāo)準文件(jian)[10]給出的(de)不同邊(bian)緣尖銳(ruì)度對應(yīng)的修正(zheng)系數b進(jìn)行孔闆(pan)流量系(xi)數的修(xiū)正時,可(ke)以--定程(cheng)度上減(jian)少流量(liàng)系數的(de)相對誤(wù)差。本文(wen)使用表(biao)5中的修(xiu)正系數(shu)b對經驗(yan)公式計(jì)算結📐果(guǒ)進行修(xiū)正,結果(guǒ)如圖9所(suǒ)示。
 
 
　　結果(guǒ)顯示，對(dui)于超臨(lin)界二氧(yang)化碳工(gong)質而言(yán),當使用(yong)修正系(xi)數b進行(háng)孔闆流(liú)量系數(shù)的修正(zhèng)後,僅可(ke)使部分(fèn)邊🧑🏾‍🤝‍🧑🏼緣圓(yuán)弧半🐉徑(jing)對應的(de)孔闆流(liú)量系數(shu)相對誤(wu)差降低(dī)到🤞可以(yi)接☎️受的(de)程度,而(er)大💔部分(fèn)情況下(xia)相對誤(wu)😘差仍比(bi)較大,如(rú)DN25管道多(duō)數情況(kuàng)下的流(liu)量系數(shù)相對💚誤(wu)差在4.41%~6.94%之(zhi)間👈,DN200管道(dào)的相對(dui)誤差多(duo)數在3.74%~7.11%,因(yīn)此該修(xiū)正☀️系數(shu)b對于超(chao)臨界二(èr)氧化碳(tan)工質并(bing)不适用(yòng)。
　　對DN25和DN200管(guǎn)道的模(mo)拟流量(liàng)系數及(jí)經驗公(gong)式計算(suàn)結果求(qiú)平🏃‍♂️均💜,得(dé)到針對(dui)超臨界(jiè)二氧化(hua)碳工質(zhì)的不同(tong)孔闆邊(biān)緣尖銳(rui)度對應(yīng)的修正(zheng)系數b,如(rú)表6所示(shì)。将更正(zheng)👨‍❤️‍👨的修正(zhèng)系數應(yīng)用于模(mó)拟數據(jù)，結果如(rú)圖10所示(shi)。
 
　　可以看(kan)出,當使(shi)用更正(zheng)後的修(xiu)正系數(shù)b進行孔(kong)闆的流(liu)量系數(shù)經驗公(gong)式計算(suan)結果的(de)修正後(hou),得到的(de)流量系(xì)數與模(mo)拟結果(guǒ)拟合較(jiào)好,其中(zhong)DN25管道相(xiang)對誤差(chà)爲0.11%~1.21%,DN200管道(dao)相對誤(wu)差爲0.11%~1.85%。
4結(jie)論
　　本文(wén)開展了(le)孔闆流(liú)量計的(de)數值模(mo)拟研究(jiu)，探究了(le)孔闆的(de)各結構(gòu)參數對(duì)超臨:界(jie)二氧化(hua)磯工質(zhi)流量系(xì)數的影(yǐng)響,基于(yu)此❓給出(chū)🏃🏻了孔闆(pǎn)流量計(ji)結構參(can)數的設(she)計建議(yì),并且探(tàn)究了人(rén)口✔️直角(jiao)邊🔴緣尖(jian)銳度對(dui)流量系(xi)數的影(yǐng)響,得到(dào)的主要(yào)💯結論如(rú)下:
(1)現行(háng)标準文(wen)件中的(de)孔闆流(liú)量計結(jié)構參數(shu)的規定(dìng)範圍測(cè)量相對(duì)誤差在(zai)0.5%~47%的較大(dà)範圍内(nèi)波動,對(duì)于超㊙️臨(lín)界二氧(yang)化碳工(gōng)質并不(bú)适用。
(2)本(ben)文針對(duì)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhi)提出了(le)孔闆.流(liu)量計💘結(jié)構參數(shu)推薦設(she)計範圍(wéi),其中直(zhí)徑比應(ying)爲0.6~0.7,節流(liú)孔厚度(du)應爲0.004~0.03倍(bèi)⭐的管道(dào)内✂️徑,孔(kong)闆厚度(dù)應爲0.02~0.06倍(bèi)的管道(dào)内徑,在(zai)該範圍(wei)内絕大(da)多數工(gōng)況下流(liú)量系數(shu)的相對(duì)誤差可(kě)控制在(zai)2%以下;
(3)孔(kong)闆人口(kou)邊緣鈍(dun)化會使(shǐ)流量系(xì)數顯著(zhe)增加,且(qiě)修正系(xi)數b并不(bú)能使相(xiàng)對誤差(chà)降低至(zhì)可以接(jie)受的範(fàn)圍,修正(zhèng)後相對(dui)誤差仍(réng)有約3.74%-7.11%,本(běn)文針對(dui)不同工(gōng)況提💋出(chū)不同修(xiu)正參數(shu),修正後(hou)經驗👌公(gōng)式的相(xiàng)對誤差(chà)降低爲(wei)0.11%~1.85%。

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