在流體機(ji)械瞬态流(liu)動的過程(chéng)中,需要對(dui)瞬時流量(liàng)進行🌈測試(shì)．電磁流量(liang)計在測量(liàng)快速變化(hua)的流量時(shi),其轉換器(qi)的信号處(chu)理🛀時間普(pu)📐遍超過0．２s,需(xu)要經過特(te)殊設計才(cái)能達到要(yao)求✔️[5];渦輪流(liu)量計在測(ce)試小流量(liàng)的瞬時變(biàn)化時,存在(zài)強烈的非(fei)線性問題(tí)．而在許多(duo)場合,孔闆(pan)流量計能(neng)較好地用(yong)于瞬态流(liú)🤩量的測試(shi)．
　　基于CFD技術(shu),通過改變(biàn)流量﹑直徑(jìng)比﹑孔闆厚(hou)度和流體(ti)介💞質等,對(duì)孔📧闆内部(bu)穩定流動(dòng)進行了研(yan)究．采用CFD技(jì)🥵術研究了(le)方形孔和(hé)圓形孔闆(pan)流量計在(zài)測量濕夭(yao)然氣時的(de)異同;對錐(zhui)體流量計(jì)的孔流系(xi)數進行數(shù)值模拟;對(dui)周期性波(bō)動的流量(liàng)流經孔闆(pan)進行了實(shí)驗⭐和理論(lun)分析後指(zhi)出,孔闆前(qián)後壓差呈(cheng)現非🙇‍♀️線性(xìng),且㊙️滞後于(yú)🔞流量的變(bian)化,稱之爲(wei)“渦慣性”．
　　鑒(jiàn)于目前未(wei)見有對孔(kǒng)闆流量計(jì)在測量流(liu)量加速瞬(shùn)态過程的(de)相關研究(jiu),爲了從内(nei)流角度揭(jie)示壓差滞(zhi)後于流量(liàng)變化的原(yuán)因,考妞到(dao)采用試驗(yàn)測量較爲(wèi)困難,文中(zhong)采用CFD方法(fa)分别對穩(wěn)态和加速(sù)過程的孔(kǒng)流系數進(jìn)行數值預(yù)測,重點分(fèn)析孔流系(xì)數與流動(dòng)狀态瞬時(shi)轉變間的(de)聯系,爲實(shí)現采用孔(kong)闆流量計(ji)測量瞬時(shi)流量提供(gong)參考。
1物理(li)模型和數(shu)值方法
1.1基(ji)本理論
　　孔(kǒng)闆流量計(jì)是一種差(chà)壓式流量(liàng)計．對于不(bu)可壓流體(tǐ)的水平管(guan)流動,忽略(lue)管壁摩擦(ca)阻力損失(shī),根據流體(ti)的連續💔性(xing)和機械能(néng)的相互轉(zhuan)化可得

1.2模(mó)型﹑網格和(hé)邊界條件(jian)
　　圖1爲孔闆(pǎn)流量計的(de)物理模型(xíng)示意.根據(jù)标準孔闆(pǎn)流量🤞計的(de)安裝,圖1a中(zhong),上下遊直(zhi)管段長分(fen)别取10D和5D作(zuò)爲穩定直(zhi)☎️管段.其中(zhong)上下遊管(guǎn)内徑D取100mm,孔(kong)闆厚度δ取(qǔ)3mm.
　　流量從0以(yǐ)恒定加速(su)度增長,如(rú)圖1b所示;測(ce)壓點的位(wei)置示于圖(tu)1c.

　　爲了準确(què)捕捉孔闆(pǎn)前後流場(chang)的變化情(qíng)況,首先在(zai)👣壁面附🌈近(jin)劃分了邊(bian)界層網格(ge),邊界層第(di)1層厚度爲(wèi)0.1mm,共10層,高度(dù)增長因子(zǐ)爲1.1;其次,用(yòng)與孔闆等(deng)孔徑的圓(yuan)柱面作爲(wèi)分界面,對(dui)内部流域(yu)進行切割(ge),并對該邊(bian)界面附近(jìn)劃分同上(shang)的邊界層(céng)網格,其内(nei)部區域采(cǎi)用蝶形網(wang)格劃分;最(zuì)後,在邊界(jiè)層設置⭐好(hao)的基礎上(shàng),采用結構(gou)化網⭕格生(sheng)成方式完(wan)成其餘部(bu)分的📱網格(ge)劃分.
　　圖２給(gei)出了孔闆(pǎn)附近的網(wang)格分布.以(yi)常溫狀态(tai)下液态水(shui)作爲流體(tǐ)介質,動量(liang)﹑湍動能和(he)湍流耗散(san)率方程的(de)🔱離散選擇(zé)二階迎風(feng)格式,壓力(li)和速度耦(ǒu)合選用SＩMＰLＥ算(suan)法,穩态和(he)加速條件(jian)下的湍流(liú)模型分别(bie)采用Realizablek－ε和RealizableDＥS模(mó)型.穩态和(he)加速過程(chéng)的進口均(jun1)采用速度(dù)進口邊界(jiè)條件,流體(tǐ)加速曲線(xian)見圖1b,管壁(bì)爲無滑移(yí)壁面邊界(jie)條件.

　　由于(yu)流速不斷(duàn)增大,考妞(niu)采用變時(shi)間步長的(de)方式以提(ti)高叠代過(guò)程的經濟(jì)性,時間步(bu)長△t與時刻(kè)t采用🙇‍♀️式(1)的(de)關系式:

　　流(liu)場求解軟(ruǎn)件爲Liｎux平台(tái)下的Flueｎｔ6．3,采用(yong)曙光1800工作(zuò)站上的8個(gè)ＩｎｔelXeoｎ處♈理器(3．２GHz)進(jìn)行并行計(ji)算,穩态叠(dié)代4000次約需(xu)２h,瞬态叠代(dai)２50個時間步(bu)約☔需２２h．
2結果(guǒ)分析
2.1孔流(liú)系數和壓(yā)降
　　圖3給出(chū)了孔流系(xì)數的數值(zhí)模拟結果(guǒ),Realiza-blek－ε模拟的穩(wen)态孔流系(xì)數C0與ＩSO試驗(yan)回歸曲線(xian)[10]的最大誤(wù)差在3％以内(nèi),标準k－ε的最(zui)大誤差達(da)6％[6]．
　　對于流量(liàng)Q≤0．6m3/h,C0随流量的(de)增加緩慢(man)下降,之後(hou)保持在0．63左(zuǒ)♋右．與C0不同(tóng)🚶‍♀️的是,C從0開(kāi)始随流量(liang)的增大而(ér)增大,并逐(zhu)漸向😄C0靠近(jin),直至🌏Q≥3．5m3/h後才(cai)👨‍❤️‍👨達到☂️C0的水(shui)平．C在時間(jiān)上滞後于(yu)C0．圖4中△p－Q曲線(xiàn)顯示,Q≤3．0m3/h時,加(jiā)速過程孔(kong)🚩闆前後壓(yā)降高于同(tong)等流量下(xia)穩态壓降(jiàng);Q≥3．0m3/h後,瞬态壓(yā)降才降爲(wèi)穩态水平(ping)．

2.2速度和壓(yā)力場分析(xī)
　　從内流角(jiao)度分析導(dao)緻第２．1節中(zhong)C和C0不同的(de)原因,圖5和(hé)圖6分别給(gěi)出并對比(bi)了相同流(liu)量下穩态(tài)和加速過(guò)程中流經(jīng)孔闆🚩前後(hòu)🔞流體的速(sù)度和壓力(lì)場．對于Q≤3．0m3/h穩(wěn)态條件,孔(kong)闆後方始(shǐ)終可觀察(chá)到一個被(bèi)拉長的主(zhu)渦和孔闆(pan)右上方的(de)🔞小渦,流動(dong)的損失較(jiào)大,同時表(biao)明流場中(zhōng)已形成穩(wen)定的流動(dong)通道,動能(néng)和壓能的(de)🔞轉化已達(da)到💋平衡,流(liú)動的損失(shī)(長漩渦)也(yě)趨于穩定(dìng)🐕,并且壓差(cha)随流量的(de)增大而穩(wen)定增大．
　　加(jia)速過程中(zhōng)孔闆後方(fang)的漩渦是(shi)逐漸形成(chéng)的:小流量(liàng)時㊙️流‼️動較(jiao)爲平穩,流(liu)體不斷被(bèi)加速的流(liú)體向下遊(you)推🙇‍♀️動,漩👅渦(wo)來不及形(xing)成,流動的(de)損失較小(xiao);随着流量(liàng)的不斷加(jiā)大,孔闆後(hòu)方開始出(chū)現流動分(fèn)離(約在Q＞1．1m3/h時(shí));當流量進(jìn)一步加⭕大(da),孔闆後方(fang)出現了較(jiào)大的漩渦(wo)．加速前期(qi),壓力沿整(zhěng)個管道逐(zhu)漸向下遊(yóu)傳播,壓🛀🏻能(neng)傳播的距(jù)離較長,沒(méi)有在短距(ju)離内快速(su)轉換爲動(dòng)能．
經上述(shù)分析可以(yǐ)認爲,導緻(zhi)加速前期(qi)C和C0之間差(cha)異的内流(liú)原🐪因❤️是,漩(xuán)渦形成的(de)滞後以及(jí)加速前期(qī)壓🤟力能沒(mei)有在短🔞距(jù)離内全部(bù)轉化爲動(dòng)能．
　　随着流(liu)量的增大(dà),孔闆後方(fāng)出現了明(ming)顯的漩渦(wō),漩渦中心(xīn)📐附近區域(yù)即爲低壓(ya)區．雖然孔(kong)流系數和(hé)壓降的瞬(shùn)态和穩态(tài)值🚶分别📞相(xiang)互接近,然(ran)而由于流(liu)體仍然處(chù)于加速階(jie)段,因此流(liú)動狀态(漩(xuan)渦的形狀(zhuang)和位置)和(he)壓🔞力分布(bù)與穩态條(tiao)件相比,仍(reng)然存在較(jiào)大差異．


3結(jié)論
　　通過CFD技(jì)術,實現了(le)穩态和加(jiā)速流體流(liu)經孔闆後(hòu)流場的數(shù)值模拟,得(de)到了孔流(liú)系數﹑流場(chǎng)和壓力的(de)模拟結果(guo),主要概括(kuò)爲:
1)穩态孔(kǒng)流系數C0的(de)數值預測(cè)值與ＩSO試驗(yan)回歸曲線(xian)十分接近(jìn)♌,Realizablek－ε比标準k－ε的(de)C0預測值更(gèng)接近ＩSO試驗(yàn)回歸曲線(xiàn),誤差分🌐别(bié)爲3％和6％;
２)加速(sù)過程,C随流(liu)量的增大(da)逐漸增大(da)并靠近穩(wen)态C0;加速前(qián)期,壓差高(gāo)于穩态水(shuǐ)平,随着流(liu)量的不斷(duan)增大,瞬态(tài)和穩态壓(ya)差相互接(jie)近．3)導緻加(jia)速前期C和(he)C0之間✊差異(yì)的内流原(yuán)因是,漩渦(wō)形成的滞(zhi)後以及加(jiā)速前期壓(ya)力能沒有(you)在短距離(li)内全部轉(zhuǎn)化爲動能(neng)．文中✨内容(róng)可爲利用(yong)孔闆流量(liàng)計測量瞬(shun)時流量提(ti)供參考依(yī)據,爲流體(ti)機械内部(bù)非定常流(liu)動等特殊(shū)問題的提(ti)供基本保(bao)障．今後的(de)工作将圍(wei)繞流量波(bō)動﹑階躍⚽和(he)突減等其(qí)他瞬态狀(zhuàng)況．

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