摘要(yào):因多種工況(kuang)條件無法滿(mǎn)足測量精度(dù)要求，傳統 差(cha)壓式流量計(ji) 應用範圍受(shou)到一定限制(zhi)。基于多孔整(zhěng)流器和标準(zhǔn)孔闆的流量(liang)測量原理，提(ti)出一種對稱(cheng)多孔孔闆差(chà)壓式流量計(jì) 的設計方法(fa)。然後對該流(liu)量計進行計(ji)算流體動力(li)學(CFD)數值計算(suàn)與仿真分析(xi)，結果表明多(duo)孔孔闆差壓(yā)式流量計測(ce)量✂️精度較标(biao)👄準孔闆流量(liang)計提高1倍以(yǐ)上，永久壓力(li)損失減小約(yue)1/3。最後進行實(shi)流試驗，試驗(yan)結果表明，多(duō)孔孔闆流量(liàng)計比常規标(biao)準孔闆節流(liú)裝置具有明(míng)🔴顯的優勢，其(qí)适應性更好(hǎo)。此設計方法(fa)可爲多孔孔(kong)闆🚶流量計的(de)結構設計和(hé)性能優化提(ti)供參考。
0引言(yán)
　　流量計量是(shì)計量科學技(ji)術的重要組(zǔ)成部分，廣泛(fàn)🤟應用💔于農業(yè)生産、石油石(shi)化、科學研究(jiū)、國防建設以(yǐ)及人民生🚶‍♀️活(huó)的諸多領域(yu)。尤其在能源(yuan)危機的後經(jing)濟時代，流量(liàng)計量的重要(yao)性日益突出(chū)。相比其它流(liu)量計，傳統差(chà)壓式流量計(ji)因結🐆構簡單(dan)、成本低、重複(fu)♍性好、标準化(hua)程度高等特(te)點得到廣泛(fan)✏️應用，但隻有(yǒu)在符合标準(zhun)要求的技術(shu)條件下，才能(néng)準确地測量(liang)流量。然而，工(gōng)程實際應用(yòng)中，很多工🔴況(kuàng)條件不能滿(man)足上述要求(qiú)，從而無法達(dá)到所需要的(de)✌️測量精度(雷(léi)諾數低于🈲标(biao)準中推薦的(de)雷諾數範圍(wei)、測量介質中(zhong)🈲混有泥沙等(děng))進而🔴限制了(le)其應用範圍(wéi)。
　　爲了改善上(shang)述缺點，非标(biāo)準差壓式流(liú)量計得到快(kuài)❓速發展💚和進(jin)一步的應用(yong)。基于差壓原(yuan)理的多孔孔(kong)闆流量計不(bu)但繼承了标(biāo)準孔闆流量(liàng)計的結構簡(jian)單、無運動部(bu)件等優點🛀，且(qiě)能夠平衡調(diao)整流場，明顯(xiǎn)減少渦流、降(jiang)低死區效應(yīng)、減少流體動(dong)能的損失，是(shi)目前應用最(zui)爲廣泛的一(yī)種非标準差(chà)👈壓式流量計(jì)。但在國内，多(duō)孔孔闆流量(liàng)計的🌐相關核(he)心技術研究(jiū)💚相對較少，實(shí)際應用中要(yao)根據不同💁測(cè)量條件來設(she)計流量計，缺(quē)乏完整的結(jié)構參數設計(ji)和性能優化(huà)🤩設計準則的(de)指導，在一定(dìng)程度🏃上遠未(wei)達到用戶之(zhī)⭕首選。
　　綜上所(suo)述，針對多孔(kong)孔闆流量計(ji)的結構設計(ji)和性能優化(huà)國内已有一(yi)些研究，但缺(quē)乏統一的設(shè)計準則，不利(li)于🐅工程🏒應用(yòng)。
　　結合多孔整(zhěng)流器和标準(zhun)孔闆聯合使(shǐ)用的測量原(yuán)理👄，提出一種(zhǒng)🧡對稱多孔孔(kong)闆差壓式流(liú)量計的設計(jì)方法，采用計(ji)算🈲流體動力(li)學(CFD)技術進行(háng)數值計算與(yu)仿真分析。與(yu)标準孔闆對(duì)比分析其流(liú)出系數及永(yǒng)久壓力損✊失(shi)等性能指标(biāo)，分析結果說(shuo)明🔴了其優越(yuè)🛀🏻性。最後通過(guò)實流實驗驗(yan)證了設計的(de)合理性。此設(shè)計方法可爲(wei)多孔孔闆流(liú)量計‼️的結構(gou)設計和😘性能(néng)優化提供一(yī)定的參考。
1多(duō)孔孔闆流量(liang)計
　　 标準孔闆(pan)流量計 是使(shǐ)用最早、應用(yong)最廣泛的一(yī)種差壓式流(liu)量計，具♋有♉結(jié)構簡單、測量(liang)精度高等特(te)點。其測量原(yuan)理爲對于充(chong)滿管道的🈲流(liu)體，當它流經(jīng)管道内的節(jie)流件時，流體(ti)介質将會在(zai)節流件處形(xing)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼成局部收縮(suo)，因而流速增(zēng)加，靜壓力降(jiang)低，于是在節(jie)🤩流件前後便(bian)産生了一定(ding)的壓差。流體(ti)流量愈大，産(chǎn)生的壓差愈(yù)大，這樣可依(yi)據壓差來衡(héng)量流量的大(da)小。根據不可(ke)壓縮流體的(de)連續🥵性方程(cheng)和伯努利方(fāng)程，定常流體(ti)的體積流量(liàng)可以通過如(ru)下公式表示(shi)［8］:

　　式中:C爲流出(chū)系數，無量綱(gang);β爲等效直徑(jìng)比，無量綱;D爲(wèi)⛱️孔⭕闆直徑;Δp爲(wèi)壓差，單位爲(wei)Pa;qv爲體積流量(liang)，單位爲m3/s;ρ爲流(liú)體介質密度(dù)。
　　多孔孔闆流(liu)量計具有對(duì)稱多孔結構(gou)，是目前最先(xiān)🏃🏻進💘的差壓式(shì)流量計之一(yi)。相比傳統差(cha)壓式流量計(ji)🤟，不僅結構簡(jian)單、安全可靠(kào)👅、适用面廣，還(hai)具有精度高(gāo)、直管段🈲要求(qiú)低、量程比寬(kuān)、永久壓損小(xiǎo)等優點。
　　多孔(kǒng)孔闆流量計(ji)的測量原理(li)基于能量守(shǒu)恒定律📐和質(zhì)量守恒定律(lü)。流量檢測時(shí)，所測介質在(zài)通過多孔節(jiē)流整💃🏻流器的(de)同時進行流(liu)體整流，減小(xiao)節流裝置後(hou)形成的渦流(liú)，形成較穩定(dìng)💯的紊流，從而(ér)使引壓管路(lù)能夠🏃‍♀️獲取到(dào)較穩定的差(chà)🔆壓信号，并進(jin)一步通🆚過伯(bó)努利方💚程計(ji)算得出工藝(yì)所需體積流(liu)量、質量流量(liang)等參數［12-16］。
2對稱(cheng)多孔孔闆差(chà)壓式流量計(jì)結構設計
　　在(zài)工程實際應(ying)用中，每個多(duō)孔流量計都(dōu)要根據不同(tong)測量條件來(lai)設計，其開孔(kǒng)面積、節流孔(kǒng)的大小、節🚶流(liú)孔的具體形(xing)狀、節流孔個(gè)數及排列方(fang)式等結構參(cān)數均會對多(duō)😘孔孔闆流量(liang)計💘的性能産(chan)生影響。由于(yú)缺乏完整的(de)結構參數設(she)計和性能優(yōu)化設計準則(ze)的指導，在一(yi)定程度上🌏限(xiàn)制了其應用(yòng)範圍。對于不(bu)同的測量函(hán)數孔的數量(liàng)、如⁉️何分布函(han)數孔✍️以及🏒函(han)數孔的結構(gòu)等🌂無疑是最(zui)主要的設計(jì)參數，目前還(hai)👉沒有統一的(de)标準。
　　結合多(duō)孔整流器和(hé)标準孔闆的(de)測量原理，提(tí)出并設計流(liú)量計的孔闆(pǎn)結構爲在節(jie)流闆中心一(yi)個圓孔的基(ji)礎上，對🔞稱分(fèn)布數量不等(děng)的圓孔，如圖(tu)1所示，均勻分(fen)布的圓🔆孔的(de)總的面積和(he)标準孔闆的(de)面積相等。

　　當介質流(liu)過圓孔時，流(liú)體被平衡調(diào)整，渦流被最(zuì)小化，形成📞近(jin)似理想流體(ti)，通過取壓裝(zhuāng)置和變送器(qì)，可獲得穩定(dìng)的差壓信👌号(hào)，根㊙️據伯努利(lì)方程計算出(chu)流體的流量(liang):

　　式中:Q爲介質(zhì)流量，單位爲(wèi)m3/h;K爲儀表系數(shu);Y爲膨脹系數(shu);Δp爲差壓值，單(dan)位爲Pa;ρ爲介質(zhi)工況密度，單(dan)位爲kg/m3。
　　基于以(yi)上對稱多孔(kong)孔闆差壓式(shi)流量計結構(gòu)設計的方🆚法(fa)，以🔴孔闆管徑(jing)80mm、等效直徑比(bǐ)0.45、測量介質爲(wèi)常溫水的條(tiáo)件進行研究(jiu)❤️。首先建立多(duo)孔孔闆流量(liàng)計的計算模(mó)♉型，如圖2所示(shì)。參照流量💃測(ce)量節流裝置(zhì)設計手冊建(jian)立流量計的(de)幾何尺寸㊙️，在(zai)流量計測量(liàng)的上下遊部(bù)分設計有一(yī)定的♌直管段(duàn)來确保流量(liàng)計在測量的(de)時候流體的(de)流場處于一(yī)種均勻穩定(dìng)的狀🧑🏾‍🤝‍🧑🏼态并使(shi)因節流而被(bei)破壞的流場(chang)能夠恢複到(dao)節流前的狀(zhuàng)态。

3多孔孔闆(pan)流量計
　　依據(jù)流量計的設(shè)計尺寸，在Creo3.0中(zhong)建立其三維(wei)計算模型⛷️，取(qǔ)🚩闆前4D、闆♈後8D的(de)流場區域作(zuò)爲計算域，并(bing)将其導入ICEM專(zhuan)㊙️用劃分網格(gé)軟件中進行(hang)網格劃分，網(wǎng)格的劃分采(cai)用全六面體(tǐ)結構化網格(gé)的劃分方法(fa)，對計算域進(jin)行局部加密(mì)以保證計算(suan)精度，網格劃(hua)分結果如圖(tu)3所示。

　　由于多孔(kǒng)孔闆流量計(jì)的流場情況(kuang)較爲複雜，對(dui)湍流模型的(de)㊙️要求較高，本(ben)文采用工程(cheng)上常用的Standardk－ε湍(tuan)流模型，其方(fang)程式表述如(rú)下［15］:

　　式中:k是湍(tuān)流動能;ε是湍(tuān)流耗散率;ρ是(shi)流體密度;μ是(shi)流速🌈;μt是湍🍓流(liu)粘度;Gk是由層(céng)流速度梯度(du)而産生的湍(tuān)流動能⁉️;Gb是由(you)浮力産生😍的(de)湍流動能。C1ε、C2ε、C3ε是(shì)常量，分别爲(wei)C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是🙇‍♀️k方程和ε方(fāng)程的湍流prandtl數(shu)，分别爲σk=1.0、σε=1.3。
　　設置(zhi)入口條件爲(wèi)速度入口(velocity-inlet)，出(chū)口爲自由發(fa)展出流(outflow)，以各(ge)項參數的殘(can)差小于0.00001爲收(shōu)斂标準，分别(bié)計算0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等🥰幾種(zhong)入口⛷️流速下(xia)流量計的流(liú)場特性。文中(zhong)給出幾✊種典(diǎn)型流速條🐕件(jiàn)下的計算結(jié)果，如圖4所示(shì)。


　　由(yóu)圖4可以看出(chu)，入口流速在(zài)0.2～7m/s時多孔孔闆(pǎn)流量計下遊(yóu)速度📐彙聚趨(qu)勢明顯，相比(bi)于标準孔闆(pǎn)其壁面回流(liú)區較小，但随(suí)入口流速不(bú)斷增大回流(liu)區長度随之(zhī)增大，變化範(fan)圍爲0.5D～1.2D。由此可(ke)見🏃，多孔孔闆(pan)流量計尾流(liú)流場能夠快(kuài)速進入穩定(dìng)狀✉️态。闆前死(si)區較小，且随(suí)流速增大🤟而(er)逐漸增大🆚。
　　通(tong)過Fluent求解計算(suàn)獲得孔闆前(qian)後的差壓值(zhi)，進而得到流(liú)量計的永久(jiu)壓力損失。取(qǔ)壓口設置爲(wei)上下遊取壓(ya)口🌈距離孔闆(pǎn)上下遊端面(miàn)的距離爲0.04m，通(tong)過在Fluent中定義(yì)相應取壓面(mian)，分别求取上(shang)下遊取壓面(miàn)的平均壓力(lì)值，獲得壓差(chà)值和永久壓(ya)力損失值如(ru)下表1所示👨‍❤️‍👨。不(bú)同入口流速(su)下，标準孔闆(pǎn)流量計和✊多(duō)孔孔闆流量(liang)計的永久📧壓(yā)👣力損失的對(duì)比情況如表(biǎo)1和圖5所示。

　　由(yóu)表1和圖5可以(yǐ)看出，随着入(rù)口流速的不(bu)斷增大，多孔(kǒng)孔闆流量計(ji)的永久壓力(li)損失呈逐漸(jian)增大的趨👈勢(shi);相比于标準(zhǔn)孔闆流量計(jì)，由于渦流的(de)減少，多孔孔(kong)闆流量計具(jù)有更小的永(yǒng)久🍓壓力損失(shī)，永久壓力⭐損(sun)失較标♌準孔(kǒng)闆節流裝置(zhi)降☎️低約1/3。
　　圖6所(suǒ)示爲不同流(liú)速下，多孔孔(kǒng)闆和标準孔(kong)闆流量計的(de)🏃流出系數對(duì)比曲線。由圖(tú)6可知，多孔孔(kong)闆流量計的(de)流出系數較(jiao)标🔱準孔闆流(liú)出系數有明(ming)顯提高，同時(shi)随着流速的(de)變化流出系(xi)數能夠保持(chí)良好的穩定(ding)性。

　　爲了檢驗(yàn)所設計的多(duo)孔孔闆差壓(yā)流量計的性(xìng)能指标，和标(biāo)準孔闆節流(liu)裝置進行了(le)實流試驗，結(jie)合現場使用(yòng)反饋情況，其(qi)性能指标對(dui)比如表2所示(shi)。

4結(jie)論
　　以管徑80mm、節(jie)流比β=0.45的多孔(kong)孔闆爲對象(xiang)，通過對不同(tong)入口🥰流速❗下(xià)㊙️的🍓多孔孔闆(pan)流量計進行(háng)分析，得出此(cǐ)種流量計節(jie)流件❌前後❄️産(chǎn)生的渦流大(da)大降低，無需(xū)很長的直管(guan)段整流，顯著(zhe)提高了測量(liang)精度;永久壓(ya)力損失由于(yu)渦流的減🆚少(shao)較标準孔闆(pǎn)節流裝置降(jiang)低了約1/3。試驗(yàn)對比分析表(biǎo)明📧，多孔孔闆(pan)流量計比常(chang)規标準孔闆(pǎn)節流裝置具(ju)有明顯的優(yōu)勢，其适應性(xing)更好。

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