目前(qian),在各種工業(yè)生産中流量(liang)的測量非常(chang)重要,因此⛹🏻‍♀️各(gè)種各樣的 流(liu)量計 層出不(bú)窮。壓差類的(de)流量計由于(yu)價格較低，使(shǐ)用的經驗豐(fēng)富,經過長時(shí)間的研究,精(jīng)度越來越高(gāo)，所以應用🌈非(fēi)常廣泛😍”。其中(zhōng)雙向🍉内外管(guan)壓差流量計(jì) 具有對流體(ti)的擾動小和(hé)獲得壓差信(xìn)号大的優點(dian)田,但需要對(duì)雙向内外管(guǎn)壓差流量計(jì)的結構參數(shu)✏️進行進YI 步的(de)優化。影響雙(shuāng)向内外管壓(ya)差流量計性(xìng)能的參數有(you)很多，以往🌂的(de)研究大部分(fèn)是對節流件(jian)的1個或2個結(jie)構參數進行(háng)同時🌏優化,不(bú)夠全面印,如(rú)果對3個及以(yǐ)上結構參數(shu)同時優化，便(bian)需要進行大(da)量的仿真工(gōng)👣作，爲提高效(xiao)率，對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻仿真軟(ruan)件進行二次(ci)開發。傳統的(de)仿真✂️軟件FLUENT難(nan)以滿足需求(qiu)，而COMSOLMultiphys-ics仿真軟件(jiàn)📱可以導出M文(wen)件,在MATLAB中運行(hang)程序可以自(zi)動👨‍❤️‍👨仿真并提(tí)取數據，二次(cì)開發難度低(di)甲。如果COMSOL的仿(pang)真效果♊達到(dao)要求,那麽在(zai)雙向内外管(guǎn)壓差流量計(jì)的仿真中,COMSOL仿(pang)真軟件便可(kě)取代FLUENT.
1流量計(ji)原理
　　雙向内(nei)外管壓差流(liú)量計的基本(ben)結構如圖1所(suo)示。安裝節流(liu)件的管道直(zhi)徑選爲32mm。雙向(xiang)内外管壓差(cha)流量計節流(liu)件的長😍度對(duì)流量🔞計的性(xìng)能影響可忽(hu)略,爲了方便(bian)測量,将節流(liu)件大管長度(du)定爲🔴30mm,節流件(jiàn)的厚度定爲(wei)2mm。

　　根據連續(xù)方程和伯努(nǔ)利方程5的原(yuán)理可知，流體(ti)在通過節流(liú)件時,在I-I平面(mian)，外流道流體(ti)體積壓縮,流(liú)速增大👨‍❤️‍👨,流體(tǐ)壓力減小,而(ér)内流道流體(tǐ)擴散,流速減(jian)小，流體壓🤩力(li)增大;在II-II平面(mian),内外流道比(bǐ)較平穩，流速(su)和壓力都趨(qu)于穩定:在亞(ya)一I平面,與I-I平(píng)面情況相反(fǎn)，外流道擴散(sàn),流🍉速減小，流(liú)體☀️壓力增大(da)，而内流道流(liu)體壓縮,流速(su)增大，流體壓(ya)力減小。如此(ci)--來,在II-II段節🈲流(liu)件内外就會(hui)形成最大的(de)壓差:
△P=P内一P外(wài)(1)
式中:△P爲内外(wài)壓差;P内爲内(nèi)測點的水壓(ya);P外爲外測點(diǎn)的水壓。
與傳(chuán)統壓差類流(liu)量計的測量(liang)公式類似,流(liu)量Q的計☎️算🆚公(gōng)式爲:

　　式中:C爲(wèi)流出系數;A爲(wèi)流道截面積(ji),m2;λ爲等效直徑(jing)比;ρ爲流⚽體密(mi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度,kg/m3。
　　影響流量(liang)計測量JINGDU 的主(zhu)要因素是水(shuǐ)頭損失。水頭(tou)損🍉失包括沿(yan)程水頭損失(shi)和局部水頭(tou)損失。局部水(shuǐ)頭損失是指(zhi)🙇‍♀️因局部邊界(jiè)急劇改變導(dao)緻水流結構(gou)改變、流速分(fèn)布改變并産(chǎn)生旋渦區而(er)引起的水頭(tóu)損失。沿程水(shuǐ)頭損失是指(zhǐ)在固體邊界(jie)平直🏒的水道(dào)中，單位質量(liang)的液體自一(yī)斷面流至另(ling)一斷面所損(sǔn)失⁉️的機械能(néng)，這種水頭損(sǔn)失是沿🌈程都(dōu)有,并且随沿(yán)程❤️長度而增(zeng)加。影響局部(bù)水頭損失的(de)因素主要是(shi)節🙇🏻流件異徑(jing)比h、節流件的(de)大管半徑R,影(yǐng)響沿程水頭(tou)損失的因素(su)主要是擴散(san)角θ。
2二次回歸(guī)正交試驗設(shè)計.
　　回歸正交(jiāo)試驗是在因(yīn)素的合理變(bian)化範圍内選(xuǎn)取有限個🌈試(shi)📧驗點安排模(mó)拟計算統計(jì),根據有限個(ge)試驗點建立(li)具有🔱一定可(ke)信度的回歸(gui)方程，當各個(gè)結構參數确(què)定之後，可利(li)用回歸方程(cheng)進行估算見(jiàn),。選擇優化的(de)主要參數是(shì)異徑比k、擴散(sàn)角θ和節流件(jiàn)的大管半徑(jing)R.采🏒用二次正(zhèng)交🌈回歸組合(he)設計的試驗(yàn)方法，首先設(shè)定3個♌控制參(can)數的變化範(fàn)圍:異徑比k爲(wei)0.5~0.9;擴散角θ爲4°~10°;節(jie)流件的👈大管(guǎn)半🛀徑R爲5~9mm。依據(jù)二次回歸正(zheng)交⭕試驗的設(shè)計原則，可以(yǐ)得到各組試(shì)驗的結構參(cān)數♌見表1。

3COMSOL與FLUENT仿(pang)真對比
　　利用(yong)SolidWorks建立三維模(mo)型,導入仿真(zhen)軟件進行網(wǎng)格劃分。按照(zhao)網格劃分的(de)原則,參數變(bian)量變化梯度(dù)大的區域需(xū)要采用較爲(wèi)密集的網格(gé)劃分方法以(yǐ)提高精度,變(biàn)化梯度小㊙️的(de)區域🧡采用較(jiao)爲稀疏的網(wang)格劃分方法(fa)以節省計算(suan)資❓源。節流件(jiàn)前後的流場(chang)劃分的網格(gé)稀疏,節流件(jian)周圍的🌐流場(chǎng)劃分的網格(ge)密集回。FLUENT仿真(zhēn)軟件劃分的(de)網格爲非結(jié)構四面體，将(jiang)整個流場進(jìn)行網格劃分(fen)後,網格數量(liang)在30000左💃右,如圖(tú)2所示。COMSOL仿真軟(ruan)件劃分的網(wǎng)格在靠近邊(bian)界的流場爲(wei)六面體,其他(tā)區域的網格(ge)爲非結構四(si)面體,将整個(ge)流🔞場進㊙️行網(wǎng)格劃分後，網(wang)格數量在100000左(zuǒ)右，如圖3所💯示(shì)。兩種軟件的(de)網格劃分方(fang)法相比較,COMSOL對(dui)流場的網格(ge)劃分更加正(zhèng)💁确。

　　雙向内外(wài)管壓差流量(liang)計的節流件(jian)采用對稱結(jie)構,流🤞場雖然(ran)被分爲内外(wai)兩個部分，但(dan)在節流件中(zhong)部有一-段穩(wen)定流态的直(zhí)管段,當流體(tǐ)流過節流件(jian)後，内外兩🍓流(liu)道又⁉️合并爲(wei)一個流道,其(qi)中流體的流(liú).速和壓力逐(zhú)漸穩定，在流(liú)場中并沒有(yǒu)過大的壓力(li)梯度,所以湍(tuan)流模型選擇(ze)K-ε模型。标準的(de)K-ε模型現已經(jīng)過許多改進(jin),其🐇中RNGk-ε模型來(lai)源于嚴格的(de)統計技術,提(tí)高了精度和(hé)可信度,在FLU-ENT仿(pang)真中可以選(xuan)擇RNGK-ε模型[10),但是(shi)在COMSOL仿真中隻(zhī)能籠統地選(xuǎn)擇K-ε模型。
　　仿真(zhen)介質選擇液(ye)态水，溫度20C,爲(wèi)不可壓縮流(liu)體，出口條件(jiàn)爲outflow,試🌍驗均在(zài)入口流速2m/s.的(de)條件下進行(háng)仿真。在求解(jie)器的設置方(fāng)面✨,兩種軟件(jian)均選擇“叠代(dài)或容差”的終(zhōng)止條件。
　　由于(yú)FLUENT與COMSOL軟件中均(jun)可設置對稱(chēng)面，因此在構(gòu)建三維🏃🏻‍♂️模型(xing)時可以👈僅構(gòu)建半個流場(chang)區域,以方便(biàn)觀察截面.上(shàng)的壓力分布(bù)。在仿真的後(hòu)處理中,壓力(lì)測量點需要(yao)設置在流場(chang)穩定的區域(yù)⛹🏻‍♀️，故計算壓損(sun)的前後壓力(lì)測量點設置(zhi)在節流件的(de)前後1個管徑(jìng)距離的位置(zhì),計算壓差信(xin)号的兩個壓(yā)力測量點設(shè)置在節流件(jiàn)中心和外流(liu)道中心0。
4仿真(zhēn)結果和數據(ju)分析
　　對于雙(shuāng)向内外管壓(ya)差流量計而(er)言,内外壓差(cha)信号大的條(tiao)🔞件下,壓損越(yue)小越好,故選(xuǎn)取内外壓差(chà)信号與壓✔️損(sun)的🚶差值，即壓(ya)損差,作爲雙(shuang)向内外管壓(ya)差流量計的(de)評價指标。按(àn)照前文設置(zhi)的結構參數(shu)建立15組三維(wéi)模型,分别利(lì)用FLUENT與COMSOL進行仿(páng)真,根據仿真(zhen)結果,記錄内(nei)外壓🆚差信号(hao),将COMSOL和🌈FLUENT仿真數(shù)據的差的絕(jue)對值與FLUENT數據(jù)的比值定義(yi)爲誤差比，内(nèi)外壓差信号(hào)數據對比見(jian)表🤩2,用同樣的(de)方法記錄兩(liǎng)種軟件仿真(zhen)結果的💔前後(hou)壓損和壓損(sun)🛀差,并計算出(chu)誤差比❓,數據(ju)對比見表3、表(biao)4。繪制的誤差(chà)比折線圖如(ru)圖4所示。




　　通過(guo)觀察表中數(shu)據可得到規(gui)律:COMSOL仿真數據(ju)與FLUENT仿真數據(ju)的誤差随着(zhe)FLUENT仿真數據的(de)增大而增大(da)。同時對比折(shé)線圖🔞可發現(xian)各組數據的(de)誤差比均維(wei)持在較低且(qie)穩定的水平(ping)。這樣的誤差(cha)比對于後續(xu)拟合二次回(huí)歸方程以及(jí)計算方程的(de)最優解影響(xiǎng)很小。
　　分别導(dǎo)出一組試驗(yàn)的仿真壓力(lì)雲圖進行對(duì)比，如圖5、圖6所(suǒ)📐示。由圖可知(zhī)，壓力分布基(jī)本相同，COMSOL的壓(yā)力雲圖更加(jiā)立體直觀，視(shì)覺效果比FLUENT更(gèng)好。


5結束語
　　以(yi)雙向内外管(guǎn)壓差流量計(ji)節流件的異(yi)徑.比h:擴散角(jiao)θ和節流件的(de)大管半徑R3個(ge)結構參.數爲(wèi)優化目标，設(shè)計了二次回(huí)歸正交試驗(yan)，分别用FLUENT和COMSOL進(jìn)行仿真、記錄(lù)數據。通過COMSOL仿(pang)真所得的數(shu)據與通過💃FLUENT仿(páng)真所得的☔數(shu)據相比,雖然(ran)有浮動,但是(shì)誤差比卻維(wei)持在一個🐉較(jiào)低且穩定的(de)水平,因此🌂，使(shǐ)用COMSOL代替FLUENT進行(hang)雙向内外管(guǎn)壓差流量計(ji)的仿真。COMSOL的仿(páng)真過程可保(bǎo)存爲M文件,方(fāng)便利用🔆MATLAB對COMSOL進(jin)行二次開發(fa)，對雙向🙇🏻内外(wai)管壓差流量(liang)計更多結構(gòu)參數進一步(bu)優化。

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