摘要:多孔(kǒng)孔闆流量計 是(shi)一種比傳統的(de)差壓測量裝置(zhi)更優良的新型(xíng)差壓式流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量測(cè)量裝置,但其函(hán)數孔的确定目(mu)前沒有統一的(de)标準。針對該問(wèn)題💃,采用CFD仿真軟(ruan)件,在相同等效(xiao)直徑比的情況(kuang)下,針對多孔孔(kǒng)闆的函數孔結(jie)構,研究了開孔(kǒng)數目、孔分布以(yǐ)及倒角等因素(su)對于減少壓力(li)損失所起到的(de)影響和作用。根(gen)據仿真研究🈚結(jie)果,制作了🔞一種(zhong)多孔孔闆流🏃‍♂️量(liàng)計進行流體試(shì)驗，試驗結果表(biǎo)明該方法的㊙️正(zhèng)确率。.
0引言
　　孔闆(pǎn)流量計 因其結(jié)構簡單、耐用而(ér)成爲目前國際(ji)上标準化程度(dù)高、應用最⛱️爲廣(guang)泛的一種流量(liang)計,但也存在着(zhe)流出系數不.穩(wen)定、線性差、重複(fú)性不高、永久壓(yā)力損失大等缺(que)💰點“。美國馬歇爾(er)航空飛行中心(xin)☂️設計發明的一(yi)-種新型㊙️差壓式(shì)流量測量裝置(zhì)，即多孔孔闆流(liu)量計(又稱爲平(ping)🌈衡流量計)田。多(duō)孔孔闆流量計(ji)對傳統💜節流裝(zhuāng)置有🔴着極大的(de)突破,與傳統差(chà)壓式流.量計相(xiàng)比較,具有永久(jiu)壓力損失小、精(jing)密度高、量程比(bi)大、直管段短等(deng)優點。
　　多孔孔闆(pǎn)流量計測量原(yuan)理圖如圖1所示(shì)。雖然多孔孔闆(pan)的結構與标準(zhǔn)孔闆不同,其測(ce)量原理還是節(jiē)🌈流測量,因此在(zài)流量計算時仍(réng)可采用标準孔(kong)闆的經典計算(suàn)公式國:
 
　　式中:Q爲(wèi)管道中流體的(de)流量;K爲無量綱(gāng)系數;△p爲孔闆節(jiē)流前後的壓力(lì)差;ρ爲流體密度(dù)。
 
　　多孔孔闆流(liu)量計每個孔的(de)尺寸和分布基(ji)于獨特的公式(shì)和國🈲測試數據(ju)定制，稱爲函數(shù)孔。至于函數孔(kong)是如何定制,與(yǔ)哪些因素有關(guān),主要由什麽參(cān)數🏒來決定的，目(mù)前還沒有相關(guan)的文獻可以查(cha)閱。對于如何定(dìng)制函數孔，缺㊙️少(shao)一個統--的标準(zhun)。以因節流而産(chan)生的壓力損失(shi)作爲對比參照(zhao)，通過仿真對函(hán)數孔結構的研(yan)究🚶，主要包括多(duo)孔孔闆開孔數(shù)量、孔的分布以(yi)及倒角等因素(sù)對減小壓力損(sun)失所起到的影(ying)♻️響和作用,對于(yu)函數孔的制定(ding)有一定㊙️的指導(dǎo)意🧑🏽‍🤝‍🧑🏻義;爲函數孔(kong)制定标準化奠(dian)定基礎,将有助(zhù)于推動多孔孔(kong)闆的孔函數的(de)研究與應用進(jìn)展。
1函數孔結構(gòu)的研究
　　以内徑(jing)D爲50mm、等效直徑比(bǐ)β=0.35的孔闆中,流動(dòng)介質純水爲研(yan)究對象,參考标(biao)準孔闆在實際(ji)工業應用和本(ben)次仿真模拟，爲(wèi)保證流體能夠(gòu)以充分發展、理(lǐ)想的湍流狀态(tai)😄進入流量計,設(shè)計有長度分别(bié)🐅爲10D、14D的上下遊直(zhí)管段5。在此基礎(chu)上做了3組不同(tóng)的仿真模拟,并(bing)且🤟選定其中一(yī)個模拟結果的(de)設計方案進行(háng)實流實驗,通過(guo)對比❄️實流實驗(yàn)結果與模拟仿(páng)真結果從而驗(yan)證仿真結果的(de)正确率。
1.1對開孔(kǒng)數量的研究
　　在(zai)此先研究孔的(de)結構爲無倒角(jiao)的情況,對數量(liang)研究的時候要(yao)求其他參數均(jun)是相同的，包括(kuò)有孔分🈚布以及(jí)孔的結構。設計(jì)時在-一個多孔(kong)孔闆.上每個小(xiao)孔的直徑是一(yi)樣的，由等效直(zhi)徑比🔱的定義可(ke)知🏃🏻開孔直徑爲(wèi)
 
數;An爲每個小孔(kǒng)的面積;A2爲是管(guan)道的截面積。
　　設(she)計原則爲:把孔(kong)隻分布在以孔(kong)闆的中心爲圓(yuan)心的一個圓周(zhōu)上(孔在這個圓(yuan)周，上分布的時(shi)候不能夠出現(xiàn)相交的情況♈,初(chu)步👉選定圓周的(de)半徑爲12mm)。受條件(jiàn)的限制,本次研(yan)究對🔞象的開孔(kǒng)數最小爲1個,最(zui)大爲16個。無倒💞角(jiǎo)說明節流孔的(de)厚度與孔闆的(de)厚度相同,其示(shi)意圖如圖2所示(shi)。
 
1.2對節流孔分布(bù)的研究
　　将節流(liú)孔(無倒角)均勻(yun)分布在兩個同(tong)心圓或者兩⛷️個(ge)同心圓以🔴及孔(kong)闆的中心上。調(diao)整同心圓的大(da)小,即改變的同(tong)心圓大小d1;d2示‼️意(yi)圖如圖3所示。
 
1.3對倒(dao)角的研究
　　參考(kao)流量測量節流(liú)裝置設計手冊(ce)回可知标準孔(kong)闆傾斜角是在(zai)下遊端面,其大(dà)小可以爲45°±15°，文中(zhōng)将分2種情⭐況研(yán).究:下遊端面有(you)45°倒角;上下遊端(duan)面均有45°倒角。
2模(mo)拟仿真
　　模拟仿(páng)真是通過CFD軟件(jian)包fluent來完成的。
2.1建(jiàn)模與劃分網格(ge)
　　建模與劃分網(wǎng)格都是在CFD前置(zhì)處理器gambit中完成(cheng)的。圖🌏4爲上遊直(zhi)管段10D,下遊直管(guǎn)段14D的多孔孔闆(pan)流量計的仿真(zhēn)模型。
 
　　文中直接(jie)選用體網格來(lai)劃分網格。選用(yong)體網格的Element爲Tet/Hybrid即(jí)四面體/混合，同(tong)時選定TGrid作爲Element的(de)Type。爲了提高計算(suan)精度，需對網格(gé)做局部加密,考(kǎo)慮到在節流前(qian)後壓🈲力會急劇(jù)變化,因此對💁節(jiē)流前後的直管(guǎn)段以及多📞孔孔(kǒng)闆做局部加密(mi)處理。該文在對(dui)多孔孔闆劃分(fèn)網格時候選🈚用(yong)的節點間距爲(wei)0.5,在多孔🌈孔闆前(qián)後4D的直管段劃(hua)分🏃‍♀️網格時候選(xuǎn)用節點間距爲(wei)3,其餘部分💁的節(jiē)點間距爲6。網🔴格(gé)單元的數量爲(wèi)㊙️398642萬。網格劃分結(jie)果如圖5所示。
 
2.2模型的求解(jie)
　　在本文中選用(yong)壓力基求解器(qi)就能滿足要求(qiu)們。
　　本文中入口(kou)的雷諾數較大(da),流動爲湍流,需(xū)要設置🌈湍流⭐模(mo)型，采用Realizablekε模型。
　　邊(bian)界條件的設定(ding):入口邊界類型(xíng)設定爲速度入(ru)口,即veloc-ity-inlet入口的🛀湍(tuan)流參數指定方(fang)式選用kandepsilon,出口邊(biān)界類型:設定爲(wei)自由出流outflow,孔闆(pǎn)處爲默認内部(bù)邊界條件inte-rior,其🧑🏾‍🤝‍🧑🏼餘(yu)爲均爲無滑移(yi)外部壁面,熱傳(chuán)輸模🔴型爲絕熱(rè)。
2.3仿真結果
　　本文(wén)主要是研究因(yīn)節流而産生的(de)壓力損失(即節(jie)流前後的靜壓(ya)差),爲此以節流(liú)前後的壓差作(zuò)對比研究。
2.3.1對多(duō)孔孔闆開孔數(shù)量的研究
　　給定(ding)的速度入口的(de)初始速度爲1m/s。對(dui)一段長爲1.2m(等于(yu)🏃‍♂️前後直管🔅段長(zhang)度24D)的直管道進(jìn)行模拟仿真,參(cān)數設置以及湍(tuan)流模型的選擇(zé)與上述模拟相(xiang)同，結果可得直(zhí)管段的沿🏃‍♀️程壓(yā)力💛損失爲314Pa。由，上(shang)述仿真計算結(jié)果的進出口壓(ya)力差減去直管(guǎn)道的沿程壓力(lì)損失，即可得到(dào)節流前後的差(cha)壓。開孔數量和(he)差壓的關系如(ru)圖6所示，開孔數(shù)量和差壓信号(hào)的關系如表1所(suǒ)示。
 
　　由圖6可知,随(sui)着開孔數量的(de)增加,在開始階(jie)段壓損能🔞夠💁明(ming)㊙️顯減♉少，當開孔(kong)數達到12時壓損(sun)達到最小值，随(sui)後壓損💜又增大(da)。
 
　　由表1可以看出(chu)，等效直徑比爲(wei)0.35的多孔孔闆最(zui)佳的.開孔數是(shì)12,與開孔數爲1的(de)孔闆相比較減(jiǎn)小約29.4%的壓力損(sǔn)失。
2.3.2對節流孔分(fèn)布的研究
　　由方(fāng)案設計可知,本(ben)階段研究主要(yào)有2種情況:
(1)同心(xin)圓沒有中心孔(kong)，以開孔數12爲研(yán)究對象;
(2)同心圓(yuan)有中心孔，以開(kāi)孔數13爲研究對(dui)象。
孔的分布與(yu)差壓信号關系(xì)如表2所示。
 
　　從表(biǎo)2可以看出,對于(yú)相同的開孔數(shu),在山不變的情(qing)🆚況下，随着d1的增(zēng)大,壓差減小。對(duì)比開孔數爲12,有(you)中心孔，開孔數(shù)爲13的差壓信号(hao)隻大0.5%。
2.3.3對倒角的(de)研究
　　在試驗測(ce)量的時候，希望(wàng)在減小壓損的(de)同時又能夠得(de)到較🔆大的測量(liàng)信号,因此選取(qu)開孔數爲13,有中(zhōng)🐆心孔的多孔孔(kǒng)闆做進一🚩步的(de)研究。由以上方(fāng)案的設計可知(zhī),倒角的研究有(yǒu)2種情🈲況:
(1)隻有1個(gè)倒角,在節流闆(pǎn)的下遊端面;
(2)2個(gè)倒角,在節流闆(pan)的上下遊端面(miàn)均有倒角。
　　以流(liu)量測量節流設(shè)計手冊作爲參(can)考,設計節流孔(kǒng)的厚度爲0.02D,倒角(jiao)爲45°。由此可得如(ru)表3所示的模拟(ni)結果🥵。
 
　　由表3可以(yi)看出倒角的存(cún)在對于減小壓(ya)力損失有着巨(jù)🆚大的影響,對比(bi)開孔數爲13、上下(xià)遊都有倒角的(de)與上🐉下遊都無(wú)倒角,壓力損失(shi)降低42.3%。綜合.上述(shù)3種情況,在直徑(jing)比都🔴是0.35,開孔數(shu)爲13,上下遊均有(you)45°倒角的多孔孔(kǒng)闆與标準孔闆(pǎn)相比，壓力損失(shī)減小59.8%。
3試驗測量(liang)
　　試驗是在現有(you)的液體流量标(biāo)準裝置(裝置主(zhu)要由😍穩👨‍❤️‍👨壓罐、法(fa)蘭、直管段、标定(ding)容器構成。其中(zhōng)穩壓罐能夠讓(ràng)流體⛹🏻‍♀️以恒定的(de)速度進入直管(guǎn)段;法蘭用于孔(kong)闆的安裝;标定(dìng)容器用于測量(liang)🔞流體的流量。).上(shang)使用自己設計(jì)的多孔孔闆完(wán)成的❄️。所選用的(de)孔闆即前文仿(pang)真部分開孔數(shù)爲13,d;=8、d2=13,上下遊端面(mian)均🔴有倒角的多(duo)孔孔闆。多孔孔(kong)闆如圖7所示。
 
3.1試(shì)驗方法
　　取5個不(bú)同大小的流量(liàng)按流速從小到(dao)大，再從大到小(xiǎo),反複測量差壓(yā)值,測量次數爲(wèi)3,測量結果取平(píng)均值對試驗測(ce):量時得到的流(liu)速進行模拟仿(páng)真,并與♊試驗結(jie)果相比👅較。由此(ci)可得到如圖8流(liú)量與差壓關👉系(xì)圖。
 
　　由圖8看出試(shi)驗結果與仿真(zhēn)結果的誤差較(jiao)小(誤差能夠控(kong)🚶制在😄7%左右),說明(míng)本次模拟仿真(zhēn)所選用的計算(suàn)模型、方法是可(ke)信賴的。
4結論
　　以(yi)内徑是50mnm,等效直(zhi)徑比0.35的多孔孔(kong)闆作爲研究對(duì)象,用📧仿真軟🐕件(jiàn)🔆Fluent6.3模拟研究多孔(kǒng)孔闆函數孔結(jie)構,主要是開孔(kong)數㊙️量、孔的分布(bu)以及倒角對于(yú)減小壓力損失(shi)所起到的作用(yong)，并對🆚仿真結果(guo)進行實流試驗(yàn)驗證,得到:.
(1)在相(xiàng)同等效直徑比(bi)的情況下,增加(jiā)開孔數以及倒(dao)⛹🏻‍♀️角的存在能有(you)效減小壓力損(sun)失;在孔的數量(liang)和結構都确定(dìng)的前提下均勻(yun)而有序地分布(bu)孔對測量的影(yǐng)響可忽略;
(2)試驗(yan)結果與仿真模(mo)拟結果基本吻(wen)合,說明隻要使(shi)用正确的計算(suan)模型、精密的網(wǎng)格劃分以及準(zhǔn)确的計算方法(fǎ)🚶‍♀️，在沒有試🏃‍♀️驗的(de)條件下也可以(yǐ)使模拟仿真對(dui)多⁉️孔孔闆進行(háng)研究。

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