摘要(yào):本文分析了孔(kong)闆流量計的結(jie)構,其工作原理(lǐ)屬差壓流量計(jì)範疇,從仿真角(jiao)度對孔闆流❌量(liàng)計進行瞬态分(fèn)析,得出“壓差-流(liu)量點”、“壓差開方(fang)根-流🔴量點"的拟(ni)合方程,流量值(zhí)x;與壓差開方根(gen)yi的線性關系;随(suí)着🤟流量的逐漸(jiàn)增大,壓差差值(zhi)呈增大的趨勢(shi).且流📐體介質的(de)分子量越🐕大,k系(xì)數越♊小;相較于(yu)對稱偏離,偏離(lí)㊙️程度的大小對(duì)h系數的影🤞響不(bú)穩定,呈先增大(dà)後減小、再增大(dà)波浪線上升的(de)趨勢,沒有嚴格(ge)的規律而言。
0引(yin)言
　　孔闆流量計(ji)是根據伯努利(lì)公式,利用流體(tǐ)在流動過💋程中(zhong)遵守能量守恒(heng)定律,即動能和(he)靜壓能之和不(bú)變,以流🔴體通過(guò)節流作用的孔(kong)闆時産生壓差(cha)的🛀🏻原理而進行(hang)測量,廣泛🛀應用(yòng)于石油、化工、冶(ye)金、電力、供熱供(gòng)水🥵等領域的♉過(guo)程控制和測量(liang)。”
　　目前,CFD仿真手段(duan)是比較熱門的(de)方法,廣泛應用(yong)于産品♈設計、優(you)化參數。采用solidworks軟(ruǎn)件建立DN150标準孔(kǒng)闆流量計幾何(hé)模型,基于CFD軟件(jiàn)對此狀态下孔(kǒng)闆流量計内部(bu)流㊙️場進行數🐕值(zhí)模拟分析;等應(ying)用FLUENT流體仿真軟(ruan)件,對🐪空氣💋經過(guo)孔闆前後的壓(yā)🚶力和速度進行(hang)仿真研究;'應用(yong)計算流體力學(xue)軟🈲件,對不同結(jié)構參數的孔闆(pǎn)流量計進行數(shu)值模拟;運用CFD方(fang)法,在Fluent軟件中采(cai)用标🍉準k-e模型和(he)離散相模型對(duì)孔闆内濕天然(ran)氣流動進❗行模(mó)拟，将模拟結果(guo)與NEL實驗數🔴據進(jìn)行驗證;(5]趙奇等(deng)以計算流體力(li)學(CFD)爲工具,模拟(ni)了标🍉準孔闆流(liú)量計與一類兩(liang)通道非标準孔(kǒng)闆流量計的内(nei)部流場;[6]李過房(fáng)自主☔開發了孔(kǒng)闆👣流星計⚽流場(chǎng)的數值模☂️拟軟(ruǎn)😍件,詳細分析軟(ruǎn)件收斂的條件(jian),并給出了♋在層(ceng)流和湍流條件(jiàn)下流出系數的(de)計算結果;采用(yong)計算流體力學(xué)(CFD)模拟方法對孔(kong)闆流🐪動進行了(le)較準确的預測(ce);等采用CFD模拟方(fāng)法,确定了單相(xiàng)非牛頓流💃體的(de)流量系數與雷(lei)諾數(比0.4.0.6和0.8)的關(guān)系,并對不同濃(nóng)度的非💋牛💜頓流(liu)體的流量系數(shù)進行了分析。
　　此(ci)外,孔闆流量計(ji)作爲差壓流量(liang)計範疇,流經孔(kong)闆的流量🈲與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻節(jiē)流件前後壓差(cha)開方根成一定(ding)的線性關系,存(cún)在h系數,但很少(shao)有人對k系數的(de)影響因子進行(háng)分析,本文将從(cong)以下幾個方☁️面(mian)去探🤟讨不同楔(xie)角大小、不同㊙️流(liú)體介，質不同偏(piān)離情況對壓差(cha)及k系數🤟的影響(xiang),爲在實際檢測(cè)、使用及産品設(shè)計等領域提供(gòng)參考。
1孔闆流量(liang)計結構與工作(zuo)原理
1.1孔闆流量(liang)計結構
　　孔闆流(liú)量計屬于差壓(ya)流量計範疇,作(zuo)爲一個節流件(jiàn),使上下遊産生(shēng)壓力差，主要分(fèn)爲标準孔闆和(he)非标準孔闆(錐(zhuī)形人口孔闆、1/4圓(yuan)孔闆、偏心孔闆(pǎn)、圓缺孔💛闆、多孔(kǒng)😘孔闆等)。其結構(gòu)簡單,如圖1所示(shi):D爲管道内徑,d爲(wèi)孔闆内徑,E爲孔(kong)闆厚度,e爲節流(liú)孔厚度。其中d≥12.5mm,出(chu)口楔角φ在30°~60°之間(jian)，e在(0.005~0.02)D之間,E在e~0.05D之間(jiān)。
 
1.2工作原(yuan)理
　　孔闆流量計(jì)工作時，是将孔(kǒng)闆與多參數差(cha)壓變送器(或差(chà)壓變送器、溫度(dù)變送器及壓力(lì)變送器)配套組(zu)成的差壓流量(liàng)裝置,可測量氣(qi)體、蒸汽、液體等(děng)介質的流量,孔(kong)闆流量計的流(liú)量公式爲:
 
式中(zhong):qv---流過孔闆流量(liang)計的體積流量(liang),m³/h;
C---流出系數,通過(guò)标準流量實驗(yàn)裝置檢定.得到(dào);
ε---膨脹系數,當被(bèi)測介質爲液體(ti)時,ε=1可忽略,當被(bèi)測介質爲氣體(ti)🔞時,因介質可壓(ya)縮,ε爲小于1的數(shù)值,需要經過研(yán)究方能得到;
m---流(liu)通截面與管道(dao)截面之比,僅與(yǔ)孔闆流量計相(xiang)關⛹🏻‍♀️幾何參數有(you)關;
D--管道内徑,m;
△p---孔(kong)闆節流件前後(hòu)産生的差壓，由(you)差壓變送器測(ce)量得到,Pa;
ρ---被測流(liú)體密度,kg/m³。
因此C、ε、m、D、ρ爲(wèi)常數,設:
 
　　由式(3)可(ke)知,流過孔闆流(liú)量計的體積流(liu)量與節流件前(qian)後壓差的開方(fang)根呈線性關系(xi),且經過原點。
2仿(páng)真理論與試驗(yàn)方案設計
2.1模型(xing)建立
　　本文三維(wéi)模型建立由SolidWorks2020完(wan)成,根據上文1.1中(zhong)有關要求❓,初🔴步(bù)設計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學(xue)模型。
2.2仿真理論(lun)分析[2]
　　計算流體(ti)動力學基本思(si)想是把原來在(zài)時間域及空間(jiān)域上🛀🏻連續的物(wù)理量的場(速度(du)場、壓力場等),用(yong)一系🤩列有限個(ge)離散點上📧的變(biàn)量值的集合來(lai)代替,通過一定(dìng)的原則和方🈲式(shì)建立起關于這(zhè)些離散點上場(chang)變量之間關系(xì)的代數方程組(zu),然後求解方程(chéng)組獲得場變量(liàng)的近似值。
2.3試驗(yan)思路
　　通過仿真(zhēn)分析:一是研究(jiu)流體介質在管(guǎn)道内的流📞動狀(zhuàng)态,根據2.1相關參(can)數建立模型,滿(mǎn)足“前十後五”直(zhi)管段要求,進行(hang)🧡瞬時動态💃🏻分析(xī),研究壓力、流速(sù)的分🏃‍♀️布及變化(huà)規律;二是研究(jiū)不同楔角φ對k系(xì)數及節流件前(qián)後壓差的影響(xiang)🌈,分别取ψ爲🏒30°、40°、45°、50°,60°條件(jiàn)下k系😍數的變化(hua)㊙️規律;三是研究(jiū)不同流體介質(zhi)對h系數的影響(xiǎng),分别取流體介(jiè)質爲⛱️空氣、水、天(tian)然氣等對k系數(shu)的影響;四💯是根(gēn)據上下遊管道(dao)夾持㊙️孔闆形成(cheng)偏心狀态,研究(jiū)孔闆對中性對(duì)h系數的影響等(deng)。
3仿真分析
3.1瞬态(tai)分析
　　根據2.1參數(shu)設計,建立模型(xing);分析類型選擇(zé)内部,排出🔴内部(bu)不具🤟備流動條(tiao)件的腔,物理特(te)征選擇瞬态分(fèn)析,分析總‼️時間(jiān)設定爲2s,輸出時(shí)間步長設定爲(wei)0.02s;進行瞬态分析(xī)選擇流體介質(zhì)爲空氣,入口流(liú)量分别選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等(děng)16個流量點;如圖(tu)2所示,上、下遊取(qǔ)壓口壓差随着(zhe)🐆人口流量的👌增(zēng)大呈增大🔴趨勢(shì);設x爲各☎️流量點(diǎn).單位爲m³/h,yw爲各流(liú)量點對應的上(shàng)/下遊取壓口壓(ya)差值🔞、單位爲Pa,y爲(wèi)xix0.5、單位爲Pa0.5。
 
　　瞬态分(fen)析如圖3所示,以(yǐ)了解孔闆流量(liang)計在進行工作(zuo)時🤞,介質的流動(dong)狀态及壓力、速(su)度實時分别情(qíng)況。設定進口流(liu)量爲100m³/h,出口壓力(lì)條件爲标準大(da)氣壓、溫度爲20℃;孔(kǒng)闆流量計的結(jié)構設計造成氣(qì)🚩流通道變窄(管(guan)道突然變徑),氣(qì)流進入管道短(duǎn)時間(0.005s)内上遊取(qu)壓口壓力突然(rán)增大,空氣流動(dòng)加劇,下遊管道(dào)壓力突然間變(biàn)小形成負壓區(qu),但壓力💁分布不(bu)明顯,僅在孔🌈闆(pan)口周圍形成不(bu)🏃🏻同壓力👨‍❤️‍👨分層;下(xia)遊管道壓力出(chū)現☎️明顯分層、且(qie)逐漸趨☎️于穩定(dìng)。
 
　　根據仿真數據(ju)得出“壓差-流量(liang)點”、“壓差開方根(gēn)-流量🆚點”的🌂拟合(he)❓方程,分别爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
　　由(you)于孔闆流量計(ji)工作原理屬差(chà)壓流量計範疇(chou),流📐量值xi與壓差(cha)⛱️開方根yi存在線(xian)性關系,通過變(biàn)形可得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
　　則通過(guò)自定義設置截(jie)距爲0,xi=24.533yi,即系數k=24.533。
3.2不(bu)同楔角φ對h系數(shu)、壓差差值的影(yǐng)響
　　根據2.1參數設(she)計，建立模型,其(qí)他條件不變，隻(zhī)改變楔👄角的🙇🏻大(dà)小，分别取φ爲30°、40°.45°、50°、60°條(tiao)件下k系數的變(bian)化規律;仿真流(liu)程如3.1所述。得到(dao)結✌️果如圖4所示(shi),不同楔角下，“壓(ya)差🌍開方根-流量(liang)點”均呈理🔅想線(xiàn)性關系(R2=1),圖像幾(jǐ)乎是重合的,說(shuo)明楔角對h系數(shù)影響較小;線性(xìng)關系分别爲☎️:
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令(ling)截距均爲零,則(zé)楔角30°、40°、45°、.50°.60°對應的系(xì)數k分别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通過(guò)計算,不同楔角(jiǎo)條件下,仿真壓(yā)差與計算壓差(chà)基本一緻,如圖(tu)5所示，
 
　　不難發現(xiàn):整體來看,不論(lun)楔角是哪一種(zhǒng)情況，在50m³/h以内😘的(de)流🏃🏻量下,差值基(ji)本--緻,且均接近(jìn)于0;随着流量的(de)逐漸💃🏻增大,壓差(cha)差值呈增大的(de)趨勢;楔角40°和楔(xie)角45°條件下，差值(zhi)變化趨勢基🔴本(běn)緻,且偏離方向(xiàng)一緻;楔角50°與楔(xiē)角60°條件下，差值(zhí)基本重合,且偏(pian)離方向一緻;楔(xie)角30°對差值的影(ying)響最大,在流量(liang)爲500m³/h時,達到最大(da)值1.94Pa。流🔴量400m³/h是差值(zhi)的“拐點”，當楔角(jiao)爲40°、45°時,差值最大(da),之後⭐差值🌈開始(shǐ)降低;當楔角爲(wèi)30°、50°、60°時，差👉值開始突(tu)然變大。
3.3不同流(liu)體介質對h系數(shù)的影響
　　爲了研(yan)究不同介質對(duì)k系數的影響,本(běn)文選擇氣态水(shuǐ)、空氣、甲烷等三(sān)種氣體作爲流(liú)體介質進行單(dān)因❌素試🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗仿真(zhen)，取楔角爲45°等其(qí)他參數因素不(bu)變進行♍仿真,結(jie)果如圖☁️6所示;三(sān)種不同介質條(tiao)件下，壓差與流(liu)量的關系分别(bié)爲:
 
　　由于孔闆流(liu)量計工作原理(lǐ)屬差壓流量計(jì)範疇，流量值xi與(yǔ)壓差開方根yi存(cún)在線性關系,根(gen)據3.1分析,氣态水(shuǐ)、空氣、甲🍓烷等三(san)種氣體作爲流(liú)體介質對應的(de)系數h:分别爲31.407、24.533.33.304;綜(zōng)上所述,流體介(jie)質不同,壓差與(yu)流量、壓差開方(fang)根與流量的🎯變(bian)化趨勢一緻,但(dàn)不同流體介🈚質(zhi)對應的k系數卻(que)相差很❌大。
 
　　根據(ju)三種氣體介質(zhì)的分子量分别(bie)爲18(H20)、29(空氣)、16(CH4),與k系數(shù)的✂️對應關系如(ru)圖7所示;流體介(jie)質的分子量越(yuè)大,h系數越小;随(sui)着分子量的增(zeng)大、h:系數逐漸減(jiǎn)小。
3.4孔闆對中性(xing)對k系數的影響(xiang)
　　本文孔闆對中(zhōng)性是指在安裝(zhuāng)孔闆或實驗室(shi)檢定孔♊闆時,孔(kǒng)闆孔口的中心(xīn)線與管道中心(xīn)線--緻程度,将上(shang)述中心線的偏(piān)離距離作爲試(shi)驗因子;如圖8所(suǒ)示,偏離分爲對(dui)稱偏離(DCPL)和偏離(li)(PL)兩種;分别取偏(piān)離距離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔角(jiǎo)爲45°,介質爲空氣(qì)進行仿真實驗(yàn)等。
 
　　如圖9所示,仿(pang)真結果顯示:不(bu)論哪種偏離情(qíng)況壓差與流量(liang)的關系曲線(變(biàn)化趨勢)是一緻(zhì)的,且幾乎是重(zhòng)合的,并随着㊙️流(liu)量的不斷增大(dà),壓差也不斷成(cheng)增大趨勢;根據(jù)3.3中流量值xi與壓(yā)差開方根yi存在(zai)線性關系,得出(chu)不同偏離情況(kuang)下對應的k系數(shu),對稱偏離的情(qíng)況下,随着偏離(lí)程度的👉增大h系(xì)數呈增大趨勢(shi);相較于對稱偏(piān)離,偏離程度的(de)大小對h系數的(de)影響不穩定,先(xiān)增大後減小再(zai)增大波浪線上(shang)升的趨勢,沒有(yǒu)嚴格的規律而(er)言;因此,在使用(yòng)或檢定孔闆流(liu)量🔞計時,--定要保(bao)證對中性，這樣(yàng)檢出來的數據(jù)才有意義。
4結論(lun)
　　通過建模進行(háng)仿真實驗得出(chū)以下結論:
(1)分析(xi)了孔闆流量計(ji)的結構,其工作(zuò)原理屬差壓流(liu)量計💯範🛀🏻疇🌂，推導(dǎo)出流量值xi與壓(yā)差開方根yi之間(jiān)存在線性關系(xi),且通過原點。
 
(2)完(wan)成對孔闆流量(liàng)計瞬态分析,得(dé)出“壓差-流量點(diǎn)”、“壓差開方根-流(liú)量點”的拟合方(fang)程,根據.流量值(zhi)xi與壓差開方根(gēn)yi的線性關系,通(tong)過💞自定義設置(zhi)截距爲0,得出h系(xi)數。
(3)不同楔角φ對(duì)h系數、壓差差值(zhi)的影響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對(dui)應的系數k分🏃🏻别(bié)👉爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不論楔角是(shì)哪一種情況,在(zai)50m³/h以内的流量下(xià),差值基本一緻(zhi),且🔞均接近于0;随(sui)着流量的逐漸(jiàn)增❌大,壓差差值(zhí)呈增大的趨勢(shi)。
(4)氣态水、空氣、甲(jiǎ)烷等三種氣體(tǐ)作爲流體介質(zhi)對應🚩的🈲系數k分(fen)别爲31.407、24.533.33.304;且流體介(jiè)質的分子量越(yuè)大,k系數越小;随(sui)着分🛀🏻子量的增(zēng)大.h系數逐漸減(jian)小。
(5)不論哪種偏(piān)離情況,壓差與(yǔ)流量的關系曲(qu)線(變化🐉趨勢)是(shì)一.緻的,且幾乎(hu)是重合的，并随(suí)着流量的不斷(duan)增大,壓差也不(bu)斷成增大趨勢(shì);但在對稱偏離(lí)的情況下,随着(zhe)偏離程度🔱的增(zeng)大k系數呈增大(dà)趨勢;相較于對(duì)稱偏離,偏離程(cheng)度的大小對h系(xì)數的影響不穩(wen)定,先增大後減(jian)小再增大波浪(lang)線上🙇🏻升的趨勢(shi),沒有嚴格的規(guī)律而言。
　　綜上所(suǒ)述,在設計孔闆(pǎn)流量計時,一定(dìng)要考慮流量範(fàn)圍及💃🏻楔角大小(xiao)的選擇兩個重(zhòng)要因素;在使用(yong)時☀️,-定要保證對(duì)中性,這㊙️樣得✂️出(chū)的數據才有意(yì)義。另外,在對孔(kong)闆流量計(差壓(ya)流量計)進行檢(jian)測時,出.具證書(shu)一定要給出檢(jiǎn)定介質,用戶在(zai)使用時，一定要(yào)注意檢定用介(jiè)質與實際流體(ti)介質的差别,适(shì)時進行修正,才(cái)能保證流量計(jì)的性能♉準确結(jie)算科學㊙️,以免💋帶(dài)來不必要的麻(ma)煩等。

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