摘要:針對(dui)孔闆流量(liàng)計 測量精(jīng)度及節能(néng)降耗的要(yào)求，對5種結(jie)構的單孔(kǒng)闆進行😘了(le)數值模拟(ni)研究。進行(háng)了數值模(mó)拟與标準(zhun)孔闆實驗(yan)比對,對模(mó)拟方法的(de)可靠性進(jìn)行了驗證(zhèng)，在此基礎(chu)上進一步(bu)完成了5種(zhong)結構10組流(liú)速下的數(shù)值研究。通(tong)過速度矢(shi)量圖得出(chū)孔🐅口後流(liu)态📧的變化(huà);計💞算流量(liang)系數，得出(chu)流量系數(shù)與雷諾數(shu)關系曲線(xiàn)、軸線距離(li)與壓力關(guan)系圖、壓差(chà)與雷諾數(shu)關系圖。結(jie)果表明,5種(zhong)孔闆中外(wai)凹型孔闆(pǎn)流量計II因(yin)爲闆前緩(huǎn)沖段較爲(wèi)理想,對流(liu)體起到了(le)整流的作(zuo)用，減弱了(le)闆🈚前流體(ti)死區的形(xíng)成和🔞闆後(hòu)渦🏃‍♂️流的形(xíng)成,降低了(le)孔闆流量(liang)計的壓力(li)損失,且流(liu)量系數大(dà),随雷諾數(shù)增大壓差(cha)增大緩慢(màn),壓力恢複(fu)快。
　　孔闆流(liú)量計是常(chang)見的測流(liu)量裝置，以(yǐ)連續性方(fāng)程和伯努(nǔ)🌈利方程爲(wei)理論基礎(chǔ)。流體在通(tōng)過節流元(yuan)件🐉時,由于(yu)流通面😘積(ji)的🔞突然收(shou)縮促使流(liu)體加速，産(chǎn)生節流效(xiào)應,使孔闆(pǎn)前後産生(sheng)壓差,通過(guo)測量壓差(chà)從🛀🏻而計算(suan)出管道中(zhong)的流量。節(jie)流元件的(de)尺寸和結(jie)構的不同(tóng),會導緻測(cè)量精度、測(cè)量壓力、管(guǎn)徑範圍及(jí)流量系數(shù)随雷💃諾📞數(shù)變化關系(xi)的差異。選(xuan)擇或者設(she)計出較爲(wèi)理想的孔(kǒng)闆流量計(jì),是計量行(háng)業發展的(de)需‼️要㊙️。采用(yòng)數值模拟(ni)分析研究(jiu)管内孔闆(pan)類節流元(yuán)件的相關(guan)流場已有(you)數十年的(de)曆🏃‍♀️史,采用(yòng)ANSYSFluent軟件,選擇(ze)5種♉标準及(jí)非标準孔(kǒng)闆作爲對(dui)象,爲非标(biao)準孔闆流(liu)量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計的與(yǔ)發展提供(gong)一定依據(ju)。
1研究模型(xing)
1.1幾何模型(xíng)
　　模拟5種不(bú)同孔闆形(xíng)狀的孔闆(pǎn)流量計，見(jiàn)圖1。
　　5種孔闆(pǎn)均按照ISO5167國(guó)際标準，确(què)定孔闆尺(chi)寸。根據相(xiàng)關規🐅定,孔(kǒng)闆節流元(yuán)件的孔徑(jing)與孔闆通(tong)徑比值d/D=0.2~0.8;最(zui)小孔徑dmin≥12.5mm;直(zhi)孔部分厚(hòu)度📱h=(0.005~0.02)D;總厚度(dù)H<0.05D這5種孔闆(pan)公稱通徑(jìng)D=40mm,節流元件(jiàn)的孔徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流(liú)量系數計(jì)算模型
　　計(ji)算每個孔(kong)闆流量計(jì)對應的流(liú)量系數見(jian)公式(1)
 
　　式中(zhong):qm爲流體的(de)質量流量(liàng),kg/s;A0爲孔口截(jie)面積,m2;p爲流(liú)體密度,kg/m3;△p爲(wei)孔口🥰兩🌈側(ce)壓差,Pa。
2模型(xíng)驗證及數(shù)值模拟
2.1實(shi)驗驗證過(guo)程
　　爲了确(què)保數值模(mó)拟過程設(shè)置正确,将(jiang)模拟結果(guo)與🌂實驗值(zhi)進行了比(bǐ)對實驗采(cai)用裝置見(jiàn)圖2。
 
　　水由離(li)心泵從水(shuǐ)箱抽出後(hòu),經過孔闆(pan)流量計，通(tong)過彎管🌈再(zài)流👨‍❤️‍👨回水箱(xiāng)。其中孔闆(pǎn)流量計爲(wèi)标準型，管(guan)道内徑40mm,孔(kǒng)闆口徑35mm,孔(kong)闆厚度5mm。在(zai)不同的閥(fá)門開度下(xia),測試孔闆(pǎn)🙇🏻流量計壓(ya)差,計算流(liú)量及流量(liang)計流量系(xi)數。實驗、模(mó)拟結果對(dui)比見圖3。
 
　　由(yóu)圖3可知，模(mo)拟與實驗(yàn)吻合,對模(mo)拟方法的(de)可靠性進(jìn)行🙇‍♀️了驗證(zhèng).。
2.2數值模拟(nǐ)設置
　　由于(yu)孔闆流量(liàng)計的軸對(duì)稱特性，流(liu)體在經過(guo)孔闆流⛷️量(liang)計時也是(shì)對稱的,因(yīn)此選用1/2實(shi)體及對稱(cheng)面結構。應(ying)用“mesh”進行模(mó)拟實🧡體的(de)網格劃分(fèn)，見圖4。
 
　　由于(yu)孔闆流量(liàng)計結構簡(jian)單,因此在(zài)劃分網格(ge)時隻需在(zai)節流元🈚件(jian)處既縮口(kǒu)處進行網(wǎng)格的加密(mi)。該模☂️拟中(zhōng)采用的介(jie)質爲✂️20℃的水(shuǐ),p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作壓力(lì)爲标準大(dà)氣壓👨‍❤️‍👨。采用(yong)3D求解器，湍(tuān)流方程🈲用(yòng)“标準k-epsilon”方程(chéng);選🔴用速度(du)進口和壓(ya)力出口邊(biān)界條🚶‍♀️件,進(jìn)行叠代求(qiú)解計算。
　　在(zài)模拟過程(chéng)中取闆前(qian)2D、闆後5D,即闆(pǎn)前80mm、闆後200mm爲(wei)計算域。5種(zhong)孔闆📧設定(dìng)10個統一的(de)進口流速(su),分别爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對(dui)應的雷諾(nuo)數值分别(bie)爲💚7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果與(yu)讨論
　　以ʋ=0.2m/s時(shí)孔闆的模(mo)拟結果爲(wèi)例,各孔闆(pan)流量計的(de)速度🥵矢量(liàng)雲圖💯見圖(tu)5.
 
 
 
　　由圖5可知(zhī)，流體在經(jīng)過闆前區(qu)域時流道(dào)急劇收縮(suō)，速度♍增🏃‍♂️大(dà)。其中标準(zhǔn)孔闆I所形(xing)成的孔後(hòu)大速度值(zhí)高,爲1.2m/s;外凸(tū)型孔🙇‍♀️闆川(chuan)I、加厚型孔(kong)闆IV次之,約(yue)爲1m/s;外凹型(xíng)孔闆I1和直(zhi)邊型孔闆(pǎn)V較小,分别(bié)爲0.88和0.74m/s。外凸(tū)型孔闆II低(dī)流速較大(dà)，直邊型孔(kong)闆V次之,其(qi)餘均基本(ben)相等。經過(guo)孔口後部(bù)分流體流(liu)動方🙇🏻向發(fa)生改變🛀🏻,産(chǎn)生了一定(dìng)🛀🏻的渦流區(qu)域，形成湍(tuan)流,孔闆的(de)⁉️.結構不同(tong)造成的旋(xuan)渦湍流區(qū)域形狀✉️及(ji)發展長度(du)也明顯不(bú)同。标準孔(kǒng)🔞闆I湍流區(qu)較寬,湍流(liu)長度較長(zhǎng)。外凹型孔(kong)闆II湍流段(duan)♈較短,流場(chǎng)爲整齊,從(cóng)而也推測(ce)⛹🏻‍♀️出其節流(liu)損失小。
　　對(duì)5種孔闆進(jìn)行了進一(yi)步的數據(jù)采集,保持(chi)孔闆的直(zhí)徑比❤️不改(gai)🥵變。由流量(liàng)分别計算(suan)對應的雷(léi)諾數,采集(jí)每個孔闆(pǎn)每個流速(sù)所對應的(de)闆前D、闆後(hòu)D/2取壓點所(suo)在平面的(de)平均壓力(li)，即闆前40mm、闆(pan)後20mm計算壓(yā)差,并根據(jù)公式(1)計算(suàn)出每個孔(kong)闆對應的(de)流量系數(shu),得到流量(liàng)系數與雷(lei)諾數關系(xi)曲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻線圖見(jiàn)圖6。
 
　　由圖6可(ke)知,雷諾數(shu)的變化對(duì)流量系數(shu)影響不大(da),說明🈚這幾(jǐ)種孔闆都(dōu)具有良好(hǎo)的穩定性(xìng)。外凹型孔(kǒng)闆II的流量(liang)系數比其(qi)他4種大，标(biāo)準孔闆I小(xiao);加厚型孔(kong)闆IV的流量(liang)系數曲㊙️線(xiàn)在較大及(jí)較小雷諾(nuo)數時變化(hua)明🔞顯,因此(cǐ)該類型穩(wen)定性稍差(cha);直邊型孔(kong)闆V穩定性(xing)好🔞。
　　沿軸向(xiàng)的距離L與(yǔ)壓力的關(guān)系見圖7。
 
　　由(yóu)圖7可知，幾(jǐ)種孔闆壓(yā)降位置、壓(yā)降大小及(ji)壓力恢複(fú)性不同♊。加(jia)厚型孔闆(pan)IV的壓降位(wèi)置靠前,直(zhi)邊型孔闆(pǎn)V靠後,其餘(yu)三♉者基本(ben)接近;标準(zhǔn)孔闆I的壓(yā)降大,外🐉凹(ao)型孔闆II壓(ya)降小;外凹(ao)型孔闆🔞II的(de)壓力恢複(fu)快。
　　壓差△p與(yu)雷諾數的(de)關系曲線(xian)見圖8。
 
　　由圖(tu)8可知，幾種(zhong)孔闆壓差(chà)△p随着雷諾(nuo)數的增大(da)而增大,增(zeng)加趨勢基(jī)本相同,其(qi)中标準孔(kong)闆I增加快(kuài)大,外凹型(xíng)✊孔闆II增大(dà)緩慢🌐。
4結論(lun)
　　通過流場(chang)模拟雲圖(tú)、流量系數(shù)與雷諾數(shu)的曲線關(guān)系、中心軸(zhóu)線壓力分(fen)布曲線、壓(yā)差△p與雷諾(nuo)數的曲線(xian)關系的分(fèn)析可以得(de)🌍出,5種孔闆(pan)中外凹型(xing)孔闆流量(liàng)計II因爲闆(pan)前緩沖段(duan)較爲理想(xiǎng),對流體起(qǐ)到了整流(liú)的作用,減(jiǎn)弱了闆前(qian)流體死區(qu)的形成和(hé)闆後渦流(liu)的形成,降(jiàng)低了孔闆(pan)流量計的(de)壓力.損失(shī)。且流量系(xì)數大,随雷(léi)諾數🤞增大(dà)壓差增大(da)緩慢,壓力(lì)恢複快，是(shi)5個類型中(zhong)性能較❗好(hao)的一種。在(zai)進行💚單孔(kong)闆流量計(ji)的設計時(shí)，不但要滿(man)👌足直徑比(bi),還應該考(kao)慮孔闆的(de)厚度和孔(kong)闆闆前的(de)過渡段。孔(kǒng)🈚闆的厚度(du)不宜太薄(bao)也不宜過(guo)厚,過渡段(duàn)對流體要(yao)能進行整(zheng)合,使流體(tǐ)🚶‍♀️盡可能緩(huǎn)和的流人(rén)。在孔👅闆的(de)設計及使(shǐ)用中,應結(jie)合實際情(qíng)況,應用合(he)适尺寸類(lei)型✔️的孔闆(pǎn)，确保流量(liang)系數穩定(ding),并降低壓(yā)力損失,保(bao)證流場🍉穩(wen)定,進而提(ti)❗高孔闆流(liú)量計的質(zhi)量和測量(liang)的精度。

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