摘要:超臨(lín)界二氧化碳(tan)循環發電技(ji)術采用超臨(lín)界狀态下的(de)二氧化碳代(dài)替傳統水蒸(zheng)氣工質,由于(yu)物性發生巨(jù)大變化,質量(liang)流量測量與(yu)計算方法需(xū)重新構建。本(běn)文開展了孔(kǒng)闆流量計 數(shu)值模拟研究(jiu),使用fluent軟件模(mo)拟計算了孔(kǒng)闆直徑比、節(jiē)流孔📞厚㊙️度、孔(kǒng)闆厚度等結(jié)構參數對流(liú)量系數的影(ying)響,結果表明(ming)現行标準🧡對(dui)超臨界二氧(yang)化碳并不适(shì)用。本文提出(chu)了針對超臨(lin)界二氧化碳(tan)工質的孔闆(pǎn)流量計🔅結構(gou)參數推薦範(fàn)圍,在該範圍(wei)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼内絕大多數(shù)計算結果相(xiang)對誤差小于(yu)2%,并針對入口(kǒu)邊緣鈍化提(tí)出了新修正(zheng)系數,修正後(hòu)計算結果相(xiang)對誤差爲0.11%~1.85%,滿(mǎn)足測量精度(dù)要求。
　　伴随着(zhe)經濟社會的(de)不斷發展,我(wǒ)國發電機組(zǔ)在發電效率(lǜ)、能源🈲結構、環(huán)境效益等多(duo)方面都面臨(lín)着轉型升級(ji)的嚴峻挑戰(zhan)。中國在2007年已(yǐ)經成爲全球(qiú)溫室氣體第(dì)一大排放國(guó)家川。習近✏️平(ping)總書記在聯(lián)合國-般性辯(biàn)論會.上承諾(nuo)[2],中國碳排放(fàng)量力争☀️分别(bié)于2030年♋和2060年前(qián)實現㊙️達峰和(he)中和,作爲一(yi)種變🔅革性火(huo)力發電技術(shu)超臨🍉界二氧(yang)化碳循環是(shi)實現能源結(jié)😍構轉型進程(chéng)中的重要手(shǒu)段。
　　随着“雙碳(tàn)”目标的逐步(bu)落實，超臨界(jie)二氧化碳(溫(wen)度高于303.98K、壓力(lì)高于7.38MPa)被廣泛(fan)應用,其作爲(wèi)工質的布雷(léi)頓循環具有(you)極高的熱🔴源(yuán)适用性,可應(ying)用于太陽能(neng)、核能、餘熱🔴等(deng)多種場景。且(qie)💰由于超臨界(jiè)二氧化碳密(mi)度大、黏性小(xiao)🎯、壓縮性好🏃🏻、循(xún)環過程無相(xiàng)變，相比于傳(chuan)統☂️水工質,超(chāo)臨界二氧化(hua)碳📞循環珂以(yǐ)實現更高的(de)循環效率,Dostal等(deng)[3]指出在透平(ping)人口工質溫(wēn)度高于550℃條件(jiàn)下,超臨界二(er)氧化碳循環(huán)發✉️電系統性(xìng)能顯著高于(yu)水循環系統(tǒng)。此外，配合間(jiān)歇性、随機性(xìng)強的可再生(shēng)能🙇🏻源供電以(yǐ)保障社會用(yong)電穩定是未(wei)來火力發電(dian)重要任務,超(chāo)臨界二氧化(hua)碳系統靈活(huó)性高🤟、能實現(xiàn)完‼️全熱電解(jiě)耦的特點也(yě)使其更能滿(mǎn)足未來火力(li)發電的深度(dù)調峰需求。
　　系(xi)統内部流動(dong)工質流量的(de)正确測量是(shì)其得以應🙇🏻用(yòng)🈲的基礎。當前(qián)超臨界二氧(yang)化碳主要用(yòng)于藥物/化學(xue)試劑萃🛀取、油(yóu)田驅油等溫(wēn)度、壓力相對(dui)較低的場🔱景(jǐng),而超臨界二(èr)氧化碳循環(huan)系統需要二(èr)氧化碳工質(zhì)達到極高的(de)溫度與壓力(lì),二氧化碳的(de)密度、比熱🐇、黏(nian)度等物性參(can)數發生了顯(xiǎn)著變化,對于(yú)該條件下♋二(èr)氧化碳流☔量(liàng)測量,傳統流(liu)量測量方法(fa)将不再适用(yong)。孔闆流量計(jì)是--種技術成(chéng)熟且适合于(yu)高溫高壓流(liú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體流量測:量(liang)的方法,經過(guo)多年發展🌏孔(kǒng)闆流量計已(yi)形成标💋準化(huà)形式,主💔要包(bāo)括兩部分,分(fen)别是具有💞直(zhí)角邊緣的-段(duàn)節流孔,以及(ji)在節流孔後(hòu)具有一斜角(jiao)的錐形擴流(liú)段,其結構如(ru)圖1所示。然而(ér)有關測量💘超(chāo)臨界二氧化(hua)碳循環中工(gong)質流量的孔(kong)闆流量計設(she)計方案🈲,國内(nei)外并無經驗(yàn)借鑒。因此需(xu)要針對超臨(lín)界二氧化碳(tàn)工質的全新(xīn)特性,探💘究孔(kǒng)闆結構參♋數(shù)的變化對于(yu)流量系數的(de)影😘響,同時驗(yàn)證現有标準(zhun)中的相關規(guī)定對于超臨(lin)界二氧化碳(tan)工質是否适(shì)用。.
　　我國學者(zhe)采用數值模(mo)拟爲主,實驗(yàn)驗證爲輔的(de)研究方式,以(yǐ)🏃‍♂️水或天然氣(qi)爲研究對象(xiàng),開展了管徑(jìng)、孔徑厚💜度等(děng)結構參數對(dui)孔闆流量計(jì)的影響研究(jiū)。孔闆直徑比(bi)、厚度等參數(shu)會顯著影響(xiang)孔☎️闆的節流(liu)特性,從而影(ying)響流量計😘的(de)計量性能。當(dāng)直徑比小于(yu)0.3時❤️,流量系數(shù)随直徑比增(zēng)加☔而快速下(xia)降,當直徑比(bǐ)大于0.3時，流量(liàng)系🌏數逐漸遞(dì)增,但增速較(jiao)緩;直徑比在(zai)0.2~0.8範圍内時，流(liu)量系數随β增(zēng)大🐕呈先減小(xiao)後增大的趨(qū)勢,并♈以0.55爲分(fèn)界點,其中⚽β在(zài)0.45~0.65之間時可控(kong)制誤差在3%以(yi)内。與直徑比(bi)不同,流量系(xi)數随孔闆厚(hou)度的變化特(tè)性較--緻。厚度(du)e增加，流出系(xi)數直線上升(shēng);林棋等人[4-5]也(ye)認爲流出系(xì)數随縮徑孔(kong)厚度🥵增大而(ér)增大;在模型(xíng)中♋考慮🏃🏻了引(yin)壓管的存在(zai),結果顯✨示❌,e變(bian)化0.15mm時，流出系(xì)數變化1.56%;e變化(huà)1mm時，流出系數(shu)變化2.125%。
 
　　近年來(lái)的理論知識(shí)、不斷優化的(de)算法以及不(bú)斷更新擴充(chōng)的實驗數據(ju)庫等都保證(zhèng)了數值模拟(nǐ)研究的正确(que)率🌂與精度,因(yin)😄而逐漸成爲(wei)主流研究方(fāng)法之📐一。孔闆(pan)🎯流量計🏃🏻管道(dao)内部介質流(liu)動複雜,參數(shù)變化劇烈,采(cai)用數值模拟(nǐ)方法可以有(you)效捕捉💰到管(guǎn)道内💃🏻部的細(xi)微變化,因此(cǐ)是孔🙇🏻闆流量(liàng)計研究的有(yǒu)力工具。部分(fen)學者利用數(shu)值模拟對孔(kong)闆流量計結(jie)構進行了優(you)化設計。利✔️用(yòng)Fluent模拟了一種(zhǒng)半雙曲線型(xíng)的新式孔闆(pan)流量計,并同(tong)時利用牛頓(dun)流體🧡和‼️非牛(niú)頓流體進行(háng)驗證，發現這(zhe)種流量計可(ke)使内部介質(zhì)近似🚩無剪切(qie)流動,大大消(xiao)除了❌渦流和(hé)停滞區✊等流(liu)動結🌈構;研究(jiū)發現在孔闆(pan)流量❓計🏃‍♂️下遊(yóu)插入-個環可(kě)以有效減少(shǎo)壓力損失,并(bìng)利用⛹🏻‍♀️數值模(mo)拟和遺傳算(suàn)法優化結構(gou),可減少33.5%的壓(ya)力損失,極大(dà)的降低了能(néng)耗和👣成本。
　　因(yin)此,本文進行(háng)了孔闆流量(liang)計結構參數(shu)對于流量系(xi)❌數影🥵響🛀的模(mó)拟研究,包括(kuò)直徑比、節流(liú)孔厚度、孔🔅闆(pǎn)厚度等🏃‍♀️結構(gou)參數,明确了(le)在超臨界二(èr)氧化碳工🚶質(zhi)典型工況下(xià)🔴不同結🏃‍♀️構參(cān)數🐕對流量系(xi)數的影響,同(tong)時将通過現(xian)行孔🌐闆流量(liàng)計🚶‍♀️國際标準(zhun)文件中經驗(yan)公式計算得(de)到的結果與(yu)數值模拟✔️結(jie)果進行比⁉️較(jiao),提出了針對(dui)超臨界二氧(yǎng)化碳工質的(de)孔闆流量計(ji)結構參數推(tuī)薦範圍與推(tui)薦設計值,提(tí)升了其測量(liang)精度。除此之(zhi)外，還探究了(le)孔闆人口直(zhí)角邊緣鈍化(hua)對孔闆🌈流量(liang)計測量精度(dù)的影響,并據(jù)此提出了🏃🏻新(xin)的針對現行(háng)孔闆流量計(ji)國際标準文(wen)件中經驗公(gōng)式計算得🔞到(dao)的流量系數(shu)的修正系數(shù)。
1.計算模型與(yu)模拟方法
1.1模(mó)型建立與網(wǎng)格劃分
　　根據(ju)标準文件[1]規(guī)定的孔闆流(liu)量計結構設(shè)計與參數要(yào)求，本文分别(bie)建立了DN25和DN200兩(liǎng)種管徑的孔(kong)闆流量計,結(jie)🈲構參📞數如表(biǎo)1所🌐示,在後文(wen)進行相關研(yán)究時均以該(gai)表中的結構(gòu)參數爲基礎(chu)參數,依據該(gai)參數使用SolidWorks軟(ruǎn)件建立了孔(kong)闆流量計及(ji)其前後一定(dìng)長度管道的(de)幾何模型,如(ru)圖2所示。
 
 
　　本文(wén)采用非結構(gou)化網格進行(háng)模拟計算,利(lì)用AnsysMeshing軟件👨‍❤️‍👨将孔(kong)闆流量計管(guǎn)道劃分爲四(sì)面體網格和(he)六面體🐇網格(ge)相結合的混(hùn)合形式。除此(ci)之外,爲了準(zhǔn)确捕捉♊到流(liu)場内的細微(wei)變化,在介質(zhì)與管道内壁(bì)接觸處進行(hang)邊界層的網(wǎng)格劃分，采用(yòng)🍓平滑過渡法(fǎ),第一層🍓高度(du)根據面網格(ge)和過渡比進(jin)行确定,最大(dà)層數爲5層，增(zeng)長率爲✌️1.2,這時(shi)邊界層總厚(hòu)🙇‍♀️度是變化的(de),對于複雜流(liú)動更有效，結(jie)果如圖3所示(shì)。
 
　　爲提高節流(liu)孔闆内部及(ji)其到前後取(qǔ)壓截面處的(de)模拟☀️精🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度,利(li)用影響球對(duì)孔闆前後長(zhang)度爲D的流場(chang)🔞範圍内進行(háng)了局部⁉️網格(ge)加密,網格數(shù)量過少會導(dao)緻計算精度(dù)不足,而過多(duo)的網格數量(liang)則會無謂地(dì)加大計算工(gōng)作量,降低計(jì)算速度。本文(wen)對DN25和DN200兩種管(guǎn)徑不同的管(guǎn)道進行網格(gé)數量與計算(suan)結果無關性(xing)‼️的驗證，綜合(hé)計算精度與(yu)計算速度考(kǎo)慮,對于DN25管道(dào),選取網格數(shù)分别爲956036和1190483時(shí)👅,在各點測✂️出(chū)的壓力相差(cha)均小于0.01%，因此(ci)選擇劃分網(wang)格數爲956036;對于(yu)DN200管道,選取網(wang)格數分别爲(wei)2308874與4328293時,在各點(dian)測出的壓力(lì)相差均小于(yu)⭐0.01%，因此選擇劃(huà)分網格數爲(wèi)2308874。
1.2模拟程序參(cān)數設置
1.2.1物性(xing)參數設置
　　Refprop軟(ruǎn)件由NIST開發，該(gai)軟件含有豐(fēng)富的數據庫(kù)以及适用于(yú)超臨界❤️CO,的多(duō)個狀态方程(chéng)。本文通過在(zai)Fluent軟件中激活(huo)NISTRealGas模型[川進行(háng)調用,計算超(chāo)臨界二氧化(huà)碳流體的物(wu)性參數。其中(zhong)☀️物性參數采(cai)用FEK狀态方🈚程(chéng)模型計算，黏(nián)度采用VS1模型(xing),導熱系數采(cai)用TC1模型,各模(mo)型的相關參(cān)數如表2所示(shì)。
 
1.2.2邊界條件設(shè)置
　　本文針對(duì)超臨界二氧(yang)化碳鍋爐人(ren)口處的循環(huán)工質進行流(liú)量系數測量(liàng)的數值模拟(nǐ)研究,設置了(le)質✉️量流量人(rén)口與壓力出(chu)口,溫度、壓力(lì)等參數的選(xuǎn)取爲超臨界(jiè)二氧化碳鍋(guo)爐入口🌍處工(gōng)質典型參數(shù),即750K、21MPa。由于循環(huán)系統運行💯于(yú)高壓環境，管(guan)道的🙇‍♀️壓力損(sǔn)失相較而言(yan)很📱小，因此可(ke)認爲管道壓(ya)力🏃‍♂️爲恒定.值(zhi),壓力出口參(cān)數設🔴置與人(rén)口相同,其餘(yú)參數保持默(mò)認不變;由于(yú)超臨界🌈二氧(yang)化碳鍋爐人(ren)口處管道一(yī)般采取嚴格(gé)保溫措施⚽,因(yīn)此可忽略壁(bì)面與工質間(jiān)的換熱,設置(zhi)爲絕熱邊界(jiè)。
1.2.3數值模型設(shè)置
　　本文主要(yao)模拟超臨界(jie)二氧化碳工(gong)質流經孔闆(pǎn)流🌈量🙇‍♀️計🔴的🐆流(liu)動過程,基本(běn)方程包含質(zhi)量、動量和能(neng)量✍️輸運方程(cheng),由雷諾數的(de)定義公式
 
　　計(ji)算可知本文(wen)針對的超臨(lin)界二氧化碳(tan)工況下雷諾(nuò)數📐均遠大于(yu)4000,因此管道内(nèi)的流動均處(chu)于湍流狀态(tài),在進行🐅數值(zhí)🔴模拟時需進(jin)行湍流模型(xing)的設置,本🌂文(wen)選擇🔴SSTh-ɷ湍流模(mo)❤️型。
1.2.4求解參數(shu)設置
　　FLUENT中的亞(ya)松弛因子主(zhu)要控制計算(suàn)過程中每次(ci)叠代的變化(hua)量,可💯以通過(guo)減少兩層次(cì)之間計算.結(jié)果的差值從(cong)而促進收斂(lian)。本文設置的(de)亞松弛因子(zǐ)如表3所示。
 
1.3模(mo)型的驗證
　　基(jī)于上述設置(zhi)，本文針對溫(wen)度爲535.1~642.5K、壓力爲(wèi)19MPa、質量流量爲(wei)1.28kg/s的實驗工況(kuàng)進行了模拟(ni)研究,模拟的(de)孔闆結構參(cān)數、溫度、壓力(li)、流量等參數(shu)以及數據處(chù)理方法均🔞與(yǔ)實驗保持--緻(zhi),得到了超臨(lin)界二氧化碳(tàn)工質的流量(liàng)系數。将🧡模拟(ni)計算得到的(de)流💃量系數與(yǔ)實流測量結(jié)果進行對比(bǐ),結果如圖4所(suǒ)示。,通過數值(zhi)模拟得到的(de)流量系數♈與(yu)實驗數據總(zong)體趨勢相似(sì),在數值上👣均(jun)高于實🎯驗數(shu)據,但相對于(yu)實驗數據的(de)偏差較小,偏(piān)差爲1.62%~2.69%。
 
　　造成偏(pian)差的原因可(kě)能有多種,如(ru)實驗選用測(ce)量儀表具有(you)一定的不确(que)定度、模拟參(cān)數的設置無(wú)法與真實情(qing)況完全對應(ying)💜、收斂判據設(she)置不嚴格等(deng)等。爲📧了降低(di)🥵模拟結果與(yu)實驗數據⛱️的(de)偏差,本文分(fen)别按💜各模拟(nǐ)結果相對同(tóng)工況下實驗(yan)數據的偏差(chà)平均值進行(hang)修正。模拟得(de)到流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量系數(shu)相對實驗數(shù)據平均增大(dà)0.013,因此對模拟(nǐ)結果減去📞該(gāi)修正值,修正(zheng)後相對偏差(cha)爲0.016%~0.674%。
上述結果(guo)說明數值模(mó)拟方法與實(shi)驗結果的一(yī)緻性較好,因(yin)此本文建立(li)的數值模拟(ni)方法可用于(yu)後💰續進☂️一步(bù)的研究。
2孔闆(pan)結構參數對(dui)流量系數影(yǐng)響
2.1直徑比的(de)影響
　　直徑比(bi)會顯著影響(xiǎng)孔闆對于介(jiè)質流過的節(jiē)流效果,改✌️變(biàn)介質流過的(de)速度、壓力等(deng)參數,是影響(xiang)孔闆流量計(jì)測量性能的(de)首要因素。ISO國(guo)際标準中規(guī)定,孔闆流量(liàng)計的直徑比(bi)一般在0.1~0.75内變(biàn)化,本文分别(bie)選取直徑比(bǐ)在🍓0.3~0.9之内的7個(gè)工況進行了(le)模拟計算,探(tan)究孔闆流量(liàng)計直徑比對(dui)流量㊙️系數的(de)影響，得到的(de)結果如圖5所(suo)示。
對數據進(jìn)行分析可知(zhī):
(1)孔闆流量系(xì)數随直徑比(bi)的變化趨勢(shì)與管徑無關(guān)☂️。随着✊孔🌈闆直(zhi)♈徑比增大,DN25和(hé)DN200管道内孔闆(pan)流量系數呈(chéng)🈲現近似相同(tong)變化趨勢;上(shang)升-平穩-.上升(sheng),主要區别在(zài)于前者在β爲(wèi)0.4~0.8範圍内較平(ping)穩、而後者在(zai)0.5~0.8範圍内較平(píng)📐穩;
(2)标準文件(jian)[10]中經驗計算(suàn)公式的結果(guǒ)随直徑比增(zeng)加而🐇逐漸下(xià)降,其中直徑(jing)比在0.3~0.6範圍内(nèi)時下降趨勢(shì)較平緩,當超(chāo)過0.6時下降值(zhi)逐漸增大;
(3)孔(kong)闆流量系數(shù)在β爲0.3~0.6時小于(yú)經驗公式計(ji)算值,此範♉圍(wei)内使⭐用🌈經驗(yan)計算公式會(huì)使測量結果(guo)較真實值大(dà)2.45%~47.03%;β在0.7~0.9時孔闆流(liu)量系📧數大于(yú)經驗公式計(ji)算值，此時使(shi)用經驗計算(suan)公式會使測(cè)量值比實際(jì)值小0.5%~60.19%;
(4)當直徑(jìng)比在标準文(wen)件[10]規定的0.1~0.75範(fan)圍内時,孔闆(pan)流量系數的(de)👄模拟結果與(yǔ)經驗公式計(ji)算結果的相(xiang)對誤🐅差波動(dòng)較大,如🐆對DN25管(guan)道而言,β爲0.3時(shí)相對偏差達(dá)到47.03%,而β爲0.7時相(xiàng)對偏差僅爲(wèi)0.5%。因此對于超(chāo)臨界二氧化(huà)碳工質而言(yan)，孔闆直徑比(bǐ)的選擇範圍(wéi)應較标準規(gui)定範圍縮小(xiǎo);對于超臨界(jie)二氧化碳工(gōng)質而🔞言,直徑(jing)比在0.6~0.7範圍内(nèi)時孔闆流量(liàng)系數的模拟(nǐ)結果與經驗(yan)💘公式計算結(jie)果的相對誤(wù)差較小，其中(zhōng)DN25管道相對誤(wù)差爲0.5%~2.45%,DN200管📱道相(xiàng)對誤差爲2.27%~3.6%。
 
2.2節(jiē)流孔厚度的(de)影響
　　孔闆節(jie)流孔厚度決(jue)定了超臨界(jie)二氧化碳工(gōng)質流過收😘縮(suo)管道♊的長度(du),是影響孔闆(pǎn)節流能力的(de)主要參數之(zhī)一，會對工質(zhì)流過孔闆的(de)流速、壓力等(děng)參數🔱産生影(ying)響,進而影響(xiǎng)測量結果。标(biāo)準文件[10]規定(ding)标準孔闆節(jie)流孔厚度應(ying)在0.005D~0.02D之間,對應(yīng)DN25管道的e應在(zài)0.115~0.46mm,DN200管道的e應在(zai)0.695~2.78,本文分别模(mó)拟了DN25管道e爲(wèi)0.1~0.7mm、DN200管道e爲0.2~4.2mm時超(chao)臨界❄️二氧化(hua)碳工質流過(guo)節流孔闆的(de)流量系數變(bian)化,爲便于對(duì)比,以e/D爲橫坐(zuò)标将結果表(biao)示在圖6中。
 
對(duì)數據進行分(fèn)析可知:
(1)孔闆(pan)流量系數随(suí)e/D的變化趨勢(shì)與管徑無關(guān)。随着e/D逐漸增(zēng)🆚加,DN25和DN200管道内(nèi)孔闆的流量(liang)系數均呈現(xian)先減小後增(zeng)大的☂️趨勢，分(fen)别在e/D爲0.017和0.023時(shi)達到最小值(zhí)，此後流量系(xì)數先急劇增(zeng)大,随後保持(chí)平緩增長;
(2)标(biāo)準文件[I0]中經(jing)驗計算公式(shì)的結果不随(sui)節流孔厚✍️度(du)而發生改變(bian),其中DN25管道的(de)經驗公式計(jì)算結果略大(da)-一些,模拟得(de)🥵到的DN25和DN200管道(dao)的流量系數(shu)均小于經驗(yàn)公式計算結(jie)果,其中前者(zhe)的相對誤差(chà)爲0.18%~1.84%,後者的相(xiang)對誤差爲0.31%~2.05%;
(3)在(zai)标準文件[10]規(guī)定孔闆節流(liú)孔厚度範圍(wéi)内,孔闆流💔量(liang)系數💔模拟⚽結(jié)果與經驗公(gōng)式的相對誤(wù)差均在2%以下(xia),因此标準中(zhong)規定的孔闆(pan)節流孔厚度(du)範圍可以接(jie)受;同🈲時還發(fa)現當節流孔(kong)厚度超過規(gui)定範圍一定(ding)值後,相⭐對誤(wù)差仍可接受(shou),甚至相對誤(wù)差還可能🈚減(jian)少，如DN25管道的(de)e爲0.6mm、0.7mm時,均超出(chu)了規定上🈲限(xian)0.46mm,但相對誤💰差(cha)分别達到了(le)0.3%和0.18%，因此标準(zhǔn)中規定的節(jiē)流孔💔厚度範(fan)圍在針對超(chao)臨界二氧化(hua)碳工質時可(ke)以适當擴大(da),推薦DN25管道孔(kǒng)闆節流孔厚(hou)度可在0.004D~0.03D内變(biàn)💋化，DN200管道在🚩0.005D~0.03D範(fan)圍内;
(4)基于模(mo)拟結果給出(chu)相對誤差更(gèng)小時對應孔(kǒng)闆節流🙇‍♀️孔厚(hòu)度的推薦值(zhi),其中DN25管道孔(kong)闆在e/D爲0.004~0.008及0.02~0.03之(zhi)間,即🔞e爲0.1~0.2mm.0.5~0.7mm時🐅，相(xiang)對誤差小于(yú)1.5%;DN200管道📐孔闆在(zài)e/D爲0.005~0.012及0.027~0.03時,對應(yīng)e爲0.7~1.7mm及🔱3.7~4.2mm時，相對(duì)誤差小👌于等(děng)于1.5%。
2.3孔闆厚度(du)的影響
　　由圖(tu)1可知，标準孔(kǒng)闆在節流孔(kǒng)之後還設置(zhì)一定長🏒度的(de)錐形擴🌈流段(duàn),與節流孔段(duan)共同組成孔(kong)闆的節流段(duàn),該擴流段長(zhang)度也會對孔(kǒng)闆的節流能(neng)力産生影響(xiǎng),從🐉而改變🤩工(gōng)質流過孔闆(pan)後的速💰度、壓(yā)力等參數,對(duì)測量精度産(chǎn)生🥵影響。标準(zhǔn)文件[10]規定孔(kong)闆厚度E應在(zai)e~0.05D之間,對應DN25管(guǎn)道的E應✔️不大(dà)于1.15mm,DN200管道的E不(bu)超過6.95mm。
　　本文在(zài)保持節流孔(kong)厚度不變的(de)情況下，分别(bié)設置了不同(tóng)❗的孔✊闆厚度(du)用以探究流(liu)量系數的變(biàn)化,其😘中DN25管道(dao)孔闆厚度E爲(wèi)0.5~1.4mm,DN200管道💔孔闆厚(hou)度E爲3~8mm,模拟結(jié)果如👉圖7所示(shi)。
 
對數據進行(háng)分析可知:
(1)孔(kǒng)闆流量系數(shu)随E/D的變化趨(qu)勢與管徑無(wu)關。随着E/D逐🍉漸(jian)增加,DN25管㊙️道和(he)DN200管道内孔闆(pǎn)流量系數呈(chéng)現近似相🌍同(tóng)的㊙️變化趨勢(shi)🛀:即下降上升(sheng)-平穩-下降,主(zhu)要區别在🚶于(yú)DN200管道内孔闆(pan)流量系數下(xià)降和上升的(de)趨勢更加明(ming)顯;
(2)流量系數(shù)經驗計算公(gōng)式的結果不(bu)随孔闆厚.度(dù)而發生變化(huà)，其中DN25管道的(de)經驗公式計(ji)算結果偏大(dà)--些,DN25和DN200管道的(de)流量✊系數均(jun1)小🐇于經驗公(gōng)式計算值,因(yin)此當使用經(jīng)驗公💯式進行(háng)工質流量計(jì)算時會造成(chéng)計算結果偏(piān)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼大;
(3)在标準文(wen)件[10]規定孔闆(pǎn)厚度範圍内(nei),DN25和DN200管道内孔(kong)闆流量系數(shu)㊙️與經驗計算(suàn)公式的相對(duì)誤差均在2%以(yi)下，因此标準(zhun)中的規定範(fan)圍✍️可以接受(shòu),但該規定範(fan)圍🔱對于超臨(lin)界二氧化碳(tàn)🏃🏻‍♂️工質可适當(dāng)擴🏃充,如模拟(nǐ)結果所示，當(dāng)DN25和DN200兩種管徑(jing)的孔闆厚度(du)E達到0.06D左右時(shi)，雖然已經超(chāo)出了規定的(de)0.05D這一限值,但(dàn)相對誤差仍(reng)小于2%，處于可(ke)接受的範圍(wéi),但依據變化(hua)趨勢可以合(he)理預測，當孔(kong)💋闆厚度繼續(xù)增加時，相對(duì)誤差将大于(yú)2%，因此建議對(duì)于超臨界二(er)氧化碳工質(zhi)而言,孔闆.厚(hou)度可設置在(zài)0.02D~0.06D之間。
2.4孔闆流(liú)量計結構參(can)數設計建議(yi)
　　通過對孔闆(pǎn)流量計各結(jié)構參數的模(mo)拟研究,明确(que)了在進行超(chāo)臨界二氧化(huà)碳工質質量(liàng)流量測量時(shí),孔闆流量系(xì)數随各結構(gou)參數的變化(huà)趨勢與相對(duì)誤差,本節主(zhu)要對以上模(mó)拟結果進行(háng)👣總結分析,參(can)考《用能單位(wei)能源計量器(qi)具配備和管(guan)理通則》中的(de)精度規定，，給(gěi)出了針對超(chao)臨界二氧化(hua)碳工質的孔(kǒng)闆流量計結(jié)構參數推薦(jian)設計範圍,在(zài)該範圍⁉️内經(jīng)驗計算公式(shì)的計⛱️算結果(guo)可滿足2.5精度(du)等級要求,還(hái)進一步提出(chu)了該範圍内(nèi)精度相對更(gèng)高👌的結構參(cān)數推薦值，将(jiang)以上結果🧑🏾‍🤝‍🧑🏼與(yǔ)現行國際标(biāo)準ISO5167-2:2003中标準孔(kǒng)闆流量計各(gè)結構參數的(de)規定範圍進(jin)行📞對比,如表(biao)4所示。
 
　　可以看(kàn)出,對于超臨(lín)界二氧化碳(tan)工質而言,标(biao)準文件[10]規定(ding)🚩的孔闆流量(liàng)計各結構參(cān)數的設計範(fan)圍并不完全(quán)适用,其中直(zhi)徑比的規定(ding)範圍過大,對(dui)應的🔞流量系(xì)💁數的相對誤(wù)差也波動較(jiao)大,從💰0.5%到47.03%不等(děng),而當直徑比(bi)在0.6~0.7範圍内時(shi),可将相對誤(wù)差有效👅降低(di)至0.5%~3.6%;在标準文(wén)件[10]規🈲定的節(jiē)流孔厚度、孔(kǒng)闆厚度等參(can)數範圍内,絕(jue)大多數流量(liang)系數的相對(duì)誤差可控制(zhi)⭕在2%以下，因此(cǐ)其規定範圍(wéi)可以繼續使(shi)用,同時本文(wén)的數☔值模拟(nǐ)結果顯示，當(dang)孔闆的以，上(shang)幾個結構參(can)數的數值超(chāo).出⚽其規定範(fan)圍時,最大相(xiàng)對誤差也僅(jǐn)🤞爲2%左右，因此(cǐ)對于超臨界(jiè)二氧㊙️化碳工(gong)質而言♉，孔闆(pǎn)的節流孔厚(hòu)度、孔闆厚度(dù)等參數均可(ke)一定程度上(shang)超出标準中(zhōng)的規定範圍(wéi)，相對誤差✂️也(yě)可接受。
3入口(kǒu)直角邊緣尖(jiān)銳度及其修(xiu)正系數的模(mó)拟研究
　　一般(ban)而言,孔闆人(ren)口邊緣應該(gāi)是尖銳的,其(qí)與超臨界二(èr)氧🙇🏻化碳💜工質(zhì)首先直接接(jiē)觸,如果其尖(jiān)銳度不夠的(de)話則無法保(bǎo)證對于工質(zhì)的節流作用(yong)達到預☁️期,因(yīn)而會對測量(liang)精度産生影(yǐng)響。在孔闆實(shí)際工作過程(cheng):中,可能存在(zài)加工精度不(bu)足、工質磨損(sun)、腐蝕等問題(tí)的存在,造成(cheng)直角邊緣變(biàn)鈍,故标🌈準文(wén)件[10]規定,孔闆(pǎn)人口邊緣🔴的(de)圓弧半徑應(yīng)小于等于0.0004D,在(zai)此限值👌之内(nei)的誤差是可(ke)以接受的,若(ruò)超過這一-限(xiàn)值,則無法⛷️保(bǎo)證測量精度(dù),應進行相應(yīng)的維修、更換(huan)或修正等。本(ben)文模拟了孔(kong)闆人口邊緣(yuán)圓弧半徑爲(wèi)0~0.015D時孔闆💜的流(liú)量系數變化(huà)趨勢,結果如(ru)圖8所示。
 
分析(xī)結果可以得(dé)出:
(1)孔闆人口(kǒu)邊緣尖銳度(du)對于孔闆流(liú)量系數的影(yǐng)響趨勢與管(guǎn)徑無關。随着(zhe)孔闆人口邊(biān)緣逐漸變鈍(dùn),DN25和DN200兩種管道(dào)的孔闆流量(liàng)系數呈現近(jìn)似相同的變(bian)化🐅趨勢，均随(suí)着人口圓弧(hu)半徑的增大(dà)而先增大後(hòu)減小,分别在(zai)r達到0.01D和0.008D時流(liú)量系數達到(dao)最大;
(2)孔闆人(ren)口邊緣開始(shi)鈍化時,流量(liàng)系數顯著增(zēng)加,遠大于經(jīng)驗計算公式(shì)結果,因此造(zào)成使用經驗(yan)計算公式時(shí)得到的工質(zhì)💃🏻質量流量相(xiang)對真實值很(hěn)小，其中DN25管道(dào)内相對誤差(cha)爲5.16%~12.61%,DN200管道的相(xiang)對誤🔱差爲5.13%~11.96%;
(3)對(duì)于超臨界二(èr)氧化碳工質(zhì)而言,當孔闆(pan)人口直角邊(biān)緣變鈍後⛱️,應(yīng)立即進行相(xiàng)應的處理或(huo)流量系數🚩的(de)修正,否則誤(wu)差将☂️會變得(de)很大。
　　當使用(yòng)标準文件[10]給(gěi)出的不同邊(bian)緣尖銳度對(duì)應的💘修正系(xi)數b進⛹🏻‍♀️行孔闆(pan)流量系數的(de)修正時,可以(yi)--定程度上⁉️減(jian)少流量🏃🏻‍♂️系數(shu)的相對誤差(cha)。本文使用表(biǎo)5中的🈲修正系(xì)♊數b對經驗公(gōng)式計算結果(guo)進行修正,結(jie)果如圖9所示(shi)。
 
 
　　結果顯示，對(dui)于超臨界二(èr)氧化碳工質(zhi)而言,當使用(yong)修正系🏃數👉b進(jin)行孔闆流量(liàng)系數的修正(zhèng)後,僅可使部(bù)分邊緣圓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻弧(hu)半☁️徑對應的(de)孔闆流量系(xì)數相對誤差(cha)😍降低到🏃🏻‍♂️可以(yǐ)接受的程度(du),而大部分情(qing)況下相對誤(wù)⭐差仍比較💃大(da),如DN25管道‼️多數(shu)情況下的流(liu)量系數相對(dui)🤩誤差在4.41%~6.94%之間(jian)🐉,DN200管道的相對(duì)誤差多數在(zài)3.74%~7.11%,因此該修正(zheng)☔系數b對于超(chao)👉臨界二氧化(huà)碳工質并不(bu)适用。
　　對DN25和DN200管(guǎn)道的模拟流(liú)量系數及經(jing)驗公式計算(suan)結果求平均(jun),得到針對超(chāo)臨界二氧化(huà)碳工質的不(bu)同孔闆邊❄️緣(yuan)尖銳度對應(yīng)的修正系數(shu)b,如表6所示。将(jiāng)更正的修正(zhèng)系數應用于(yú)模拟數據，結(jié)果如圖10所示(shi)。
 
　　可以看出,當(dāng)使用更正後(hòu)的修正系數(shù)b進行孔闆的(de)流😄量系數經(jīng)驗公式計算(suan)結果的修正(zheng)後,得到的流(liú)💃量系數與🐪模(mó)拟⁉️結果💁拟合(hé)🤞較好,其中DN25管(guan)道相對誤差(chà)✌️爲0.11%~1.21%,DN200管道相對(duì)誤🌈差爲0.11%~1.85%。
4結論(lun)
　　本文開展了(le)孔闆流量計(ji)的數值模拟(nǐ)研究，探究了(le)孔🤞闆💚的各結(jie)♊構參數對超(chao)臨:界二氧化(huà)磯工質流量(liang)🛀🏻系數🈲的影響(xiǎng),基于此🌏給出(chū)了孔闆流量(liàng)計結構參數(shu)的設計建議(yi),并且探究了(le)人口直角邊(bian)緣尖銳度對(dui)💋流量系數的(de)影響,得到的(de)主要結論如(rú)下✊:
(1)現行标準(zhun)文件中的孔(kǒng)闆流量計結(jie)構參數的規(guī)定範圍測🍉量(liang)相👨‍❤️‍👨對誤差在(zai)0.5%~47%的較大範圍(wei)内波動,對于(yú)超臨界二氧(yǎng)化碳😘工質并(bing)不适用。
(2)本文(wén)針對超臨界(jiè)二氧化碳工(gong)質提出了孔(kǒng)闆.流量🍓計結(jie)構參數🛀🏻推薦(jiàn)設計範圍,其(qí)中直徑比應(ying)爲0.6~0.7,節流孔厚(hòu)度應爲0.004~0.03倍的(de)管道内徑,孔(kǒng)闆厚度應爲(wèi)0.02~0.06倍的管道内(nèi)徑,在該範☔圍(wei)内絕大多數(shù)工況下流量(liàng)系數的👨‍❤️‍👨相對(duì)誤差可控制(zhi)在💚2%以下;
(3)孔闆(pan)人口邊緣鈍(dùn)化會使流量(liàng)系數顯著增(zēng)加,且修正系(xì)數b并不能使(shǐ)相對誤差降(jiang)低至可以接(jiē)受的範圍,修(xiu)正後相對誤(wù)差仍有約3.74%-7.11%,本(běn)文針對不同(tong)工況提出不(bu)同🌐修正參🌏數(shù),修正後經驗(yan)公式的相對(dui)誤差降❗低爲(wei)0.11%~1.85%。

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