摘要:因(yīn)多種工況條件無(wú)法滿足測量精度(dù)要求，傳統 差壓式(shì)流量計 應用範圍(wei)受到一定限制。基(ji)于多孔整流器和(hé)标準孔闆的流量(liang)測量原理，提出一(yī)種對稱多孔孔闆(pǎn)差壓式流量計 的(de)設計方法。然後對(duì)該流量計進行計(ji)算流體動力學(CFD)數(shù)💚值計算與仿真分(fèn)析，結果表明多孔(kong)孔闆差壓❓式流量(liàng)計測量精度較标(biao)準孔闆流量計提(ti)高1倍以上，永久壓(yā)力損失減小約1/3。最(zui)後進行實流試驗(yàn)，試驗結果表明，多(duo)孔孔闆🔞流量計比(bi)常規标準孔闆節(jiē)流👅裝置具有明🔱顯(xiǎn)的優勢，其适應性(xing)更好。此設計方法(fa)可爲多孔孔闆流(liú)量計的結構設計(ji)和性能優化提供(gong)參考。
0引言
　　流量計(jì)量是計量科學技(jì)術的重要組成部(bù)分，廣泛應🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用于農(nóng)業生産、石油石化(huà)、科學研究、國防建(jian)設以及人民生㊙️活(huo)的諸多🤞領域。尤其(qi)在能源危機的後(hou)經濟時代，流量計(jì)量的重要性日益(yì)突出。相比其它流(liú)量計，傳統差壓式(shì)流量計因結構簡(jiǎn)單、成本低、重複❄️性(xìng)好、标準化程度高(gāo)等特點得到廣泛(fàn)應用，但隻有🌈在符(fú)合标準♈要求的技(jì)術條件✨下，才能準(zhun)确地👨‍❤️‍👨測量流量。然(ran)而，工程實際應用(yong)中，很多工況條件(jiàn)不能滿足上述要(yao)求，從而無法達到(dào)所需要的㊙️測🈲量精(jing)度(雷諾數低于标(biao)準中推薦的雷諾(nuo)數範圍、測量介🌈質(zhì)中混有泥沙等)進(jìn)而限制了其應用(yong)範圍。
　　爲了改善上(shang)述缺點，非标準差(cha)壓式流量計得到(dào)快速發展和進一(yī)步的應用。基于差(cha)壓原理的多孔孔(kong)闆流量計♌不但繼(jì)承了标💜準孔闆流(liu)量計的結構簡單(dān)、無運動部件🈲等優(yōu)點，且能夠💃🏻平衡調(diao)整流場，明顯減少(shǎo)渦流、降低死區效(xiao)應、減少流體動能(neng)的損失，是目前應(yīng)用最爲廣泛的一(yi)種非标準差🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓式(shì)流量計。但在國内(nei)，多孔孔闆流量計(jì)的📧相關核心技術(shù)研究🧑🏽‍🤝‍🧑🏻相對較少，實(shi)際應用中要根據(jù)不同測量條件來(lai)設計🏒流量計，缺乏(fá)完整的結構參數(shù)設計和性能優化(huà)設計準則的指導(dao)，在一定程度上遠(yuan)未達到用🥵戶之首(shou)選。
　　綜上所述，針對(dui)多孔孔闆流量計(jì)的結構設計和性(xìng)能優化國内已有(you)一些研究，但缺乏(fá)統一的設計準則(zé)，不利于工程應用(yong)。
　　結合多孔整流器(qì)和标準孔闆聯合(hé)使用的測量原理(lǐ)，提💔出🏃🏻一種對稱多(duō)孔孔闆差壓式流(liú)量計的設計方法(fǎ)，采用計算流體動(dòng)力學(CFD)技術進行數(shù)值計算與仿真分(fèn)析。與标☎️準孔闆對(dui)比分析其流出系(xì)數及永久壓力損(sun)🐆失等性能指标，分(fèn)析結果說明了其(qi)優越性。最後通過(guò)實流實驗驗證了(le)設計的🐉合理性。此(cǐ)設計方法可爲多(duō)孔孔闆流量計的(de)結構設計和性能(neng)🐪優化提供一定的(de)參考。
1多孔孔闆流(liú)量計
　　 标準孔闆流(liu)量計 是使用最早(zǎo)、應用最廣泛的一(yī)種差壓式流量計(jì)，具有結構簡單🛀🏻、測(ce)量精度高等特點(diǎn)。其測量原理爲對(dui)于充滿管道的🏃‍♀️流(liu)體，當它流經管道(dào)内的節流件時，流(liú)體介質将會♻️在節(jie)流件處形成局部(bù)收縮，因而流速增(zēng)加，靜壓力降低，于(yú)是在節🤞流件前後(hou)便産生了一定的(de)壓差。流體流量愈(yu)大，産生的壓💛差愈(yu)大，這樣可依據壓(ya)差來衡量流量的(de)大小。根據不可壓(yā)縮流體的連續性(xing)方程和伯努利方(fāng)程，定常流體的體(tǐ)積♌流量可以通過(guo)如下🌈公式表示［8］:

　　式(shì)中:C爲流出系數，無(wu)量綱;β爲等效直徑(jìng)比，無量綱;D爲孔闆(pǎn)直徑;Δp爲壓差，單位(wèi)爲Pa;qv爲體積流量，單(dān)位爲m3/s;ρ爲流體介質(zhì)密✍️度。
　　多孔孔闆流(liú)量計具有對稱多(duō)孔結構，是目前最(zui)先✔️進的差壓式💘流(liu)量計之一。相比傳(chuán)統差壓式流量計(jì)，不僅結構簡單、安(an)全可靠、适用面廣(guang)，還具有精度高、直(zhi)管段🆚要求低、量程(chéng)比寬、永久壓損小(xiǎo)♌等優點。
　　多孔孔闆(pan)流量計的測量原(yuán)理基于能量守恒(heng)定律和質💰量守恒(heng)定律。流量檢測時(shí)，所測介質在通過(guò)多孔節流整流器(qi)的同時進行流體(ti)整流，減小節流裝(zhuang)置後形成的渦流(liú)，形成較穩定的紊(wěn)流，從而使引壓管(guǎn)路能夠獲取到較(jiào)⭐穩定的差壓信号(hào)，并進一步通過伯(bo)努利方程計算得(dé)出工藝所需體⭕積(ji)流量、質量流量等(deng)參數［12-15］。
2對稱多孔孔(kong)闆差壓式流量計(ji)結構設計
　　在工程(chéng)實際應用中，每個(ge)多孔流量計都要(yào)根據不同測量🐉條(tiao)件來設計，其開孔(kǒng)面積、節流孔的大(da)小、節㊙️流孔的具體(tǐ)形狀、節流孔個數(shù)及排列方式等結(jié)構參數均會對多(duo)孔孔闆㊙️流量計的(de)性能産生影響。由(you)于缺乏完整的結(jié)構參數設計和性(xing)能優化設計準🥵則(zé)的指導，在一定程(cheng)度上限制了其應(yīng)用範圍。對于不同(tóng)的測量‼️函數孔的(de)數量、如🧑🏽‍🤝‍🧑🏻何分布函(hán)數孔以及♍函數孔(kong)的結構等無疑是(shì)最主要的設計參(cān)數，目前還沒有統(tǒng)一的标準。
　　結合多(duo)孔整流器和标準(zhun)孔闆的測量原理(li)，提出并設計流量(liang)計的孔闆結構爲(wèi)在節流闆中心一(yi)個圓🏒孔的基礎上(shang)，對稱分布數量不(bu)等的圓孔，如圖1所(suo)示，均勻分💜布的圓(yuán)孔的總的面積和(hé)标準孔闆的面積(jī)相等。

　　當介(jie)質流過圓孔時，流(liu)體被平衡調整，渦(wo)流被最小🌍化，形成(chéng)近似理想流體，通(tōng)過取壓裝置和變(bian)送器，可💰獲得💯穩定(ding)的差壓信号，根據(jù)伯努利方程計算(suàn)出流體的流量:

　　式(shi)中:Q爲介質流量，單(dan)位爲m3/h;K爲儀表系數(shu);Y爲膨脹系數;Δp爲差(cha)壓👄值，單🐉位爲Pa;ρ爲介(jie)質工況密度，單位(wei)爲kg/m3。
　　基于以上對稱(cheng)多孔孔闆差壓式(shì)流量計結構設計(ji)的方❄️法，以孔闆管(guǎn)徑80mm、等效直徑比0.45、測(ce)量介質爲常溫水(shuǐ)的😘條件進行研究(jiu)。首先㊙️建立多孔孔(kǒng)闆流量計的計算(suàn)模⛹🏻‍♀️型，如圖2所示。參(cān)照流量測量節流(liu)裝置設計手冊建(jian)立流量計的幾何(he)尺寸，在流量計測(ce)量的上下遊部分(fen)設計有一定的直(zhí)管段來确保流量(liàng)計在測量的時候(hòu)流體的流場處于(yú)一種均勻穩定的(de)狀态并使因節流(liu)而被破壞的流場(chang)能夠恢複到節流(liú)前的狀态。

3多孔(kong)孔闆流量計
　　依據(ju)流量計的設計尺(chǐ)寸，在Creo3.0中建立其三(san)維計算模型🏃🏻，取闆(pan)前4D、闆🤩後8D的流場區(qu)域作爲計算域，并(bing)将其導入ICEM專用劃(huà)✏️分網🈲格軟件中進(jin)行網格劃分，網格(gé)的劃分采用全六(liù)面體結構化網格(gé)的劃分🚶‍♀️方法，對計(ji)算域進行局部加(jiā)密以保證計算精(jing)度，網格劃分結果(guo)如圖3所示。

　　由于多(duō)孔孔闆流量計的(de)流場情況較爲複(fu)雜，對湍流模型的(de)要求較高，本文采(cai)用工程上常用的(de)Standardk－ε湍流模型，其方程(cheng)式表述如下［15］:

　　式中(zhong):k是湍流動能;ε是湍(tuan)流耗散率;ρ是流體(ti)密度;μ是流速❌;μt是湍(tuān)流粘度;Gk是由層流(liú)速度梯度而産生(shēng)的湍流🔅動能;Gb是由(yóu)📧浮力産生💜的湍♈流(liú)動能。C1ε、C2ε、C3ε是常量，分别(bié)爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是k方程和ε方程(chéng)的湍流prandtl數，分别爲(wèi)σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入口條件爲(wei)速度入口(velocity-inlet)，出口爲(wei)自由發展出流(outflow)，以(yi)各項參數的殘差(chà)小于0.00001爲收斂标準(zhun)，分别計算0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等❄️幾種(zhǒng)入口🍉流速下流量(liang)計的流場特性。文(wen)中給出幾種典型(xing)流速條件下的計(jì)算結果，如圖4所示(shì)。


　　由圖(tu)4可以看出，入口流(liú)速在0.2～7m/s時多孔孔闆(pǎn)流量計下遊速度(dù)彙聚趨勢明顯，相(xiàng)比于标準孔闆其(qí)壁面回流區較小(xiao)，但随入口流速🈲不(bu)斷增大回流區長(zhang)度随之增大，變化(huà)範圍爲0.5D～1.2D。由此可見(jiàn)，多孔孔闆流量計(ji)尾流流場能🈲夠快(kuài)速進入穩定狀态(tai)。闆前死區較小，且(qie)🌈随流速增大✨而逐(zhu)漸增大☁️。
　　通過Fluent求解(jiě)計算獲得孔闆前(qián)後的差壓值，進而(ér)得到流量❗計的永(yǒng)久壓力損失。取壓(yā)口設置爲上下遊(yóu)取壓口距離😘孔闆(pan)上下遊端面的距(jù)離爲0.04m，通過在Fluent中定(dìng)義相應取壓面，分(fen)别求取上下遊取(qu)壓⛹🏻‍♀️面的平均壓力(lì)值，獲得壓差值和(he)永久壓力損失值(zhí)如下表1所示。不同(tong)入口流速下，标準(zhǔn)孔闆流量計和多(duō)孔孔闆流☀️量計的(de)永久壓力損失的(de)對比情況如表1和(he)圖5所示🌈。

　　由表1和圖(tú)5可以看出，随着入(rù)口流速的不斷增(zeng)大，多孔孔🤟闆流🌈量(liang)計的永久壓力損(sǔn)失呈逐漸增大的(de)趨👉勢;相👣比于标準(zhǔn)孔闆🐅流量計，由于(yú)渦流的減少，多孔(kǒng)♍孔闆流💃🏻量計具有(yǒu)更小的永久壓力(lì)損💃🏻失，永久壓力損(sun)失較标🔞準孔闆節(jiē)流裝置降❄️低約1/3。
　　圖(tú)6所示爲不同流速(su)下，多孔孔闆和标(biao)準孔闆流量計的(de)流出🌈系數對比曲(qǔ)線。由圖6可知，多孔(kong)孔闆流量計的💁流(liú)出系數較标準孔(kǒng)🔞闆流出系數有明(míng)顯提高🌐，同時随着(zhe)流速的變化流出(chū)系數能夠保持良(liang)好的穩定性。

　　爲了(le)檢驗所設計的多(duō)孔孔闆差壓流量(liang)計的性能指🤩标，和(hé)标準孔闆節流裝(zhuāng)置進行了實流試(shì)驗，結合現場🙇‍♀️使用(yòng)反饋情況，其性能(néng)指标對比如表2所(suo)示。

4結論
　　以(yǐ)管徑80mm、節流比β=0.45的多(duo)孔孔闆爲對象，通(tōng)過對不同入口🔞流(liu)速下的多孔孔闆(pan)流量計進行分析(xī)，得出此種流量㊙️計(jì)節流件前後産生(shēng)的渦流大大降低(dī)，無需很長的直管(guǎn)段整🔱流，顯著提高(gāo)了測量精度;永久(jiu)壓力損失由于渦(wō)流的減少較标準(zhǔn)孔闆節流裝置降(jiàng)低了約1/3。試驗對比(bi)分析表明，多孔孔(kong)闆流量計比常規(guī)标準孔闆節流裝(zhuang)置具有明顯的優(you)勢，其适應❌性更好(hao)。

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