目前(qian),在各種(zhǒng)工業生(sheng)産中流(liú)量的測(cè)量非常(cháng)重要,因(yīn)此各種(zhǒng)✨各樣的(de) 流量計(jì) 層出不(bú)窮。壓差(chà)類的流(liú)量計由(you)于價格(gé)較低，使(shi)用的🌍經(jīng)驗❌豐富(fù),經過長(zhǎng)時間的(de)研究,精(jing)度越來(lai)越高，所(suǒ)以👉應用(yòng)非常廣(guang)泛”。其中(zhōng)雙向内(nei)外管壓(ya)差流量(liàng)計 具有(yǒu)對流體(ti)的擾動(dong)小和獲(huo)得壓差(cha)信号大(da)的優點(diǎn)田,但需(xū)👉要對雙(shuang)向内外(wai)管壓差(cha)流量計(ji)的結構(gòu)參數🔆進(jin)行🙇‍♀️進YI 步(bù)的優化(hua)。影😄響雙(shuang)向内外(wài)管壓差(cha)流量計(ji)性能的(de)參數有(you)很多，以(yǐ)往的研(yan)究大部(bu)分是對(duì)節流件(jiàn)的1個或(huò)2個結構(gou)參數進(jin)行同時(shi)優化,不(bú)夠全面(miàn)印,如果(guǒ)對3個及(ji)以上結(jié)構參數(shù)同時優(yōu)化，便需(xū)要進行(hang)大🏃‍♀️量的(de)仿真工(gong)作，爲提(ti)高效率(lǜ)，對仿真(zhēn)軟件進(jìn)行👄二次(ci)🔴開發。傳(chuán)統🔞的仿(páng)真✍️軟件(jian)FLUENT難以滿(mǎn)足需求(qiu)，而COMSOLMultiphys-ics仿真(zhen)軟件可(ke)以導出(chu)M文件,在(zài)MATLAB中🔴運行(háng)程序可(ke)以自動(dòng)☁️仿真并(bing)提取數(shu)據，二次(ci)開發難(nan)度低甲(jia)。如果COMSOL的(de)仿真效(xiao)果🈲達到(dào)要求,那(na)麽在雙(shuang)向内外(wài)管壓差(cha)流量計(ji)的仿真(zhēn)中,COMSOL仿🈲真(zhen)軟件便(bian)可取代(dai)FLUENT.
1流量計(ji)原理
　　雙(shuang)向内外(wài)管壓差(chà)流量計(jì)的基本(běn)結構如(ru)圖1所示(shi)。安裝💘節(jie)流件的(de)管道直(zhí)徑選爲(wèi)32mm。雙向内(nèi)外管壓(ya)差流量(liang)計節流(liú)件的長(zhang)度對流(liu)量計的(de)性能影(yǐng)響可忽(hu)略,爲了(le)方便測(cè)量,将🐅節(jiē)流件大(da)管長度(dù)定爲30mm,節(jiē)流件的(de)厚度定(ding)爲2mm。

　　根據(jù)連續方(fang)程和伯(bo)努利方(fang)程5的原(yuan)理可知(zhi)，流體在(zai)通過節(jiē)流件時(shi),在I-I平面(mian)，外流道(dao)流體體(tǐ)積壓縮(suō),流速增(zeng)大,流體(ti)壓力減(jiǎn)小,而内(nei)流道流(liú)體擴散(sàn),流速減(jiǎn)小，流體(tǐ)壓☂️力增(zeng)大;在II-II平(ping)面,内外(wài)流道比(bǐ)較平穩(wěn)，流速和(he)壓力都(dou)趨于穩(wěn)定:在亞(yà)一I平面(miàn),與I-I平面(miàn)情況相(xiang)反，外流(liú)道擴散(sàn),流速減(jiǎn)小，流體(ti)👈壓力增(zeng)大，而内(nèi)流道流(liu)體壓縮(suō),流速增(zēng)大，流體(ti)壓力減(jiǎn)小。如此(ci)--來,在II-II段(duàn)節流件(jiàn)内外就(jiu)會形成(cheng)最🔞大的(de)壓差:
△P=P内(nèi)一P外(1)
式(shi)中:△P爲内(nei)外壓差(cha);P内爲内(nei)測點的(de)水壓;P外(wai)爲外測(ce)點的水(shui)壓。
與傳(chuan)統壓差(chà)類流量(liang)計的測(ce)量公式(shì)類似,流(liú)量Q的計(ji)算公🌈式(shì)爲:

　　式中(zhong):C爲流出(chū)系數;A爲(wèi)流道截(jie)面積,m2;λ爲(wèi)等效直(zhí)徑比;ρ爲(wèi)流💰體密(mi)度,kg/m3。
　　影響(xiǎng)流量計(ji)測量JINGDU 的(de)主要因(yīn)素是水(shuǐ)頭損失(shi)。水頭損(sun)失👌包括(kuo)沿程水(shui)頭損失(shī)和局部(bù)水頭損(sǔn)失。局部(bu)水頭損(sǔn)失是指(zhǐ)因局部(bù)邊界急(ji)劇改變(biàn)導緻水(shuǐ)流結構(gòu)改變、流(liú)速分布(bu)改變并(bìng)産生旋(xuan)渦區而(er)引起的(de)水頭損(sun)失。沿程(cheng)水頭損(sǔn)失是指(zhi)在固體(ti)邊界平(píng)直的水(shui)道中♻️，單(dān)位質量(liàng)的液體(tǐ)自一斷(duàn)面流至(zhi)另一斷(duan)面所損(sǔn)失⚽的機(ji)械能，這(zhè)種水頭(tóu)損失是(shì)沿程都(dōu)有,并且(qiě)随☎️沿程(chéng)長度而(ér)增加。影(ying)響局部(bu)水頭損(sǔn)失的因(yin)素主要(yao)是節流(liu)件異徑(jing)比h、節流(liu)件☔的大(da)管半徑(jing)R,影響沿(yán)🌈程水頭(tóu)損失的(de)因素主(zhu)要是擴(kuò)散角θ。
2二(èr)次回歸(gui)正交試(shì)驗設計(jì).
　　回歸正(zheng)交試驗(yàn)是在因(yīn)素的合(hé)理變化(huà)範圍内(nèi)選取💯有(you)限個試(shì)驗點安(an)排模拟(nǐ)計算統(tǒng)計,根據(ju)有限個(gè)試驗點(diǎn)建立具(ju)有一定(dìng)可信度(dù)的回歸(guī)方程，當(dang)各個結(jie)構參數(shù)确定之(zhī)後，可利(li)用回歸(guī)❤️方程進(jìn)行估算(suan)見,。選擇(ze)優化的(de)✊主要參(can)數是異(yi)徑比k、擴(kuò)散角θ和(hé)節流件(jian)的大管(guǎn)半徑R.采(cǎi)用二次(cì)正交❌回(huí)歸組合(hé)設計的(de)試驗方(fāng)法，首先(xian)設定3個(gè)控制參(can)數的變(biàn)🍓化範圍(wéi):異徑比(bi)k爲0.5~0.9;擴♍散(san)角θ爲4°~10°;節(jie)流件的(de)🈲大管半(ban)徑R爲5~9mm。依(yī)據二次(ci)回歸正(zheng)交試驗(yan)的設計(jì)原則，可(kě)以得到(dao)各組試(shi)驗的結(jie)構參數(shù)見表1。

3COMSOL與(yu)FLUENT仿真對(dui)比
　　利用(yong)SolidWorks建立三(san)維模型(xing),導入仿(páng)真軟件(jian)進行網(wǎng)格劃分(fen)🏃🏻。按👅照⁉️網(wǎng)格劃分(fèn)的原則(ze),參數變(bian)量變化(huà)梯度大(dà)的區域(yù)需要采(cǎi)用較🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲(wèi)密集的(de)🏒網格劃(hua)分方法(fa)以提高(gao)精度,變(bian)化梯度(dù)小的區(qu)域采用(yòng)較爲稀(xī)疏的網(wang)格劃分(fèn)方法以(yi)節省計(jì)算資源(yuan)。節流件(jian)前後的(de)流場劃(hua)分的網(wang)格稀疏(shū),節流件(jiàn)周圍的(de)流場劃(huà)分的網(wang)格密集(jí)回🏒。FLUENT仿真(zhēn)軟件劃(hua)⭕分😍的網(wang)格爲非(fēi)結構四(sì)面體，将(jiāng)整個流(liu)場進行(hang)網格劃(huà)分後,網(wang)格數量(liàng)在30000左⁉️右(yòu),如圖2所(suo)示。COMSOL仿真(zhēn)軟件劃(hua)分的網(wang)格在靠(kao)近邊界(jie)的流場(chǎng)爲六面(mian)體,其他(tā)區域的(de)網格爲(wèi)非結構(gou)四🏒面體(ti),将整個(ge)流🐪場進(jin)✉️行網格(gé)劃分後(hou)，網格數(shu)量在100000左(zuo)右，如圖(tu)3所📞示。兩(liang)種軟件(jian)的網格(ge)劃分方(fang)法相比(bǐ)較,COMSOL對流(liú)場的網(wang)格劃分(fèn)更加正(zhèng)确。

　　雙向(xiàng)内外管(guan)壓差流(liu)量計的(de)節流件(jian)采用對(dui)稱結構(gou)✊,流場雖(suī)然被分(fèn)爲内外(wai)兩個部(bu)分，但在(zài)節流件(jian)中部有(you)一-段穩(wěn)定流态(tai)的直管(guan)段,當流(liú)體流過(guò)節流件(jian)後🌍，内外(wài)兩❓流道(dao)又合并(bing)爲一個(gè)流道,其(qi)中💚流體(ti)的流.速(su)和壓力(li)逐漸穩(wěn)定，在💜流(liú)場中并(bìng)沒有過(guo)大的壓(ya)力梯‼️度(du),所以湍(tuan)流模型(xing)選擇K-ε模(mó)型。标準(zhǔn)的K-ε模型(xíng)現已經(jīng)過❌許多(duō)改進,其(qi)中⁉️RNGk-ε模型(xing)來源于(yu)嚴🌏格的(de)統計技(jì)術,提高(gao)👣了精度(dù)和可信(xìn)度,在FLU-ENT仿(páng)真中可(kě)以選擇(ze)RNGK-ε模型[10),但(dàn)是在COMSOL仿(pang)真中隻(zhī)能籠統(tǒng)地⁉️選擇(ze)K-ε模型。
　　仿(páng)真介質(zhì)選擇液(yè)态水，溫(wēn)度20C,爲不(bu)可壓縮(suo)流體，出(chu)口條😄件(jian)爲outflow,試驗(yàn)❓均在入(rù)口流速(su)2m/s.的條件(jiàn)下進行(hang)仿真。在(zài)求解器(qì)的設置(zhi)方面,兩(liang)種軟件(jiàn)均選擇(ze)“叠代或(huo)容差🤞”的(de)終止條(tiáo)件。
　　由于(yú)FLUENT與COMSOL軟件(jian)中均可(kě)設置對(dui)稱面，因(yīn)此在構(gou)建三維(wéi)🏃模型時(shi)可以僅(jǐn)構建半(bàn)個流場(chang)區域,以(yǐ)方便觀(guan)察截面(mian).上的壓(yā)力分布(bù)。在仿真(zhēn)🌍的後處(chu)理中,壓(yā)力測量(liang)點需要(yào)設置在(zài)流🌐場穩(wen)定的區(qū)域🍉，故計(ji)算壓損(sun)的前後(hou)壓力測(ce)量點設(she)置在❤️節(jie)流件的(de)前後1個(ge)管徑距(ju)離的❄️位(wèi)置,計算(suàn)壓差信(xìn)号的兩(liang)個壓力(lì)測量點(diǎn)設置在(zai)節流件(jiàn)中心和(hé)外流道(dào)中心0。
4仿(pang)真結果(guǒ)和數據(jù)分析
　　對(duì)于雙向(xiang)内外管(guan)壓差流(liú)量計而(ér)言,内外(wai)壓差信(xin)号大的(de)條件下(xià),壓損越(yue)小越好(hao),故選取(qu)内外壓(yā)差信号(hao)與壓損(sun)的差值(zhi)，即壓損(sǔn)差🤞,作爲(wei)雙向内(nèi)外管壓(yā)差流🙇🏻量(liàng)計的🙇‍♀️評(píng)價指标(biāo)。按照前(qián)文設置(zhi)的結構(gou)參數建(jiàn)立15組三(san)維模型(xíng),分别利(lì)用FLUENT與COMSOL進(jin)行仿真(zhen),根據仿(pang)真結果(guo),記錄内(nei)外壓✔️差(chà)信号,将(jiāng)COMSOL和💁FLUENT仿真(zhen)數據的(de)差的絕(jué)對值與(yǔ)FLUENT數據的(de)比✊值♍定(dìng)義爲誤(wu)差比，内(nèi)外壓差(chà)信号數(shù)據對比(bi)見表💯2,用(yong)同樣的(de)方法☎️記(jì)錄兩種(zhǒng)軟件仿(pang)真結果(guǒ)的前後(hòu)壓損和(he)壓損差(cha),并計算(suan)出誤差(chà)比,數據(jù)對比見(jiàn)表3、表4。繪(hui)制的誤(wù)差比折(shé)線圖♍如(ru)圖4所示(shì)。




　　通過觀(guān)察表中(zhong)數據可(kě)得到規(gui)律:COMSOL仿真(zhen)數據與(yu)FLUENT仿真數(shu)據的誤(wù)差随着(zhe)FLUENT仿真數(shù)據的增(zēng)大而增(zēng)大。同時(shí)對比折(shé)🏃線圖可(ke)發現各(gè)🥰組數據(ju)的誤差(cha)比均維(wei)持在較(jiào)低且穩(wen)定的水(shuǐ)平。這樣(yàng)的誤差(chà)比對于(yu)後續拟(ni)合二次(cì)回歸方(fang)程以及(ji)計算方(fang)程的最(zuì)優解影(ying)響很小(xiao)。
　　分别導(dao)出一組(zu)試驗的(de)仿真壓(yā)力雲圖(tu)進行對(dui)比，如圖(tu)5、圖✔️6所㊙️示(shì)。由圖可(kě)知，壓力(li)分布基(jī)本相同(tong)，COMSOL的壓力(li)雲🐪圖更(gèng)加立體(tǐ)直觀，視(shi)覺效果(guo)比FLUENT更好(hǎo)。


5結束語(yǔ)
　　以雙向(xiàng)内外管(guan)壓差流(liu)量計節(jie)流件的(de)異徑.比(bǐ)h:擴散角(jiao)θ和節流(liú)件的大(da)管半徑(jing)R3個結構(gou)參.數爲(wei)優化目(mù)标，設計(ji)了二次(cì)回歸正(zhèng)交試💁驗(yan)，分别用(yòng)FLUENT和COMSOL進行(háng)仿真、記(jì)錄數據(ju)。通過COMSOL仿(páng)真所得(dé)的數據(jù)與通過(guo)FLUENT仿真所(suǒ)得的數(shu)據相比(bi),雖然有(you)浮✉️動,但(dàn)是誤🤟差(chà)比卻維(wéi)持在一(yi)個😄較低(dī)且穩定(dìng)的水平(píng),因此，使(shi)用COMSOL代替(ti)FLUENT進☁️行雙(shuang)向内外(wai)💔管壓差(cha)流量♻️計(jì)的仿真(zhen)。COMSOL的仿真(zhen)過程可(kě)保存爲(wei)M文件,方(fāng)便利用(yong)💃🏻MATLAB對COMSOL進行(háng)二次開(kāi)㊙️發，對雙(shuāng)向内外(wai)管壓差(cha)流⭐量計(ji)更多結(jie)構參數(shù)⭕進一步(bù)優化。

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