摘要:多(duō)孔孔闆差壓式流(liu)量計 因其快速平(ping)衡調整流場和有(you)效降低壓力損失(shī)等能力🌍得到🌍廣泛(fan)應用,但其尚缺乏(fá)完整的結構參數(shu)設計⭐和性能優化(hua)設計準則。針對提(ti)出的對稱多孔孔(kong)闆差壓式流量計(ji)進🔞行實流試驗,研(yan)究其計量性能并(bìng)與數值模拟結果(guǒ)進行對比分析,結(jié)🤞果表明,對稱多孔(kong)孔闆差壓式流量(liang)計可有效提高計(jì)量精度(+0.5%)、降低壓力(lì)損👣失🥵,具有更好的(de)适應性,試驗結果(guǒ)與數值模拟結果(guǒ)具有❄️一緻性🤞,驗證(zheng)了數值模拟的正(zheng)确性✌️并對新型流(liu)量計進行了标定(ding)，研究結果可有效(xiao)拓寬 多孔孔闆流(liú)量計 的應用範圍(wei)。
0引言
　　流量計量是(shì)工業生産的眼睛(jīng),廣泛應用于科學(xué)研✏️究、工🌈農業生産(chǎn)、國防建設以及人(rén)民生活等領域，諸(zhū)多流量計🐉中,傳統(tǒng)差壓式流量計因(yīn)其結構簡單、成本(ben)低、實驗數據豐富(fù)、标準化程🍉度高等(deng)優點,應用最爲廣(guang)泛。但在實際應用(yòng)中很多工況條件(jian)無法滿足👉測量要(yào)求(如低于标準中(zhong)📞推薦的雷諾數範(fàn)圍、測量介質中混(hùn)有泥沙等),進而限(xian)制了其應用範圍(wéi)。
　　在這些情況下,非(fei)标準 差壓式流量(liàng)計 得到快速發展(zhan)和進一步的應用(yòng)，目前最具代表性(xing)的非标準差壓式(shì)流量計主要有錐(zhui)形流量計和多孔(kǒng)孔❌闆流量計多孔(kong)孔闆💰流量計不但(dàn)繼承了标準孔闆(pǎn)流量計的優點，而(er)且能夠快速平🏃‍♀️衡(héng)調整流場，明顯減(jiǎn)少渦流、降低死區(qū)效應、減少流體動(dong)能損失🚩,在國際上(shang)引起廣泛關注，自(zì)2006年被引進🔴我國市(shi)場以🍓來,得到廣泛(fan)應用。但因涉及商(shāng)業機密,多孔孔闆(pǎn)流量計的結構參(cān)數與流出💛系數等(děng)計算公式未曾公(gōng)開。爲了掌握該流(liu)量計的核心技術(shu),國内❄️科研技術🐅人(rén)員對其進行了大(dà)量研究，主要集中(zhōng)于孔闆結構參數(shu)優化及計量性能(neng)等方面.[448。目前,實際(ji)‼️應用中要根據不(bú)同測量條件來設(she)計🌏流量計，缺乏完(wan)整的結構參數設(she)計和性能優化設(shè)計準則指導。
　　對多(duo)孔孔闆流量計進(jin)行了大量的研究(jiu)工作,結合多孔整(zheng)流器和标準孔闆(pǎn)聯合使用的測量(liang)原理,提出了一種(zhǒng)對稱多孔孔闆㊙️差(chà)壓式流量計的設(she)計方法(即在中心(xīn)節⭐流孔周圍均勻(yun)🈲環形分布若幹孔(kǒng)),采用CFD數值模拟預(yu)測了其内部流場(chang),并研究了孔數量(liàng)對多孔孔闆流量(liàng)計流場特性的影(yǐng)響規律[920但數值模(mo)拟隻能爲🚩研究提(tí)供方向性的指導(dao)，并不能很好的指(zhi)導實際生産🔞。本文(wén)基于數值模拟結(jie)果搭建對稱多孔(kong)孔闆差壓式流量(liàng)計實流标校試驗(yàn)平台,對其計量性(xing)能進行試驗研究(jiū)，檢驗了CFD設計成果(guo)的有效性,并對新(xin)型流量計進行了(le)标定。
1多孔孔闆流(liu)量計
　　課題組提出(chu)并設計的多孔孔(kong)闆流量計結合了(le)多孔整流器和标(biao)準孔闆的測量原(yuán)理,基本結構爲在(zài)節流闆中心一個(gè)圓孔的基礎上,對(duì)稱分布數量不等(děng)的圓♈孔,如圖1所示(shì),均勻分布💜的圓孔(kǒng)的總面積和标準(zhun)孔闆的開孔面積(jī)相等。流量計整體(tǐ)結構如圖㊙️2所示。

　　多孔孔(kǒng)闆流量計的測量(liàng)原理是以能量守(shou)恒定律和質量守(shǒu)恒定律爲基礎的(de),即在流量檢測時(shí),所測🌈介質流過✔️圓(yuan)孔的同時進行流(liu)體整流，減小節流(liu)裝㊙️置後形成的渦(wo)流,形成較穩定的(de)紊流(近似理想流(liú)體),從而獲得穩定(ding)的差壓信号⁉️,根據(ju)伯努利方程計🥰算(suàn)出流體的流量:

式(shì)中:Q爲介質流量;K爲(wei)儀表系數;Y爲膨脹(zhàng)系數;△p爲差壓值(Pa);ρ爲(wei)介質工況密度。
2數(shu)值模拟
　　針對設計(jì)的對稱多孔孔闆(pan)差壓式流量計,分(fen)别對開孔數量爲(wei)1.4、5.7(孔的分布位置如(rú)圖3所示,參數如表(biao)1所示)的流量計采(cǎi)用CFD數值模拟技術(shù)分析了其内部流(liú)場情況,如圖4所⛷️示(shi)，研究了孔數量對(dui)多孔孔闆流量計(ji)流場特性的影響(xiǎng)規律,得出對稱多(duo)孔孔闆差壓式流(liú)量計具有可降低(di)節流件前後渦流(liu)、快速平衡内部流(liú)場(前後直管段要(yào)求:前1D~3D,後0.5D~1D,其中D爲通(tōng)流直徑)、提高測量(liàng)精度、降低壓力損(sun)失、适應性更好的(de)優點📞，随着孔數量(liang)的增加壓力損失(shī)逐漸降低、流出系(xì)數提高的結論。
3試(shi)驗标校平台的組(zǔ)成
　　爲了驗證數值(zhi)模拟的正确性,搭(da)建對稱多孔孔闆(pan)差壓式流量計試(shì)驗标校平台,由對(dui)稱多孔孔闆差壓(yā)式流量計、截止閥(fá)、 差壓變送器 、流量(liàng)調節閥、 電磁流量(liàng)計 、水泵和水槽及(jí)管路系統組成,如(ru)圖5所示,其中對稱(cheng)🌈多孔孔闆差壓式(shì)流量計和電磁流(liú)量計與試驗管道(dao)均通過法蘭連接(jiē)。試驗過程中,流量(liang)計工裝示意圖如(rú)圖6所示。
　　工作原理(li)如下:通過試驗管(guǎn)路變頻調速水泵(bèng)及上遊🏃🏻側流量調(diao)節閥開度的适當(dang)調節,獲得流速0~7m/s連(lián)續可調的流體介(jie)質,并🎯采用高精度(dù)電磁流量計(作爲(wei)🈲标準器具,精度+0.2%R)測(cè)量實👅際流量(流速(su)),利用高準.确度差(cha)壓變送❤️器(EJA110E系列、量(liang)程0~100kPa、精度+0.065%FS)測量壓差(chà)值💋及壓力損🈲失值(zhi)。
　　爲了與數值模拟(ni)結果進行比較,相(xiàng)應設置保持一緻(zhi)✉️性:介質🥵采用水(環(huan)境溫度5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大氣(qì)壓力86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管💰路規(gui)格DN80(節流元件上下(xià)側🔴直管段長度約(yuē)爲5m,充分保證了多(duō)🔴孔平衡✌️流量計測(ce)量中對前後直管(guan)段研究的要求),取(qǔ)壓方式爲法蘭取(qu)壓📱(上下遊取壓孔(kǒng)軸線距離多孔流(liú)量計節流件上下(xia)遊端面均爲25.4+0.5mm)。其他(tā)參數爲介質水🤟密(mi)度ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mPa.s、流東(dōng)膨脹系數e=1。實流試(shi)驗現場如圖7所示(shi)👄，試驗用對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liàng)⛱️計如圖8所示。

4試驗(yan)結果分析
　　按要求(qiu)搭建試驗标校平(píng)台,進行實流試驗(yan),獲得流㊙️量🧡計試驗(yàn)❌的差壓與壓力損(sǔn)失值,如表2所示，并(bìng)與數值模拟結果(guo)進行對比,爲了更(geng)爲直觀和分析的(de)方便,将不同開口(kǒu)數量流量計的壓(ya)力損失值繪制成(cheng)曲線,如圖9所示。

　　由(you)圖9可以看出，對稱(cheng)多孔孔闆差壓式(shi)流量計的壓力損(sǔn)失☔比标🆚準孔闆流(liú)量計的要小一些(xiē)，并且随着孔數♍的(de)增加壓力損失呈(cheng)現逐漸減小的趨(qu)勢。
　　流出系數是評(píng)價節流式儀表性(xìng)能的最重要參數(shu)之

　　爲實際流量與(yu)理論流量的比值(zhi),是統計量,受設計(ji)、制🔞造🐉、安裝及使用(yong)條件的影響。根據(jù)不可壓縮流體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的(de)連續性方程和伯(bo)努利方程,定常流(liú)體的體積流量爲(wèi):


注:每點标準表數(shu)值Q、差壓值△P、壓損值(zhi)δ記錄3次,爲了節省(shěng)篇幅,取其平均值(zhi)進行表格相應欄(lán)的填寫
　　式中:C爲流(liu)出系數,無量綱;β爲(wèi)等效直徑比，無量(liàng)綱(β2=A0/A,其中⛷️A0爲孔闆節(jie)流孔開孔面積,A爲(wèi)管道截面面積);d爲(wèi)孔闆節流孔等效(xiào)㊙️直徑;△p爲壓差;q,爲體(ti)積流量;ρ爲流體介(jie)質密度。
依據式(2)，确(que)定流出系數C的數(shù)值:

　　結合實驗數據(ju)和式(3)得不同開口(kǒu)數量流量計的流(liu)出🤟系數,如表3所示(shì),爲了與數值模拟(ni)結果進行直觀對(dui)比，将不同開口數(shu)量流量計的流出(chu)系數繪制成曲線(xian),如圖10所示。
　　由圖10可(ke)以看出,對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liàng)計的流出系數比(bi)👌标🚶‍♀️準孔闆流量計(ji)的要大一些(對于(yú)标準孔闆,其試驗(yàn)範圍内流出系數(shu)平均值爲0.6140,對于多(duo)孔孔闆流量計其(qí)試驗範圍内流出(chu)系數平均值爲4孔(kong)✊孔闆0.6221、

5孔孔闆0.6268.7孔孔(kǒng)闆0.6346),随着孔數增加(jiā)流出系數呈現逐(zhú)漸☀️增大的趨💞勢。
　　結(jie)合圖9和10,試驗結果(guǒ)和數值模拟計算(suàn)的結果相比,壓力(li)損💃🏻失與流出系數(shu)的變化趨勢完全(quán)一緻,但在數值🙇‍♀️上(shàng)存☂️在一定偏差,誤(wu)差在8%。
流出系數的(de)系統誤差e爲:

　　式中(zhong):C0爲理論流出系數(shu)，計算方法依據國(guó)際标準IS05167--2003的規定;Ci爲(wèi)🐪實際流出系數的(de)平均值。
　　若忽略管(guǎn)道制造和安裝誤(wu)差以及溫度、流體(ti)密度⭕的影響,依據(ju)式(3)可以得到:

　　對于(yú)電磁流量計(标準(zhun)表)精度爲0.2級,EJA110E高精(jing)度壓差傳感💚器(變(biàn)送器)的精度爲+0.065%,經(jing)計算,流出系數的(de)不确定度爲4孔+0.467%、5孔(kǒng)士.0.439%.7孔+0.446%,即流🛀出系數(shu)的誤差均不超過(guò)士0.5%,由此并基于流(liú)出系數定義可見(jian)流量計的計量精(jīng)度爲0.5%。
5結論
　　本文對(dui)多孔孔闆差壓式(shi)流量計進行了實(shi)流試驗,分析了✔️标(biao)準孔闆與對稱多(duo)孔孔闆流量計的(de)計量性能并與數(shu)值模拟結果進行(háng)對比,結論如下。
1)實(shi)流試驗結果與CFD數(shu)值模拟結果在趨(qū)勢上體現出完全(quan)⁉️的一⛹🏻‍♀️緻性,但在數(shu)值上存在一定的(de)偏差,因此CFD計算結(jié)果并不⭕能完全代(dài)替試驗研究的成(chéng)果。但是這種偏差(cha)并不是很大，作爲(wèi)工♌程上的估算其(qí)精度能夠滿足要(yao)求。
2)通過對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liang)計的實流标定,結(jié)果顯示流🔴出系數(shù)C相對于标準孔闆(pan)流量計有較大的(de)提高,量程範圍大(da)大拓💚寬,是一種可(kě)以應用于實🐆際測(cè)量😄的新型流量計(jì)🚶産品。具體性能指(zhǐ)标如下:精度+0.5%;前後(hòu)直管段要求爲前(qian)1D~3D,後0.5D~1D。
3)對稱多孔孔闆(pǎn)差壓式流量計具(jù)有壓力損失小、流(liú)出系數高🏃🏻、适應性(xìng)好等特點，完全可(kě)以直接應用于🈚工(gōng)程中目前該流量(liàng)計已經在市場得(de)到應用,一定程度(dù)上拓寬了其應用(yong)範圍

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