摘要(yào):多孔孔闆(pǎn)流量計 是(shi)一種比傳(chuán)統的差壓(ya)測量裝置(zhì)更優良的(de)新型差壓(ya)🔞式流量測(cè)量裝置,但(dan)其函數孔(kong)的确定目(mù)前沒有統(tong)一的标準(zhǔn)。針對該問(wèn)題,采用CFD仿(páng)真軟件,在(zai)相同等效(xiào)直徑比的(de)情況下,針(zhēn)對多孔孔(kong)闆的🚶函數(shù)孔結構,研(yan)究了開♊孔(kong)數目、孔♉分(fen)布以及倒(dǎo)角等因素(sù)對于減少(shao)壓力損失(shi)所起到的(de)影響和作(zuò)用。根據仿(pang)真研究✏️結(jié)果,制作了(le)一種多孔(kǒng)孔闆流量(liang)計進行流(liu)體✂️試驗，試(shì)驗結果表(biao)明該方法(fa)的正确率(lü)。.
0引言
　　孔闆(pǎn)流量計 因(yin)其結構簡(jiǎn)單、耐用而(ér)成爲目前(qian)國際上标(biāo)準化程度(du)❌高、應用🚩最(zuì)爲廣泛的(de)一種流量(liang)計,但也存(cun)在着流出(chu)系✔️數不.穩(wen)定、線性差(chà)、重複性不(bú)高、永久壓(ya)力損失💃大(dà)等缺點“。美(měi)國馬歇爾(ěr)🏃‍♂️航空飛行(hang)中心☁️設計(jì)發明的💯一(yī)-種新型差(cha)壓式流💯量(liàng)測量裝置(zhì)，即多孔孔(kǒng)闆流量計(jì)(又稱爲平(ping)衡流量計(jì))田。多孔孔(kǒng)闆流量計(ji)對傳統節(jie)流裝置有(yǒu)着極大的(de)突破,與傳(chuan)統差壓式(shì)流.量計🌂相(xiàng)比較,具有(yǒu)永久壓力(lì)損💔失小、精(jing)密度高、量(liàng)程比大、直(zhí)管段短等(deng)優點。
　　多孔(kǒng)孔闆流量(liàng)計測量原(yuán)理圖如圖(tu)1所示。雖然(rán)多孔孔🐇闆(pan)🙇‍♀️的結構與(yu)标準孔闆(pan)不同,其測(cè)量原理還(hai)是節🍓流測(ce)量,因此在(zài)流量計算(suan)時仍可采(cai)用标準孔(kong)闆的經典(diǎn)計算公式(shi)國:
 
　　式中:Q爲(wei)管道中流(liú)體的流量(liang);K爲無量綱(gāng)系數;△p爲孔(kǒng)闆📱節流前(qián)後的壓力(lì)差;ρ爲流體(tǐ)密度。
 
　　多(duo)孔孔闆流(liu)量計每個(ge)孔的尺寸(cun)和分布基(ji)于獨特🐅的(de)公式和國(guó)測試數據(ju)定制，稱爲(wei)函數孔。至(zhi)于函數孔(kǒng)是🏃🏻如何定(ding)制,與哪❤️些(xiē)因素有關(guān),主要由什(shi)麽參數💔來(lai)決定的，目(mù)前還沒有(you)相關的文(wén)獻可以查(chá)閱。對于🌏如(ru)何定制函(hán)數孔，缺💜少(shǎo)一個統🎯--的(de)标準。以因(yīn)節流而産(chǎn)生的壓力(lì)損失作爲(wèi)對💘比參照(zhào)，通過仿真(zhēn)對函數孔(kong)結構的研(yan)究，主要包(bao)括多孔孔(kong)闆開孔數(shu)量、孔的分(fen)布以及倒(dǎo)角等因素(su)對減小壓(ya)力✔️損失所(suo)起到的影(ying)響和作用(yòng),對于函數(shu)孔的制定(ding)有一定🌂的(de)指導意義(yi);爲函數孔(kong)制定标準(zhǔn)化奠定❄️基(jī)礎,将有助(zhu)于推動多(duō)孔孔闆的(de)孔函數的(de)研究與應(yīng)用進展。
1函(hán)數孔結構(gou)的研究
　　以(yi)内徑D爲50mm、等(deng)效直徑比(bi)β=0.35的孔闆中(zhōng),流動介質(zhì)純水爲研(yan)究對象,參(cān)考标準孔(kong)闆在實際(jì)工業應用(yòng)和本次仿(pang)真模拟，爲(wei)保證流體(ti)能🐪夠以充(chong)分發展、理(li)想的湍☎️流(liú)狀态進入(ru)流✌️量計,設(she)計有長度(du)分别爲10D、14D的(de)上下遊直(zhí)管段5。在此(ci)基礎上做(zuo)了3組不同(tóng)的仿真📞模(mo)拟,并且👈選(xuǎn)定其中一(yī)個模拟結(jie)果的設計(ji)方案進行(hang)實流實✌️驗(yan),通過對比(bi)實🤩流實驗(yan)結果與模(mo)拟仿真結(jie)果🌐從而驗(yan)證仿真💯結(jie)果的正确(què)率。
1.1對開孔(kong)數量的研(yan)究
　　在此先(xian)研究孔的(de)結構爲無(wú)倒角的情(qíng)況,對數量(liang)研究的時(shí)候要求其(qi)他參數均(jun1)是相同的(de)，包括有孔(kǒng)分布以及(jí)孔的結構(gòu)。設⭕計時📧在(zài)-一個多孔(kǒng)孔闆.上每(mei)個🥵小孔的(de)直徑是一(yi)樣的㊙️，由等(děng)效直徑比(bǐ)的定義可(ke)知開孔直(zhí)徑爲
 
數;An爲(wèi)每個小孔(kong)的面積;A2爲(wei)是管道的(de)截面積。
　　設(she)計原則爲(wèi):把孔隻分(fen)布在以孔(kǒng)闆的中心(xin)爲圓心的(de)一個圓🔴周(zhōu)上(孔在這(zhè)個圓周，上(shàng)分布的時(shí)候不能🧡夠(gou)出🐇現相交(jiāo)的情況,初(chu)步選定圓(yuán)周的半徑(jing)爲12mm)。受條🔱件(jiàn)的限🌈制,本(ben)次研究對(duì)象的開孔(kǒng)數最小爲(wei)1個,最大爲(wei)16個。無倒角(jiao)說明節流(liú)孔的厚度(du)與孔闆的(de)厚度相⚽同(tóng),其示意圖(tú)如圖2所示(shì)。
 
1.2對節流孔(kǒng)分布的研(yan)究
　　将節流(liú)孔(無倒角(jiao))均勻分布(bù)在兩個同(tong)心圓或者(zhe)兩📱個同心(xīn)圓🌏以及孔(kǒng)闆的中心(xin)上。調整同(tóng)心圓的大(dà)小,即改變(biàn)的👣同心圓(yuán)大小d1;d2示✉️意(yi)圖如圖3所(suǒ)示。
 
1.3對倒角的(de)研究
　　參考(kao)流量測量(liang)節流裝置(zhì)設計手冊(ce)回可知标(biāo)準孔🧑🏾‍🤝‍🧑🏼闆傾(qing)斜🌂角💛是在(zai)下遊端面(miàn),其大小可(ke)以爲45°±15°，文中(zhong)将分2種情(qíng)況研🔞.究:下(xià)遊端🛀🏻面有(yǒu)45°倒角;上下(xià)遊端面均(jun1)有45°倒角。
2模(mo)拟仿真
　　模(mo)拟仿真是(shi)通過CFD軟件(jiàn)包fluent來完成(chéng)的。
2.1建模與(yu)劃分網格(gé)
　　建模與劃(hua)分網格都(dou)是在CFD前置(zhi)處理器gambit中(zhong)完成的。圖(tu)4爲上遊直(zhi)管段10D,下遊(you)直管段14D的(de)多孔孔闆(pan)流量計的(de)仿真模型(xing)。
 
　　文中直接(jie)選用體網(wǎng)格來劃分(fen)網格。選用(yong)體網格的(de)🐇Element爲Tet/Hybrid即⭕四面(miàn)🈲體/混合，同(tong)時選定TGrid作(zuò)爲Element的Type。爲了(le)提高計算(suàn)精度✂️，需對(duì)網格做局(jú)部加✨密,考(kao)慮到在節(jie)流前後壓(ya)力會急✍️劇(jù)變化,因此(cǐ)對節流前(qián)後的直管(guǎn)段以及多(duō)❤️孔孔闆做(zuo)局部加密(mi)處理。該文(wén)在對多孔(kǒng)孔闆劃分(fen)網格時候(hòu)選用的節(jiē)點間🐪距爲(wei)0.5,在多孔😘孔(kǒng)闆前後4D的(de)直管段劃(huà)分網格時(shí)候選用節(jiē)點間距爲(wèi)3,其餘㊙️部分(fen)的節點間(jiān)😍距爲6。網格(gé)單元的數(shu)量爲♉398642萬。網(wǎng)格劃分結(jié)🌈果如圖5所(suǒ)示。
 
2.2模(mó)型的求解(jiě)
　　在本文中(zhōng)選用壓力(li)基求解器(qi)就能滿足(zu)要求們。
　　本(běn)文中入口(kou)的雷諾數(shu)較大,流動(dong)爲湍流,需(xu)要設置湍(tuan)流✂️模型，采(cai)用Realizablekε模型。
　　邊(bian)界條件的(de)設定:入口(kou)邊界類型(xíng)設定爲速(sù)度入口,即(ji)veloc-ity-inlet入口🍉的湍(tuān)👣流參數指(zhǐ)定方式選(xuǎn)用kandepsilon,出口邊(biān)界類型:設(shè)定爲自由(yóu)出流outflow,孔🤞闆(pan)處爲默認(ren)内部邊界(jie)條件inte-rior,其餘(yu)爲均爲無(wu)滑移外部(bu)壁面,熱傳(chuán)輸模型爲(wèi)絕熱。
2.3仿真(zhen)結果
　　本文(wen)主要是研(yan)究因節流(liú)而産生的(de)壓力損失(shi)(即節🔞流前(qian)後的靜壓(yā)差),爲此以(yǐ)節流前後(hòu)的壓差作(zuò)對比研究(jiu)。
2.3.1對多孔孔(kong)闆開孔數(shù)量的研究(jiū)
　　給定的速(su)度入口的(de)初始速度(du)爲1m/s。對一段(duàn)長爲1.2m(等于(yú)前㊙️後💚直🤩管(guǎn)段長度24D)的(de)直管道進(jin)行模拟仿(páng)真,參數設(she)置以及湍(tuan)流模型的(de)選擇與上(shàng)述模拟相(xiàng)同，結果可(ke)得直管段(duan)的沿程壓(yā)力損失爲(wèi)314Pa。由，上述仿(pang)真計算結(jie)果的進出(chū)口壓力差(cha)減去直管(guǎn)道的沿程(chéng)㊙️壓力損失(shi)，即可得到(dao)節流前後(hou)的差壓。開(kai)孔數量和(hé)差壓的關(guān)系如圖6所(suǒ)示，開孔數(shu)量和差壓(ya)💯信号的關(guan)系如表1所(suo)示。
 
　　由圖6可(kě)知,随着開(kai)孔數量的(de)增加,在開(kai)始階段壓(yā)損能夠明(ming)顯減少，當(dang)開孔數達(dá)到12時壓損(sun)達到最小(xiǎo)值，随後壓(ya)損又增大(dà)。
 
　　由表1可以(yi)看出，等效(xiao)直徑比爲(wèi)0.35的多孔孔(kǒng)闆最佳的(de)⛹🏻‍♀️.開孔數是(shi)12,與開孔數(shu)爲1的孔闆(pan)相比較減(jiǎn)小約29.4%的壓(yā)力損失。
2.3.2對(dui)節流孔分(fèn)布的研究(jiu)
　　由方案設(she)計可知,本(běn)階段研究(jiū)主要有2種(zhong)情況:
(1)同心(xin)圓沒有中(zhong)心孔，以開(kai)孔數12爲研(yan)究對象;
(2)同(tong)心圓有中(zhong)心孔，以開(kai)孔數13爲研(yán)究對象。
孔(kǒng)的分布與(yǔ)差壓信号(hào)關系如表(biǎo)2所示。
 
　　從表(biǎo)2可以看出(chū),對于相同(tóng)的開孔數(shu),在山不變(bian)的情🤩況👈下(xià)，随着d1的增(zēng)大,壓差減(jian)小。對比開(kāi)孔數爲12,有(yǒu)中心孔，開(kai)孔數爲13的(de)🔴差壓☂️信号(hào)隻大0.5%。
2.3.3對倒(dao)角的研究(jiu)
　　在試驗測(ce)量的時候(hòu)，希望在減(jiǎn)小壓損的(de)同時又能(néng)♊夠得到較(jiào)大的測量(liang)信号,因此(cǐ)選取開孔(kong)數爲13,有中(zhōng)心孔的多(duō)📱孔孔闆做(zuo)進一步的(de)研究。由以(yi)上方案的(de)設計可知(zhi),倒角👨‍❤️‍👨的研(yán)究💁有2種情(qíng)況:
(1)隻有1個(gè)倒角,在節(jiē)流闆的下(xia)遊端面;
(2)2個(gè)倒角,在節(jie)流闆的上(shàng)下遊端面(miàn)均有倒角(jiao)。
　　以流量測(cè)量節流設(she)計手冊作(zuò)爲參考,設(she)計節流孔(kong)的厚度爲(wei)0.02D,倒角爲45°。由(you)此可得如(rú)表3所示的(de)模拟結果(guǒ)。
 
　　由表3可以(yi)看出倒角(jiao)的存在對(dui)于減小壓(yā)力損失有(yǒu)🐆着🍉巨大🈲的(de)影響,對比(bi)開孔數爲(wèi)13、上下遊都(dōu)有倒角的(de)與上下遊(you)都無倒角(jiǎo),壓力損失(shi)降低42.3%。綜合(hé).上述3種情(qing)況,在直徑(jìng)比都🔞是0.35,開(kāi)孔數爲13,上(shàng)🏒下遊均有(yǒu)45°倒角的多(duo)孔孔闆與(yǔ)🔴标準孔闆(pǎn)相比，壓力(li)損失減小(xiao)59.8%。
3試驗測量(liang)
　　試驗是在(zài)現有的液(yè)體流量标(biāo)準裝置(裝(zhuang)置主要由(yóu)穩壓🧑🏽‍🤝‍🧑🏻罐♍、法(fa)蘭、直管段(duan)、标定容器(qi)構成。其中(zhōng)穩壓罐能(neng)夠讓❤️流體(tǐ)🛀🏻以恒定的(de)♊速度🏃‍♂️進入(ru)直管段;法(fa)蘭用于孔(kǒng)闆的安裝(zhuāng);标定容器(qi)用于測量(liàng)流體的流(liú)量。).上使用(yòng)自己設計(jì)的多孔孔(kǒng)闆完成的(de)。所選用的(de)❌孔闆即前(qian)文仿真部(bu)分開孔數(shù)爲13,d;=8、d2=13,上下遊(yóu)端面均有(you)倒角的多(duō)孔孔闆。多(duō)孔孔🏒闆如(ru)圖7所示。
 
3.1試(shì)驗方法
　　取(qǔ)5個不同大(dà)小的流量(liang)按流速從(cong)小到大，再(zai)從大到👅小(xiao),反複測量(liang)差壓值,測(ce)量次數爲(wèi)3,測量結果(guǒ)取平均值(zhí)對試驗測(ce):量時得到(dao)的🏃🏻‍♂️流速進(jìn)行模拟仿(páng)真,并與🐆試(shì)驗結果相(xiàng)比較。由此(ci)可得到如(ru)圖8流量與(yu)差壓關系(xì)圖。
 
　　由圖8看(kan)出試驗結(jie)果與仿真(zhen)結果的誤(wù)差較小(誤(wu)差✔️能夠控(kong)制在7%左右(you)),說明本次(ci)模拟仿真(zhēn)所選用的(de)計🌈算模🈲型(xíng)、方㊙️法是🏃‍♂️可(ke)信賴的。
4結(jié)論
　　以内徑(jing)是50mnm,等效直(zhí)徑比0.35的多(duo)孔孔闆作(zuo)爲研究對(duì)象,用仿真(zhen)軟件Fluent6.3模拟(ni)研究多孔(kong)孔闆函數(shù)孔結構,主(zhǔ)要是開孔(kong)數量、孔的(de)分布以及(ji)倒角對于(yú)減小壓力(lì)損☎️失所起(qi)到的作用(yong)，并對仿真(zhēn)結🧑🏾‍🤝‍🧑🏼果進行(háng)💃實流試驗(yàn)驗證,得到(dao):.
(1)在相同等(děng)效直徑比(bǐ)的情況下(xia),增加開孔(kong)數以及倒(dao)角的存在(zai)能有效減(jian)小壓力損(sǔn)失;在孔的(de)數量和結(jié)♍構都确定(ding)的前提下(xia)均勻而有(you)序地分布(bù)孔對測量(liang)的影響可(ke)忽略;
(2)試驗(yàn)結果與仿(páng)真模拟結(jie)果基本吻(wen)合,說明隻(zhi)要使用正(zhèng)确的計㊙️算(suan)模型、精密(mì)的網格劃(hua)分以及準(zhǔn)确的計算(suàn)方法，在沒(méi)有試驗的(de)⭕條件下也(ye)可以使模(mo)拟仿🚩真對(duì)多孔孔闆(pan)☂️進行研究(jiu)。

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