摘要:爲(wèi)了研究孔闆(pan)流量計 在動(dòng)态非穩定流(liu)态或振蕩流(liú)态下的瞬時(shi)壓力-流🍓量特(tè)性🈲，理論📞分析(xī)了孔闆前後(hou)的旋渦城大(dà)小随流速變(bian)化是引起孔(kong)闆🤞進出口瞬(shun)時流量差的(de)主要原因.借(jiè)助CFD數值解析(xi)方法,建立孔(kong)闆模型,并在(zài)模型入口加(jiā)載某一頻率(lü)下的正弦流(liu)速，對孔闆流(liú)量計在振蕩(dàng)流态下的瞬(shùn)時壓力-流量(liàng)特性進行分(fen)析.結果表明(ming):當孔闆流量(liàng)計處于低頻(pín)振蕩流動狀(zhuang)态⭐時,孔闆兩(liǎng)端差壓也處(chù)于周期✌️振蕩(dang)狀态,差壓與(yǔ)節流孔瞬時(shí)流量同頻不(bu)同相，差壓幅(fú)值随入🈲口流(liu)速振幅增大(dà)而線性增大(dà)，且線性增長(zhǎng)系數與振蕩(dàng)頻率相關;孔(kǒng)闆的入口與(yu)出口存在周(zhou)期波動的瞬(shùn)時流量差,振(zhèn)蕩頻率越大(dà)或入口💋流速(sù)峰值越小,瞬(shùn)時流量👈差的(de)波動越小，由(yóu)于相位滞後(hòu)和瞬時流量(liàng)差的存在，使(shǐ)孔闆💃流量計(jì)的測量流量(liang)與實際出🚶‍♀️口(kou)流量之間存(cún)在偏差.振蕩(dang)頻率越大，偏(piān)差也☎️越大.
　　孔(kǒng)闆流量計因(yin)其結構簡單(dān)、耐用而成爲(wei)目前國際上(shang)标準化程度(du)最高、應用最(zuì)爲廣泛的一(yi)種流量計,因(yin)此研究節流(liú)孔的流量特(te)性,對提高孔(kong)闆流量計💃🏻測(cè)量不确定度(dù)😄的認識具有(yǒu)很☁️重要的意(yì)義.孔闆流量(liàng)計通過🔴測量(liàng)壓差進而獲(huò)得流量.當液(ye)流經過節流(liu)孔,流束縮小(xiǎo),流速變大并(bìng)伴随着較大(da)的壓力降.流(liú)束的最小橫(héng)斷面出現在(zai)實際縮口的(de)下遊,稱爲縮(suo)流斷面❌.在縮(suō)流斷面處,壓(ya)力最低.壓降(jiàng)的産生是由(you)于在孔闆的(de)兩側側面出(chū)現回流區及(jí)旋渦域,造成(chéng)較大的内部(bu)紊流和能量(liang)損🏃耗的結果(guǒ)[1-2].旋渦🏒域的大(da)小取決于流(liú)動雷諾數,随(suí)着雷諾數的(de)增大,渦旋強(qiáng)度增加[3].
　　流體(tǐ)力學中對孔(kǒng)口恒定出流(liu)的描述爲孔(kong)闆結構的設(she)計提🔞供了理(li)論依據.但實(shi)際應用中，由(yóu)于外界激勵(lì)引起的壓力(lì)波動,圓管内(nèi)流體常處于(yu)動态非穩定(ding)流🛀态或振蕩(dàng)流态[4],孔闆流(liú)量計内部流(liu)場結構變化(hua)極爲複雜，因(yīn)此,計量孔闆(pan)的瞬時流量(liàng)特性往往與(yǔ)理論分析結(jie)果存在偏差(cha)因此,有♈必要(yao)對孔闆❤️在非(fei)穩定流态下(xià)的流量特性(xing)進行研究.
　　通(tong)過Fluent流體仿真(zhen)程序,對不同(tóng)節流孔直徑(jìng)比的孔闆,以(yǐ)水爲🐪介質在(zài)振蕩流态下(xia)的流動過程(cheng)進行仿真,對(duì)其⛹🏻‍♀️瞬時壓力(lì)-流量特性進(jin)行分析.
1理論(lun)分析
　　通常在(zài)特定測壓位(wei)置和特定流(liú)體參數情況(kuang)下,根據流🐪體(tǐ)流🧡動🍉的連續(xu)性方程和伯(bo)努利方程可(ke)推導出孔闆(pǎn)前🔴後差壓△p與(yǔ)💜流經節流孔(kǒng)的體積流量(liàng)QY滿足以下函(hán)數關系[5],即
 
　　式(shi)中:C爲流出系(xì)數;ρ爲流體密(mi)度;β爲節流孔(kǒng)的直徑比(β爲(wèi)🌈節流💘孔🔅直徑(jing)d與圓管内徑(jing)D的比值,即β=d/D);sign爲(wèi)符号函數*.
圓(yuán)管進口流量(liàng)可計算公式(shi)爲
 
　　孔闆流量(liang)計通過測量(liàng)節流孔兩端(duan)差壓進而獲(huò)得節流💛孔💯流(liu)📧量QV.對于不可(kě)壓縮的定常(chang)流，圓管進口(kǒu)流量Qin和出口(kou)流量Qout與節流(liu)孔流量QY相等(deng),聯立以上方(fāng)程🍓可得節流(liu)孔兩端差壓(yā)與人口流速(sù)的關系表達(da)式爲
 
　　由式(3)可(ke)知,孔闆兩端(duān)差壓也呈周(zhou)期性波動,.其(qí)振蕩頻率與(yǔ)孔闆人口流(liú)速振蕩頻率(lǜ)相同.
　　孔闆前(qián)後存在旋渦(wo)域.旋渦域的(de)大小占據圓(yuan)管空間,液體(tǐ)在旋渦域停(tíng)留,不流向下(xia)遊管道.旋渦(wō)域增大,則流(liú)向圓管出口(kou)的液流減少(shao).由于孔闆前(qian)後遊渦旋強(qiang)度随流動雷(lei)諾🧡數增大而(ér)增大,即随流(liú)速增加旋渦(wo)域變大3]，.在振(zhèn)蕩流态下💛,旋(xuan)渦域大小随(suí)入口流速變(bian)化也表現爲(wei)周期🔞性變化(hua)狀态,變化頻(pin)率與流速振(zhen)蕩頻率相同(tong).因此，在某✔️一(yi)極短時間段(duàn)内,旋渦域的(de)體積變化💃量(liang)表現爲圓管(guǎn)進♊、出口的瞬(shun)時流量👌之差(chà).對于不可壓(ya)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼縮的非定常(chang)流,人🈲口瞬時(shí)流量Qin與出口(kou)瞬♊時流量Qout和(hé)節📞流孔瞬🈲時(shi)流量QY滿足以(yǐ)下關❓系,即
 
　　式(shì)中:△Q表示圓管(guǎn)進出口瞬時(shí)流量差.瞬時(shi)流量差的存(cun)在，使孔闆流(liu)量計實際測(cè)量流量Qv與出(chu)口瞬時流量(liàng)Qout之間不可避(bi)免存在偏差(cha).
　　事實上,由于(yú)節流孔的壓(ya)降作用,當孔(kong)闆下遊壓力(li)低♉于液體飽(bǎo)和蒸氣壓以(yǐ)下，氣泡将在(zài)下遊管道産(chǎn)生,形成閃蒸(zhēng)現象.當壓力(li)上升,氣泡破(pò)裂瞬間産生(shēng)✏️局部空穴,高(gāo)壓液體重✨新(xin)流向📧這些空(kōng)間.顯然,氣泡(pao)和空穴占❄️據(jù)了下遊管道(dào)空間,使進、出(chū)口流
量Qm與Qout,存(cún)在差異,出現(xian)瞬時流量差(cha)實際孔闆流(liu)量計使用過(guo)程中避免閃(shan)蒸和空穴現(xiàn)象的出現,故(gù)文中對其影(yǐng)響不做表述(shù).
爲進一步探(tàn)究孔闆的瞬(shùn)時壓力流量(liang)特性,文中以(yi)📧上述理論分(fen)析爲基礎，結(jié)合有限元分(fèn)析思想,對孔(kǒng)闆流量計在(zai)低🈚頻微幅振(zhèn)蕩流态下的(de)壓力流量特(tè)性進行了分(fèn)析.
2期修仿真(zhēn)
2.1控基文圖
　　文(wen)中選用RNGk-ε湍流(liu)模型對孔闆(pan)的流量特性(xìng)進行模拟.該(gai)模型的🔞控制(zhì)方程分别爲(wèi)連續性方程(cheng)
 
　　上述式中:xi,xj分(fèn)别爲縱向和(hé)橫向坐标;ui,uj分(fen)别爲縱向和(hé)想象的‼️速度(dù)分量;p爲流體(tǐ)壓力;v爲流體(tǐ)運動黏度;vt爲(wei)流體渦流黏(nián)度,vt=Cμk²/Ɛ,其中k爲湍(tuān)動能,Ɛ爲湍動(dong)耗散率,Cμ=0.085.
　　模型(xing)邊界條件包(bao)括速度人口(kǒu)、壓力出口、無(wú)滑移壁面邊(biān)界🆚,在近壁面(miàn)區域采用标(biāo)準壁面麗數(shu)進行處㊙️理.采(cǎi)用軸🌐對稱邊(biān)界,即模型對(dui)稱軸的徑向(xiàng)速度爲0.在求(qiu)解離散方☁️程(chéng)組和壓力速(sù)度耦合時選(xuan)擇了SIM-PLE算法,動(dong)量和📧湍流動(dong)能分别采用(yong)的是二階迎(yíng)風與一階迎(yíng)風差分格式(shi).
2.2仿真文收
　　利(li)用孔闆模型(xing)的軸對稱性(xing)的特征,在圓(yuan)柱坐标系下(xia)建立它們🚶的(de)1/2實體模型,取(qǔ)壓方式采用(yong)D-D/2取壓其計算(suan)域如圖🔞1所示(shì)❗.孔闆.上遊直(zhi)管段長度爲(wei)20D,充足的上遊(you)管長能夠确(què)保液流在孔(kǒng)闆上遊爲充(chong)分發展的湍(tuān)流流動🤩.模型(xíng)具體💃尺寸,其(qi)中D=12.3mm,β=0.247,Lu=246mm,Lt=494mm,t=2mm.
　　爲了表現(xiàn)孔闆前後的(de)流場變化情(qing)況,首先在壁(bi)面附近劃分(fen)邊界層網格(ge),邊界層第一(yī)次厚度爲0.1mm,共(gòng)10層,高度增長(zhǎng)📧因子1.1.其次💁,爲(wei)了✂️提高孔闆(pǎn)附近的計算(suan)精度,對靠近(jìn)孔闆部分的(de)網格進行局(ju)部加密,離節(jiē)流孔越遠,網(wang)格越稀疏最(zui)後,利用💁結構(gòu)化網格生成(chéng)方式劃分其(qi)餘部分網格(ge).
 
　　文中所選用(yong)的流體介質(zhì)爲常溫狀态(tai)下的水.人口(kou)流速設定爲(wèi)❄️某一-頻率下(xia)的正弦流動(dong)u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選擇不同平(píng)均流速uarg、流速(su)振🏃‍♂️幅uamp和振蕩(dàng)頻率ƒ參數作(zuò)爲節流孔的(de)人口流❌速,具(ju)體參數見表(biǎo)1.利用UDF功能将(jiang)該自定義速(sù)度函數加載(zai)在模型的速(su)度人口.
 
3網出(chu)第日
3.1振蕩差(cha)絡
　　通過後處(chù)理後可以觀(guan)察到,當人口(kou)流速爲某一(yi)頻率下的正(zhèng)弦流動時,孔(kǒng)闆兩端将出(chu)現與人口流(liu)速頻率相同(tong)的振蕩差壓(ya).如圖2所示，節(jie)流孔瞬時流(liu)量與差壓振(zhèn)蕩頻率相等(deng)且具有固定(dìng)的相位滞後(hòu).相位滞後意(yì)味着測量壓(ya)差不能📱反映(yìng)當時的流量(liang)情況.此外，由(yóu)于壓差測量(liàng)裝置的動作(zuo)時限,測量壓(yā)差滞後,不能(neng)及時反映瞬(shùn)時壓差的變(biàn)化因此，在💁振(zhèn)蕩🐅流态下,孔(kǒng)闆流量計對(duì)瞬時流量的(de)測量存在不(bu)确🙇‍♀️定性.
　　圖3爲(wei)人口流速振(zhèn)幅與差壓幅(fu)值的關系.對(dui)于同一♻️振蕩(dang)🔅頻率的入口(kǒu)流速,孔闆兩(liǎng)端差壓幅值(zhí)随人口流速(sù)振幅增大而(ér)線性增大,但(dàn)其線性增長(zhǎng)系數與振蕩(dang)頻率有關.
 
　　從(cong)圖4中可以看(kàn)出當人口流(liú)速振幅一定(ding)時,節流孔兩(liang)⚽端差壓🥰的振(zhèn)蕩幅值随振(zhen)蕩頻率的增(zēng)大而增大.差(cha)壓幅值🧑🏽‍🤝‍🧑🏻與振(zhen)🙇‍♀️蕩頻率存⛷️在(zai)近似一次線(xiàn)性關系.
　　在孔(kǒng)口恒定出流(liú)情況下,測量(liàng)流量與實際(jì)節流孔流量(liang)Qv相同.而在振(zhen)蕩流态下,差(chà)壓幅值随振(zhèn)蕩頻率⁉️線性(xing)增大,則測量(liang)流量幅值越(yuè)大,與實際節(jiē)流孔流量的(de)偏差也越大(da).
　　從圖5中可以(yi)看出,平均入(rù)口流速的變(bian)化,對壓力幅(fu)值☔的影響幾(ji)乎可以忽略(lue).
3.2瞬時流量差(cha)
　　在振蕩流态(tài)下,孔闆前後(hou)回流區和旋(xuán)渦域的大小(xiǎo)随人口流速(su)變化不斷改(gǎi)變，導緻進出(chū)口流量存在(zai).瞬時流量🌂差(cha)△Q,如圖6所示.瞬(shun)時流量差表(biao)現爲複雜的(de)周期性波動(dong),其波動周期(qi)與差🤞壓振蕩(dàng)周期相同,相(xiàng)位介于瞬時(shi)流量和🔴差壓(ya)兩者之間,且(qie)稍滞後于振(zhèn)👨‍❤️‍👨蕩差壓.當差(cha)壓增大至峰(fēng)值點時，瞬時(shi)流量差趨向(xiàng)⚽其波峰,并在(zai)到達峰值點(diǎn)後反向階躍(yuè).
 
　　爲研究人口(kou)流速各參數(shù)對瞬時流量(liang)差的波動特(te)性影響🏒,對仿(pang)真記錄的瞬(shun)時流量差數(shu)據作方差分(fèn)析和極差分(fèn)析,以此描述(shu)瞬時流量差(cha)的波動情況(kuàng).瞬時流量差(cha)的極差和方(fang)差與振蕩頻(pin)率關系如圖(tú)⛷️7所示.當入口(kou)平均流速和(hé)流速振幅不(bú)變時,瞬時流(liu)量差的極差(cha)和方差随人(rén)口流速的振(zhen)蕩頻率增大(dà)而減小也即(jí)人🈲口流速頻(pín)率越大,瞬時(shí)流量差的波(bō)動程度越小(xiao)，同時波動的(de)峰值也越小(xiǎo).
　　圖8爲入口平(píng)均流速與瞬(shun)時流量方差(chà)及極差的關(guan)👌系.當振蕩🌂頻(pín)🌍率和流速振(zhèn)幅相同時,人(rén)口平均流速(su)越大,瞬時流(liu)量差的🥵方差(cha)和極差越大(dà).圖9爲瞬時流(liú)量差方🏃‍♂️差和(hé)極差與流速(su)振幅關系.從(cong)圖中可以看(kàn)出，當人口平(ping)均流速相同(tóng)時,對于給定(ding)的振蕩頻率(lü),瞬時流量差(chà)的方差和極(jí)差随着流速(su)振幅增大而(ér)㊙️增大.因此,當(dang)人口流速峰(feng)值越大,瞬時(shí)流量差波動(dong)也越大,瞬時(shí)流量差就越(yuè)不穩定.
 
4結論(lun)
　　當孔闆流量(liàng)計所計量不(bu)可壓縮流體(tǐ)爲低頻振蕩(dàng)流🔞動狀🈲态㊙️時(shi)，通過前述CFD分(fen)析,得到如下(xià)結論:
1)孔闆兩(liang)端差壓爲周(zhōu)期振蕩狀态(tai),差壓與節流(liú)孔瞬時流量(liàng)同頻不同相(xiàng).差壓幅值随(suí)人口流速振(zhen)幅增大而線(xiàn)性增大，且線(xiàn)性增⚽長系數(shu)與振蕩頻率(lü)相關.
2)圓管人(ren)口與出口存(cún)在周期波動(dòng)的瞬時流量(liang)差,振蕩頻率(lǜ)越大或人口(kou)流速峰值越(yuè)小，則瞬時流(liú)量差的波動(dong)也越小🚶
3)在振(zhen)蕩流态下,由(you)于相位滞後(hou)和瞬時流量(liang)差的存在😄,使(shi)孔♋闆流量計(ji)的測量流量(liang)與實際出口(kou)流量之間存(cún)在偏差振蕩(dang)頻率越大,偏(pian)差也越大..
4)孔(kǒng)闆流量計作(zuò)爲的流量計(jì)量的常用元(yuan)件,該分析結(jié)果對孔闆的(de)結構設計及(jí)系統的整體(tǐ)動态特性研(yán)究具有重要(yao)意義. 本文來(lái)源于網絡,如(ru)有侵權聯系(xì)即删除！