摘(zhai)要:針對(dui)孔闆流(liu)量計 測(cè)量精度(dù)及節能(néng)降耗的(de)要求，對(duì)5種結構(gou)的單孔(kong)闆進行(hang)✔️了數❌值(zhi)模拟研(yán)究。進行(hang)了數值(zhí)模拟與(yǔ)标準孔(kǒng)闆實驗(yan)比💔對,對(dui)模拟方(fāng)法的可(ke)靠性進(jìn)行了驗(yan)證，在此(ci)基礎👄上(shàng)進一步(bù)完成了(le)5種結構(gòu)10組流速(sù)下的數(shu)值研究(jiū)。通過速(sù)度矢量(liang)圖得出(chū)孔👣口後(hòu)流态的(de)變化;計(jì)算流量(liang)系數，得(dé)出流量(liang)系數與(yu)雷諾數(shù)關系曲(qǔ)線、軸線(xian)距離與(yǔ)壓力📧關(guan)系圖、壓(yā)差與雷(lei)諾數關(guan)系圖。結(jié)果表明(míng),5種孔闆(pǎn)中外凹(ao)型孔闆(pan)流量計(jì)II因爲闆(pǎn)前緩沖(chong)段較爲(wei)理想,對(duì)流體😄起(qi)到了整(zhěng)流的作(zuo)用，減弱(ruò)了闆前(qián)流體死(sǐ)區的形(xing)成和🔴闆(pǎn)後渦流(liu)的形成(cheng),降低🏃‍♀️了(le)孔闆流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失,且🚶流(liú)量系數(shù)大,随雷(léi)諾數增(zēng)大壓差(chà)增大緩(huǎn)慢,壓力(li)恢複快(kuài)。
　　孔闆流(liú)量計是(shì)常見的(de)測流量(liàng)裝置，以(yǐ)連續性(xing)方程和(hé)伯努利(lì)方程爲(wèi)理論基(ji)礎。流體(tǐ)在通過(guo)節流元(yuan)件時,由(yóu)☎️于流通(tōng)面積的(de)突然收(shou)縮促使(shi)流體加(jiā)速，産生(shēng)節流效(xiào)應,使孔(kǒng)♋闆前後(hou)産生壓(yā)差,通過(guò)測量壓(yā)差從而(ér)計算出(chū)管道中(zhōng)的流量(liàng)。節流元(yuan)件的尺(chi)寸和結(jie)構🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的不(bu)同,會導(dao)♉緻測量(liang)精度、測(cè)量壓力(li)、管徑範(fan)圍及流(liú)量系數(shu)随雷諾(nuo)🈲數變化(huà)關系的(de)差異。選(xuǎn)擇或者(zhe)設計出(chu)較爲理(lǐ)想的孔(kong)闆流量(liang)計,是計(ji)量🔞行業(ye)發展的(de)需要。采(cai)用數值(zhí)模拟分(fèn)析研究(jiū)管内孔(kǒng)闆類節(jie)流元件(jiàn)的相關(guān)流場已(yi)有數十(shí)年的曆(li)♌史,采用(yòng)ANSYSFluent軟件,選(xuan)擇5種🆚标(biāo)準及非(fei)标準孔(kǒng)闆作爲(wei)🔴對象,爲(wei)非标準(zhun)孔闆流(liú)量🌈計的(de)與發展(zhǎn)提供一(yi)定依據(ju)。
1研究模(mó)型
1.1幾何(he)模型
　　模(mó)拟5種不(bú)同孔闆(pǎn)形狀的(de)孔闆流(liú)量計，見(jiàn)圖1。
　　5種孔(kong)闆均按(àn)照ISO5167國際(ji)标準，确(que)定孔闆(pan)尺寸。根(gen)據相關(guan)🍓規定,孔(kǒng)闆節流(liú)元件的(de)孔徑與(yu)孔闆通(tong)徑比值(zhi)d/D=0.2~0.8;最小孔(kong)徑dmin≥12.5mm;直孔(kong)📐部分厚(hòu)度h=(0.005~0.02)D;總厚(hou)度H<0.05D這5種(zhǒng)孔闆公(gōng)稱通徑(jing)D=40mm,節流元(yuan)件的孔(kong)徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流量(liang)系數計(ji)算模型(xing)
　　計算每(mei)個孔闆(pan)流量計(ji)對應的(de)流量系(xì)數見公(gong)式(1)
 
　　式中(zhōng):qm爲流體(tǐ)的質量(liàng)流量,kg/s;A0爲(wei)孔口截(jie)面積,m2;p爲(wèi)流體密(mì)⭐度,kg/m3;△p爲孔(kǒng)🈚口兩側(ce)壓差,Pa。
2模(mo)型驗證(zhèng)及數值(zhi)模拟
2.1實(shi)驗驗證(zhèng)過程
　　爲(wei)了确保(bao)數值模(mó)拟過程(cheng)設置正(zheng)确,将模(mo)拟結果(guo)與實✉️驗(yàn)值進行(háng)了比對(dui)實驗采(cai)用裝置(zhi)見圖2。
 
　　水(shuǐ)由離心(xin)泵從水(shuǐ)箱抽出(chu)後,經過(guò)孔闆流(liú)量計，通(tong)過彎管(guan)再❗流回(hui)水箱。其(qí)中孔闆(pan)流量計(jì)爲标準(zhǔn)型，管道(dao)内徑40mm,孔(kong)闆口徑(jìng)35mm,孔闆🈲厚(hou)度5mm。在不(bú)同的閥(fá)門開度(dù)下,測試(shì)孔闆流(liú)量計壓(ya)差,計算(suan)流量🏃‍♀️及(ji)流量計(jì)流量系(xi)數。實驗(yan)、模拟結(jié)果對比(bi)見圖3。
 
　　由(you)圖3可知(zhi)，模拟與(yu)實驗吻(wen)合,對模(mo)拟方法(fǎ)的可靠(kào)性♈進行(hang)了驗證(zheng).。
2.2數值模(mó)拟設置(zhi)
　　由于孔(kong)闆流量(liang)計的軸(zhóu)對稱特(te)性，流體(tǐ)在經過(guò)孔闆流(liu)量計時(shi)也是對(dui)稱的,因(yīn)此選用(yong)1/2實體及(jí)對稱面(mian)結構。應(ying)用“mesh”進行(hang)模🐪拟實(shí)體的網(wǎng)格劃分(fèn)，見圖4。
 
　　由(you)于孔闆(pan)流量計(ji)結構簡(jiǎn)單,因此(cǐ)在劃分(fen)網格時(shí)隻需✊在(zài)節流元(yuan)件處既(jì)縮口處(chù)進行網(wǎng)格的加(jia)密。該模(mó)拟中采(cai)用🐉的介(jie)質爲20℃的(de)水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作(zuò)壓力爲(wei)标準大(da)氣壓。采(cai)用3D求解(jiě)器，湍❤️流(liú)方程用(yong)“标準k-epsilon”方(fang)程;選用(yong)速度進(jin)口和壓(yā)力出口(kǒu)邊界條(tiao)件,進行(hang)叠代求(qiu)解計算(suan)。
　　在模拟(ni)過程中(zhong)取闆前(qián)2D、闆後5D,即(jí)闆前80mm、闆(pǎn)後200mm爲計(jì)算域。5種(zhong)孔✍️闆設(she)定10個統(tong)一的進(jìn)口流速(su),分别爲(wei)0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的(de)雷諾數(shu)值分别(bie)爲7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果(guo)與讨論(lun)
　　以ʋ=0.2m/s時孔(kǒng)闆的模(mo)拟結果(guo)爲例,各(ge)孔闆流(liú)量計的(de)速度矢(shi)量雲圖(tu)見圖5.
 
 
 
　　由(you)圖5可知(zhi)，流體在(zài)經過闆(pan)前區域(yu)時流道(dao)急劇收(shou)縮🈲，速度(dù)增大🔞。其(qi)中标準(zhǔn)孔闆I所(suǒ)形成的(de)孔後大(dà)速度值(zhi)㊙️高,爲1.2m/s;外(wài)凸型孔(kong)♈闆川I、加(jiā)厚型孔(kong)闆IV次之(zhī),約爲1m/s;外(wai)凹型孔(kong)闆I1和直(zhi)邊型孔(kǒng)闆V較小(xiao),分别爲(wei)0.88和0.74m/s。外凸(tu)型孔闆(pan)II低流速(su)較大，直(zhí)邊型孔(kǒng)📞闆V次之(zhī),其💁餘均(jun)基本相(xiàng)等。經過(guo)孔口後(hou)部分流(liú)體流動(dòng)方向發(fa)生改變(bian),産生了(le)一定的(de)渦流區(qu)域🙇‍♀️，形成(cheng)湍流,孔(kong)闆的.結(jié)構不同(tóng)造成的(de)旋渦湍(tuān)流區🌈域(yu)形狀及(ji)發展長(zhang)度也明(míng)顯不同(tong)。标準孔(kǒng)闆I湍流(liu)區較寬(kuan),湍流長(zhang)度較長(zhang)。外凹型(xíng)孔闆II湍(tuān)流段較(jiao)短,流場(chang)爲整齊(qí),從而💁也(yě)推測出(chu)其節流(liu)損失小(xiao)。
　　對5種孔(kǒng)闆進行(hang)了進一(yī)步的數(shu)據采集(jí),保持孔(kong)闆的直(zhi)🈲徑比不(bu)改變。由(yóu)流量分(fen)别計算(suan)對應的(de)雷諾數(shu),采⚽集每(měi)個孔闆(pan)每個流(liu)速所對(duì)應的闆(pǎn)前D、闆後(hòu)D/2取壓點(dian)所在平(píng)面的平(ping)均壓力(lì)，即闆前(qián)🔅40mm、闆後20mm計(jì)算壓差(cha),并根據(jù)公式(1)計(ji)算出每(mei)個孔闆(pan)對應💘的(de)流量系(xi)數,得到(dào)流量系(xi)數與雷(lei)諾數關(guan)系曲線(xian)圖見圖(tu)6。
 
　　由圖6可(ke)知,雷諾(nuo)數的變(biàn)化對流(liu)量系數(shu)影響不(bú)大,說明(ming)這幾種(zhong)孔🈲闆都(dou)具有良(liang)好的穩(wen)定性。外(wai)凹型孔(kong)闆II的流(liú)量系數(shu)比其他(tā)4種大，标(biao)準孔闆(pǎn)I小;加厚(hòu)型孔闆(pan)👈IV的流量(liàng)系數曲(qǔ)線在較(jiao)大及較(jiào)小雷諾(nuo)數時變(biàn)化明🔴顯(xian),因此該(gai)類型穩(wen)定🐅性稍(shao)差;直🔞邊(biān)型孔闆(pǎn)V穩定性(xìng)好。
　　沿軸(zhóu)向的距(ju)離L與壓(yā)力的關(guān)系見圖(tú)7。
 
　　由圖7可(kě)知，幾種(zhong)孔闆壓(yā)降位置(zhì)、壓降大(da)小及壓(ya)力恢複(fu)性不同(tong)♊。加厚型(xing)孔闆IV的(de)壓降位(wei)置靠前(qián),直邊型(xíng)孔闆V靠(kào)後,其餘(yú)三者基(jī)⛱️本接近(jìn);标準孔(kong)闆I的壓(yā)降大,外(wài)凹型孔(kǒng)闆II壓降(jiang)小;外凹(āo)型孔闆(pan)📱II的壓力(li)🌏恢複快(kuai)。
　　壓差△p與(yu)雷諾數(shù)的關系(xì)曲線見(jian)圖8。
 
　　由圖(tu)8可知，幾(ji)種孔闆(pan)壓差△p随(sui)着雷諾(nuo)數的增(zeng)大而增(zēng)大,增加(jia)🐅趨勢💁基(ji)本相同(tong),其中标(biāo)準孔闆(pan)I增加快(kuài)大,外凹(āo)型孔闆(pǎn)II增大👌緩(huan)慢💃🏻。
4結論(lùn)
　　通過流(liu)場模拟(nǐ)雲圖、流(liú)量系數(shù)與雷諾(nuò)數的曲(qǔ)線關系(xi)、中心軸(zhou)線壓力(lì)分布曲(qǔ)線、壓差(chà)△p與雷諾(nuo)數的曲(qǔ)線關系(xì)的分析(xi)可以得(de)出,5種孔(kǒng)闆中外(wai)凹型孔(kǒng)闆流量(liang)計II因爲(wèi)🥰闆前緩(huǎn)沖段較(jiao)🏃🏻爲理想(xiǎng),對流體(ti)起到了(le)整流的(de)作用,減(jiǎn)弱了闆(pan)前流體(tǐ)死區的(de)形成和(hé)闆後渦(wo)流♍的形(xíng)成,降低(dī)了孔闆(pan)流量計(jì)的壓力(lì).損失。且(qie)流量系(xì)數大,随(sui)雷諾數(shu)增大壓(yā)差增大(da)緩慢,壓(ya)力恢複(fu)快，是5個(ge)類型中(zhong)性能較(jiào)好的一(yi)種。在進(jin)行單孔(kǒng)闆流量(liàng)計的㊙️設(shè)計時，不(bú)但要滿(man)🈲足直徑(jìng)比,還應(yīng)該考慮(lü)孔闆的(de)厚度和(he)孔闆闆(pǎn)前的過(guò)渡段。孔(kǒng)闆的厚(hòu)度不宜(yi)太薄也(yě)不宜過(guò)厚,過渡(dù)段對流(liu)體要能(néng)進行整(zheng)合,使流(liú)體🈲盡可(kě)能緩和(he)的流人(rén)。在孔☀️闆(pan)㊙️的設計(ji)及使用(yong)中,應結(jié)合實際(ji)情況,應(yīng)用合适(shì)尺寸類(lei)型的孔(kong)闆，确保(bao)流量系(xi)數穩定(dìng),并降低(dī)壓力損(sǔn)失,保證(zheng)流場穩(wen)定,進而(ér)提高孔(kǒng)闆流量(liàng)計的質(zhi)量和測(cè)量的精(jīng)度。

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