在流(liú)體機械瞬态流(liú)動的過程中,需(xu)要對瞬時流量(liang)進行測試．電磁(ci)流量計在測量(liàng)快速變化的流(liú)量時,其轉換器(qì)的信号處理時(shí)間普遍超過0．２s,需(xu)要經過特殊設(she)計才能達到要(yao)求[5];渦輪流量計(jì)在測試小流量(liang)的瞬時變化時(shí),存在強烈的非(fēi)線性問題．而在(zài)🌏許♊多場合,孔闆(pan)流量計能較好(hǎo)地用于瞬态流(liú)量的測試．
　　基于(yu)CFD技術,通過改變(bian)流量﹑直徑比﹑孔(kong)闆厚度和流體(tǐ)介質等,對孔闆(pan)内部穩定流動(dong)進行了研究．采(cai)用CFD技術研🛀🏻究了(le)方形孔和圓形(xing)孔闆流量計在(zài)測量濕夭然氣(qì)時的異同;對錐(zhui)體流量計的孔(kǒng)流系數進行數(shu)值模拟;對周期(qī)性波動的流量(liang)流經孔🐇闆進行(háng)了實驗和理論(lùn)分析後指出,孔(kǒng)闆前後壓差呈(chéng)現非線性,且滞(zhi)後于流量的變(bian)化,稱之爲“渦慣(guàn)性😘”．
　　鑒于目前未(wèi)見有對孔闆流(liú)量計在測量流(liú)量加速瞬态過(guo)程的相關研究(jiu),爲了從内流角(jiao)度揭示壓差滞(zhì)後于流量變化(huà)的原因,考妞到(dào)采用試驗測量(liang)較爲困難,文中(zhong)采用CFD方法分别(bie)對穩态和加速(sù)過程的孔流系(xì)數進行數值預(yù)測,重點分析孔(kǒng)流系數與流動(dòng)狀态瞬時轉變(biàn)間的聯系,爲實(shi)現采用孔闆流(liú)量計測量瞬時(shi)流量提供參考(kǎo)。
1物理模型和數(shù)值方法
1.1基本理(li)論
　　孔闆流量計(ji)是一種差壓式(shi)流量計．對于不(bu)可壓流體的水(shui)平管流動,忽略(lue)管壁摩擦阻力(lì)損失,根據流體(ti)的連續性和機(ji)械✍️能的相互轉(zhuan)化可得

1.2模型﹑網(wang)格和邊界條件(jian)
　　圖1爲孔闆流量(liang)計的物理模型(xing)示意.根據标準(zhun)孔闆📱流量♈計的(de)安裝,圖1a中,上下(xia)遊直管段長分(fen)别取10D和5D作爲穩(wen)🔱定直管段.其中(zhōng)上下🔅遊管内徑(jing)D取100mm,孔闆厚度δ取(qǔ)3mm.
　　流量從0以恒定(ding)加速度增長,如(rú)圖1b所示;測壓點(diǎn)的位置示于圖(tú)1c.

　　爲了準确捕捉(zhuō)孔闆前後流場(chǎng)的變化情況,首(shou)先在👣壁面附近(jìn)劃分了邊界層(ceng)網格,邊界層第(dì)1層厚度爲0.1mm,共10層(céng),高度增長因子(zi)爲1.1;其次,用與孔(kǒng)闆等孔徑的圓(yuán)柱面作爲分界(jiè)面,對内部流域(yù)進行切割,并對(duì)該邊界面附近(jin)劃分同上的邊(bian)界層網格,其内(nei)🈲部區域采用蝶(die)形網格劃分;最(zuì)後,在邊界層設(shè)置好的基礎上(shàng),采用結構化網(wǎng)格生成方式完(wan)成其餘部分的(de)♈網格劃分.
　　圖２給(gei)出了孔闆附近(jìn)的網格分布.以(yǐ)常溫狀态下液(ye)态🙇🏻水作爲流體(tǐ)介質,動量﹑湍動(dong)能和湍流耗散(sàn)率方💰程的離散(san)選擇二階迎風(fēng)格式,壓力和速(su)度耦合選用SＩMＰLＥ算(suan)法,穩态和加速(sù)條件下的👉湍流(liu)模型分别采用(yong)Realizablek－ε和RealizableDＥS模型.穩态和(he)加速過程的進(jin)口均采用速度(du)進口邊界條件(jiàn),流體加速曲線(xian)見圖1b,管壁爲無(wú)滑移壁面🧡邊界(jiè)條件.

　　由于流速(su)不斷增大,考妞(niu)采用變時間步(bù)長的方式以提(tí)高叠代過程的(de)經濟性,時間步(bu)長△t與時刻t采用(yong)式(1)的關系式:

　　流(liu)場求解軟件爲(wèi)Liｎux平台下的Flueｎｔ6．3,采用(yong)曙光1800工作站上(shang)的8個ＩｎｔelXeoｎ處理器(3．２GHz)進(jìn)🌈行并行計算,穩(wen)态叠代4000次約需(xū)２h,瞬态叠代２50個時(shi)間步約需２２h．
2結果(guǒ)分析
2.1孔流系數(shu)和壓降
　　圖3給出(chu)了孔流系數的(de)數值模拟結果(guo),Realiza-blek－ε模拟的穩态孔(kǒng)流系數C0與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼ＩSO試驗(yan)回歸曲線[10]的最(zuì)大誤差在3％以内(nèi),标準k－ε的🐕最大誤(wù)差達6％[6]．
　　對于流量(liang)Q≤0．6m3/h,C0随流量的增加(jiā)緩慢下降,之後(hou)保持在0．63左右．與(yu)C0不同的是,C從0開(kai)始随流量的增(zeng)大而增大,并逐(zhú)漸向C0靠近,直至(zhì)Q≥3．5m3/h後才達到😘C0的水(shuǐ)平．C在時間上滞(zhì)後于C0．圖4中△p－Q曲線(xian)顯示,Q≤3．0m3/h時,加速過(guo)程孔闆前後壓(ya)降高于同等流(liu)量下穩态壓降(jiàng)😘;Q≥3．0m3/h後,瞬态壓降才(cái)降爲穩态水平(ping)．

2.2速度和壓力場(chǎng)分析
　　從内流角(jiao)度分析導緻第(di)２．1節中C和C0不同的(de)原因,圖5和圖6分(fen)别給出并對比(bǐ)了相同流量下(xià)穩态和加速過(guo)♻️程中♌流經孔闆(pan)🏃‍♂️前後流體的速(su)度和壓力場．對(duì)于Q≤3．0m3/h穩态條件,孔(kong)闆後方始終🏃🏻‍♂️可(kě)觀察到一個被(bei)拉長的主渦和(hé)孔闆右上方的(de)小渦,流動的損(sun)失較大,同時表(biǎo)明流場中已形(xing)成穩定的流動(dòng)通道,動能和壓(ya)能的💁轉化已達(dá)到平衡,流動的(de)損失(長漩渦)也(yě)趨于🔆穩定,并且(qiě)壓差随流量的(de)增大而穩定增(zeng)大．
　　加速過程中(zhong)孔闆後方的漩(xuán)渦是逐漸形成(chéng)的:小流量♍時流(liú)動較爲平穩,流(liu)體不斷被加速(sù)的流體向下遊(you)推動,漩渦來‼️不(bú)及形成☁️,流動的(de)損失較小;随着(zhe)流量的不🈲斷加(jiā)大,孔闆後方開(kāi)始出現流動分(fen)離(約在Q＞1．1m3/h時);當流(liu)量進一步加大(dà),孔闆後👅方出現(xian)了⭐較大的漩渦(wo)．加速前期,壓力(lì)沿整個管道逐(zhú)漸向🏃🏻下遊傳播(bō),壓能傳播的距(jù)離較長,沒有在(zài)短距離内快速(su)轉換爲動能．
經(jīng)上述分析可以(yi)認爲,導緻加速(su)前期C和C0之間差(chà)異👌的内流💞原因(yin)是,漩渦形成的(de)滞後以及加速(su)前期壓力能沒(méi)有在短距離内(nèi)全部轉化爲動(dòng)能．
　　随着流量的(de)增大,孔闆後方(fāng)出現了明顯的(de)漩渦,漩🔅渦中心(xīn)附🧑🏽‍🤝‍🧑🏻近區域即爲(wei)低壓區．雖然孔(kǒng)流系數和壓降(jiàng)的瞬态和穩态(tai)值分别相互接(jiē)近,然而由于流(liú)體仍然處💯于加(jiā)速階段,因🔞此流(liú)動狀态(漩渦的(de)形狀和位置)和(hé)壓力分布與穩(wěn)态條件相比,仍(reng)然存在較大👣差(chà)異．


3結論
　　通過CFD技(jì)術,實現了穩态(tài)和加速流體流(liu)經孔闆後流場(chǎng)的數值模拟,得(de)到了孔流系數(shù)﹑流場和壓力的(de)模拟結❤️果,主要(yào)概🚶‍♀️括爲:
1)穩态孔(kong)流系數C0的數值(zhi)預測值與ＩSO試驗(yan)回歸曲線十分(fèn)接近🌈,Realizablek－ε比标準k－ε的(de)C0預測值更接近(jìn)ＩSO試驗回歸曲線(xian),誤✊差分别爲3％和(he)6％;
２)加速過程,C随流(liú)量的增大逐漸(jiàn)增大并靠近穩(wen)态C0;加速前💚期,壓(ya)差高于穩态水(shuǐ)平,随着流量的(de)不斷增大,瞬态(tài)和穩态壓差相(xiang)🔅互接近．3)導緻加(jiā)速前期C和C0之間(jiān)差異的🏃🏻内流原(yuán)因是,漩渦形成(chéng)的滞後以及加(jia)速前🎯期壓力能(neng)沒有在短🏃🏻距離(lí)内全🔅部轉化爲(wèi)動能．文中🧑🏽‍🤝‍🧑🏻内容(rong)可爲利用孔闆(pan)流量計測量瞬(shun)時⛱️流量提供參(cān)考依據,爲流體(ti)機械内部非定(dìng)常流動等特殊(shu)問題的提供基(jī)本保障．今後的(de)🤞工作将圍繞流(liú)量波動﹑階躍和(he)突減等其他瞬(shùn)态狀況．

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