摘要:多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji) 因其快速(su)平衡調整(zheng)流場和有(you)效降低壓(ya)力損失等(deng)能力得🏒到(dao)廣泛應用(yong),但其尚缺(que)乏完整的(de)結構參數(shu)🚶‍♀️設計和性(xing)能優化設(she)計準則。針(zhen)對提出的(de)對稱多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji)進行實流(liu)試驗,研究(jiu)其計量性(xing)能并與數(shu)值模拟結(jie)果進行對(dui)比分析,結(jie)果表明,對(dui)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻稱多孔孔(kong)闆差壓式(shi)流量計可(ke)有效提高(gao)計量精度(du)🌈(+0.5%)、降低壓力(li)損失🈲,具有(you)更好的适(shi)應性,試驗(yan)結果與數(shu)值模拟結(jie)果具有一(yi)緻性,驗證(zheng)了數值模(mo)拟的正确(que)性并對新(xin)型流量計(ji)進行了标(biao)定，研究結(jie)果可有效(xiao)拓寬 多孔(kong)孔闆流量(liang)計 的應用(yong)範圍。
0引言(yan)
　　流量計量(liang)是工業生(sheng)産的眼睛(jing),廣泛應用(yong)于科學研(yan)究📱、工農業(ye)生産、國防(fang)建設以及(ji)人民生活(huo)等領域，諸(zhu)多流量計(ji)中,傳統差(cha)壓式流量(liang)計因其結(jie)構簡單、成(cheng)本低、實驗(yan)數據豐富(fu)、标👉準化程(cheng)度高等優(you)點,應用最(zui)🐕爲廣泛。但(dan)在實際應(ying)用中很多(duo)工況條件(jian)無法滿足(zu)測量要求(qiu)(如低于标(biao)準中推薦(jian)的雷諾數(shu)範圍、測量(liang)介質中混(hun)有泥沙等(deng)),進而限制(zhi)了其應用(yong)範圍。
　　在這(zhe)些情況下(xia),非标準 差(cha)壓式流量(liang)計 得到快(kuai)速發展和(he)進一步的(de)應用，目前(qian)最具代表(biao)性的非标(biao)準差壓式(shi)流量計主(zhu)要有錐形(xing)流量計和(he)多💋孔孔闆(pan)流量計多(duo)孔✌️孔闆流(liu)量計不但(dan)繼承了标(biao)準孔闆流(liu)量計的優(you)點，而且能(neng)夠快速平(ping)衡調整流(liu)場㊙️，明顯減(jian)少渦流、降(jiang)低死區效(xiao)應、減少流(liu)體動能損(sun)失,在國際(ji)上引✊起廣(guang)泛關注，自(zi)2006年被引進(jin)我國市場(chang)以👌來,得到(dao)廣泛應用(yong)。但因涉及(ji)商業機密(mi),多孔孔闆(pan)流量計的(de)結構參數(shu)✨與流出系(xi)數等計💃🏻算(suan)公式未曾(ceng)公開。爲了(le)掌握該流(liu)量❓計的核(he)心技術,國(guo)内科研技(ji)術🆚人員對(dui)其進行了(le)大量研究(jiu)，主要集中(zhong)于孔闆結(jie)構參數優(you)化及計量(liang)性能等方(fang)面.[448。目前,實(shi)際應用中(zhong)要🤞根據不(bu)同測量條(tiao)件來設計(ji)流量計，缺(que)乏完整的(de)結構參數(shu)設計和性(xing)能優化設(she)計準則指(zhi)導。
　　對多孔(kong)孔闆流量(liang)計進行了(le)大量的研(yan)究工作,結(jie)合多孔整(zheng)💋流♊器和标(biao)準孔闆聯(lian)合使用的(de)測量原理(li),提出了✔️一(yi)種對稱多(duo)孔孔闆差(cha)壓式流量(liang)計的設計(ji)方法(即在(zai)中心節流(liu)孔周圍均(jun)勻環形分(fen)📱布若幹孔(kong)),采用CFD數值(zhi)模拟預測(ce)了其内部(bu)流場,并研(yan)究了孔數(shu)量對多孔(kong)孔闆❤️流量(liang)計流場特(te)性的影響(xiang)規律[920但數(shu)值👅模拟隻(zhi)能爲研究(jiu)提供方向(xiang)性的指導(dao)，并不能很(hen)好的指導(dao)實🚶‍♀️際生産(chan)。本文基于(yu)數值模拟(ni)結果搭建(jian)對稱多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji)實流标校(xiao)試驗平台(tai),對其計量(liang)性能進行(hang)試驗研究(jiu)，檢🧡驗了CFD設(she)計成果的(de)有效性,并(bing)對新型流(liu)🈲量計進行(hang)了标定。
1多(duo)孔孔闆流(liu)量計
　　課題(ti)組提出并(bing)設計的多(duo)孔孔闆流(liu)量計結合(he)了多☂️孔整(zheng)流器和标(biao)準孔闆的(de)測量原理(li),基本結構(gou)爲在節流(liu)闆中心一(yi)個圓🏃🏻‍♂️孔的(de)基礎上,對(dui)稱分布數(shu)量不等的(de)圓孔,如圖(tu)1所示,均勻(yun)分布的圓(yuan)孔的總面(mian)積和标準(zhun)孔闆的開(kai)孔面積相(xiang)等。流✊量計(ji)整體結構(gou)如圖2所示(shi)。

　　多(duo)孔孔闆流(liu)量計的測(ce)量原理是(shi)以能量守(shou)恒定律和(he)質量守恒(heng)定律爲基(ji)礎的,即在(zai)流量檢測(ce)時,所測介(jie)質🍓流過圓(yuan)孔🌐的同時(shi)進行流體(ti)整流，減小(xiao)節流裝置(zhi)後形成的(de)渦流,形成(cheng)較穩定🎯的(de)紊流(近似(si)理想流體(ti)),從而獲得(de)穩定的差(cha)壓信号,根(gen)據伯努利(li)方程計算(suan)出流體的(de)流量:

式中(zhong):Q爲介質流(liu)量;K爲儀表(biao)系數;Y爲膨(peng)脹系數;△p爲(wei)差壓值(Pa);ρ爲(wei)介質工況(kuang)密度。
2數值(zhi)模拟
　　針對(dui)設計的對(dui)稱多孔孔(kong)闆差壓式(shi)流量計,分(fen)别對開孔(kong)數量🔴爲1.4、5.7(孔(kong)的分布位(wei)置如圖3所(suo)示,參數如(ru)表1所🏒示)的(de)流量計采(cai)用CFD數值模(mo)拟技術分(fen)析了其内(nei)部流場情(qing)況,如圖4所(suo)示，研究了(le)孔數量對(dui)多孔孔闆(pan)流量🍓計流(liu)場特💁性的(de)影響規律(lü),得出對稱(cheng)多孔孔闆(pan)差壓🥰式流(liu)量計具🐉有(you)可降低節(jie)流件前後(hou)渦流、快速(su)平衡内部(bu)流場(前後(hou)🌈直管段要(yao)求:前1D~3D,後0.5D~1D,其(qi)中D爲通流(liu)直徑)、提高(gao)測量💃精度(du)、降低壓力(li)損失、适應(ying)性更好的(de)優點❄️，随着(zhe)孔數量的(de)增加壓力(li)損失逐漸(jian)降低、流出(chu)系數🌍提高(gao)的結論。
3試(shi)驗标校平(ping)台的組成(cheng)
　　爲了驗證(zheng)數值模拟(ni)的正确性(xing),搭建對稱(cheng)多孔孔闆(pan)差壓式⛷️流(liu)量計試驗(yan)标校平台(tai),由對稱多(duo)孔孔闆差(cha)壓式流量(liang)計、截止閥(fa)、 差壓變送(song)器 、流量調(diao)節閥、 電磁(ci)流量計 、水(shui)泵和水槽(cao)及管路系(xi)統組成,如(ru)圖5所示,其(qi)中對稱多(duo)孔孔闆🌍差(cha)壓式流量(liang)計和電磁(ci)流量計與(yu)試驗管🔴道(dao)均通過法(fa)蘭連接。試(shi)驗❄️過程中(zhong),流量計工(gong)裝示意圖(tu)如圖6所示(shi)。
　　工作原理(li)如下:通過(guo)試驗管路(lu)變頻調速(su)水泵及上(shang)遊側👌流量(liang)調節閥開(kai)度的适當(dang)調節,獲得(de)流速0~7m/s連續(xu)🈲可調的流(liu)體介質,并(bing)采用高精(jing)度電磁流(liu)量計(作爲(wei)标準器具(ju),精度+0.2%R)測量(liang)實際流量(liang)(流速),利用(yong)高準.确度(du)差壓變送(song)器(EJA110E系列、量(liang)😘程0~100kPa、精度+0.065%FS)測(ce)量壓差值(zhi)🍉及壓力損(sun)失值。
　　爲了(le)與數值模(mo)拟結果進(jin)行比較,相(xiang)應設置保(bao)持一緻㊙️性(xing):介質🌍采用(yong)水(環境溫(wen)度5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大(da)氣壓力86kPa~106kPa,流(liu)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(yuan)件上下側(ce)直管段長(zhang)度約爲5m,充(chong)分保證了(le)多孔平衡(heng)流量計測(ce)量中對前(qian)後直管段(duan)研究👈的要(yao)求),取壓方(fang)式爲法蘭(lan)取壓(上下(xia)遊取🌍壓孔(kong)軸線♻️距離(li)多孔流量(liang)計節流件(jian)上下遊端(duan)面均爲25.4+0.5mm)。其(qi)他參數爲(wei)介質水密(mi)度ρ=998.403kg/m3、動力粘(zhan)度1.0mPa.s、流💘東膨(peng)脹系數e=1。實(shi)流試☎️驗現(xian)場如圖7所(suo)示♻️，試驗用(yong)對稱多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji)如圖8所示(shi)。

4試驗結果(guo)分析
　　按要(yao)求搭建試(shi)驗标校平(ping)台,進行實(shi)流試驗,獲(huo)得流量計(ji)試驗的🍉差(cha)壓與壓力(li)損失值,如(ru)表2所示，并(bing)與數值模(mo)拟結👅果進(jin)行對🌐比,爲(wei)🏒了更爲直(zhi)觀和分析(xi)的方便,将(jiang)不同開口(kou)數量流量(liang)計的壓力(li)損失值繪(hui)制成曲線(xian),如圖🐅9所示(shi)。

　　由圖(tu)9可以看出(chu)，對稱多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji)的壓力😄損(sun)失比🏃‍♂️标準(zhun)孔闆流量(liang)計的要小(xiao)一些，并且(qie)随着孔數(shu)的增加壓(ya)力損失呈(cheng)現逐漸減(jian)小的趨勢(shi)。
　　流出系數(shu)是評價節(jie)流式儀表(biao)性能的最(zui)重要參數(shu)之

　　爲實際(ji)流量與理(li)論流量的(de)比值,是統(tong)計量,受設(she)計🌈、制造、安(an)💃裝及使用(yong)條件的影(ying)響。根據不(bu)可壓縮流(liu)體的連續(xu)性方程和(he)伯努利方(fang)程,定常流(liu)體的體積(ji)流量爲:


注(zhu):每點标準(zhun)表數值Q、差(cha)壓值△P、壓損(sun)值δ記錄3次(ci),爲了節⛷️省(sheng)篇幅,取其(qi)平均值進(jin)行表格相(xiang)應欄的填(tian)寫
　　式中:C爲(wei)流出系數(shu),無量綱;β爲(wei)等效直徑(jing)比，無量綱(gang)(β2=A0/A,其中A0爲孔(kong)闆節✌️流孔(kong)開孔面積(ji),A爲管道截(jie)面面積);d爲(wei)孔闆節⛷️流(liu)孔等效直(zhi)徑;△p爲壓差(cha);q,爲體積流(liu)量;ρ爲流體(ti)介⁉️質密度(du)。
依據式(2)，确(que)定流出系(xi)數C的數值(zhi):

　　結合實驗(yan)數據和式(shi)(3)得不同開(kai)口數量流(liu)量計的流(liu)出🌈系✉️數,如(ru)表🚩3所示,爲(wei)了與數值(zhi)模拟結果(guo)進行直觀(guan)對比，将不(bu)同開口數(shu)🔞量流量計(ji)的流出系(xi)數繪制成(cheng)曲線,如圖(tu)10所示。
　　由圖(tu)10可以看出(chu),對稱多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji)的流出系(xi)數☎️比🈚标準(zhun)孔闆流量(liang)計的要大(da)一些(對于(yu)标準♋孔闆(pan),其試驗範(fan)🌐圍内流出(chu)系數平均(jun)值爲0.6140,對于(yu)多孔孔闆(pan)流量計其(qi)🎯試驗範圍(wei)内流出系(xi)數平均值(zhi)爲4孔孔闆(pan)0.6221、

5孔孔闆0.6268.7孔(kong)孔闆0.6346),随着(zhe)孔數增加(jia)流出系數(shu)呈現逐漸(jian)增大的❌趨(qu)勢。
　　結合圖(tu)9和10,試驗結(jie)果和數值(zhi)模拟計算(suan)的結果相(xiang)比,壓力損(sun)失與❗流出(chu)系數的變(bian)化趨勢完(wan)全一緻,但(dan)在數值‼️上(shang)存在一定(ding)偏差,誤差(cha)在8%。
流出系(xi)數的系統(tong)誤差e爲:

　　式(shi)中:C0爲理論(lun)流出系數(shu)，計算方法(fa)依據國際(ji)标準IS05167--2003的規(gui)定🔴;Ci爲實際(ji)流出系數(shu)的平均值(zhi)。
　　若忽略管(guan)道制造和(he)安裝誤差(cha)以及溫度(du)、流體密度(du)的☔影💘響,依(yi)據式(3)可以(yi)得到:

　　對于(yu)電磁流量(liang)計(标準表(biao))精度爲0.2級(ji),EJA110E高精度壓(ya)差傳感器(qi)(變送器📧)的(de)精度爲+0.065%,經(jing)計算,流出(chu)系數的不(bu)确定度爲(wei)4孔+0.467%、5孔士.0.439%.7孔(kong)+0.446%,即流出系(xi)數的誤差(cha)均不超過(guo)士0.5%,由此并(bing)基于流出(chu)系數定義(yi)可見🚩流量(liang)計的計量(liang)精度爲0.5%。
5結(jie)論
　　本文對(dui)多孔孔闆(pan)差壓式流(liu)量計進行(hang)了實流試(shi)驗,分析了(le)标☔準🌈孔闆(pan)與對稱多(duo)孔孔闆流(liu)量計的計(ji)量性能并(bing)與♍數值模(mo)拟結果進(jin)行對比,結(jie)論如下。
1)實(shi)流試驗結(jie)果與CFD數值(zhi)模拟結果(guo)在趨勢上(shang)體現出♻️完(wan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼全的一🔞緻(zhi)性,但在數(shu)值上存在(zai)一定的偏(pian)差,因此CFD計(ji)算💋結果🐇并(bing)不能完全(quan)代替試驗(yan)研究的成(cheng)果。但是這(zhe)種偏💁差并(bing)不是很大(da)，作爲工程(cheng)上的🥵估算(suan)其精度能(neng)夠滿足要(yao)求。
2)通過對(dui)稱多孔孔(kong)闆差壓式(shi)流量計的(de)實流标定(ding),結果顯示(shi)流出系數(shu)C相對于标(biao)準孔闆流(liu)量計有較(jiao)大的提高(gao),量程範♊圍(wei)大✉️大拓寬(kuan),是一種可(ke)以應用于(yu)實際測量(liang)的新型流(liu)量計産品(pin)。具體性能(neng)指标如下(xia):精度+0.5%;前後(hou)直管段要(yao)求爲前1D~3D,後(hou)0.5D~1D。
3)對稱多孔(kong)孔闆差壓(ya)式流量計(ji)具有壓力(li)損失小、流(liu)✍️出系數高(gao)、适應性好(hao)等特點，完(wan)全可以直(zhi)接應用于(yu)工程中目(mu)前該流量(liang)計已經在(zai)市場得到(dao)應用,一定(ding)程度上拓(tuo)寬了其應(ying)用範圍

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