摘要(yao):針對孔闆(pan)流量計 測(ce)量精度及(ji)節能降耗(hao)的要求，對(dui)5種結構的(de)單孔闆進(jin)行了數值(zhi)🈚模拟研究(jiu)。進行了數(shu)值模拟與(yu)标準孔闆(pan)實驗比對(dui),對模拟方(fang)法的可靠(kao)性進行了(le)驗證，在此(ci)基礎上進(jin)一步完成(cheng)了5種結構(gou)10組流速下(xia)的數值研(yan)究。通過速(su)度矢量圖(tu)得出孔口(kou)後流态♈的(de)變化;計算(suan)流量系數(shu)，得出流量(liang)系數與雷(lei)諾數關系(xi)曲線、軸🌈線(xian)距離與壓(ya)♈力關系圖(tu)、壓差與雷(lei)諾數關系(xi)圖。結果表(biao)明,5種孔闆(pan)中外凹型(xing)孔闆流量(liang)計II因爲闆(pan)前緩沖段(duan)🈲較爲理想(xiang),對流體起(qi)到了整流(liu)的作用，減(jian)弱了闆✨前(qian)流體死區(qu)的形成和(he)闆後渦流(liu)的形成,降(jiang)低了孔闆(pan)流量計的(de)壓力損失(shi),且流量系(xi)數大,随雷(lei)諾數增大(da)壓差增大(da)緩慢,壓力(li)恢複快。
　　孔(kong)闆流量計(ji)是常見的(de)測流量裝(zhuang)置，以連續(xu)性方程和(he)🔞伯努✍️利方(fang)程爲理論(lun)基礎。流體(ti)在通過節(jie)流元件時(shi),由于流通(tong)面積的⛱️突(tu)然收縮促(cu)使流體加(jia)速，産生節(jie)流效應,使(shi)孔闆前後(hou)産生壓差(cha),通過測量(liang)壓差從而(er)計算出管(guan)道中的流(liu)量。節流元(yuan)件的尺☔寸(cun)和結構的(de)不同,會導(dao)緻測量精(jing)度、測量壓(ya)力、管☂️徑範(fan)圍及流🌈量(liang)系數随雷(lei)諾數變化(hua)關系的👄差(cha)異。選擇或(huo)者設計出(chu)較爲理想(xiang)的孔💔闆流(liu)量計,是計(ji)量行業發(fa)展的需要(yao)。采用數值(zhi)模拟分析(xi)研究管内(nei)孔闆類節(jie)流元件的(de)相關流場(chang)已有數十(shi)年的曆🤩史(shi),采用ANSYSFluent軟件(jian),選擇5種标(biao)準及非标(biao)準孔闆作(zuo)爲對象,爲(wei)非标準孔(kong)闆流量♍計(ji)的與發展(zhan)提供一定(ding)依據。
1研究(jiu)模型
1.1幾何(he)模型
　　模拟(ni)5種不同孔(kong)闆形狀的(de)孔闆流量(liang)計，見圖1。
　　5種(zhong)孔闆均按(an)照ISO5167國際标(biao)準，确定孔(kong)闆尺寸。根(gen)據相關規(gui)🆚定⭕,孔‼️闆節(jie)流元件的(de)孔徑與孔(kong)闆通徑比(bi)值d/D=0.2~0.8;最小🥰孔(kong)徑dmin≥12.5mm;直孔部(bu)分厚度h=(0.005~0.02)D;總(zong)厚度H<0.05D這5種(zhong)孔闆公稱(cheng)通徑D=40mm,節流(liu)元件的孔(kong)徑☀️d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流量系(xi)數計算模(mo)型
　　計算每(mei)個孔闆流(liu)量計對應(ying)的流量系(xi)數見公式(shi)(1)
 
　　式中:qm爲流(liu)體的質量(liang)流量,kg/s;A0爲孔(kong)口截面積(ji),m2;p爲流體密(mi)度,kg/m3;△p爲孔口(kou)兩側壓差(cha),Pa。
2模型驗證(zheng)及數值模(mo)拟
2.1實驗驗(yan)證過程
　　爲(wei)了确保數(shu)值模拟過(guo)程設置正(zheng)确,将模拟(ni)結果與實(shi)驗值進行(hang)了比對實(shi)驗采用裝(zhuang)置見圖2。
 
　　水(shui)由離心泵(beng)從水箱抽(chou)出後,經過(guo)孔闆流量(liang)計，通過🍓彎(wan)管再流❤️回(hui)水箱。其中(zhong)孔闆流量(liang)計爲标準(zhun)型，管道内(nei)徑40mm,孔闆口(kou)徑35mm,孔闆厚(hou)度5mm。在不同(tong)的閥門開(kai)度下,測試(shi)孔闆流量(liang)計壓差,計(ji)算流量🚶‍♀️及(ji)流量計流(liu)量系數。實(shi)驗、模拟結(jie)果對比見(jian)圖3。
 
　　由圖3可(ke)知，模拟與(yu)實驗吻合(he),對模拟方(fang)法的可靠(kao)性進行了(le)驗證.。
2.2數值(zhi)模拟設置(zhi)
　　由于孔闆(pan)流量計的(de)軸對稱特(te)性，流體在(zai)經過孔闆(pan)流💞量計時(shi)✉️也是對稱(cheng)的,因此選(xuan)用1/2實體及(ji)對稱面結(jie)構。應用“mesh”進(jin)行模拟實(shi)體的網格(ge)劃分，見圖(tu)4。
 
　　由于孔闆(pan)流量計結(jie)構簡單,因(yin)此在劃分(fen)網格時隻(zhi)需在節流(liu)元件處既(ji)縮口處進(jin)行網格的(de)加密。該模(mo)拟中采用(yong)的介💋質爲(wei)⛹🏻‍♀️20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作(zuo)壓力爲标(biao)準大氣壓(ya)。采用3D求解(jie)器，湍流方(fang)程用“标準(zhun)k-epsilon”方程;選用(yong)速度進口(kou)和壓力出(chu)口邊界條(tiao)件,進行叠(die)代求解計(ji)算。
　　在模拟(ni)過程中取(qu)闆前2D、闆後(hou)5D,即闆前80mm、闆(pan)後200mm爲計算(suan)域。5種孔闆(pan)⚽設定10個統(tong)一的進口(kou)流速,分别(bie)爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的(de)雷諾數值(zhi)分别爲7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結(jie)果與讨論(lun)
　　以ʋ=0.2m/s時孔闆(pan)的模拟結(jie)果爲例,各(ge)孔闆流量(liang)計的速度(du)矢量雲圖(tu)見圖5.
 
 
 
　　由圖(tu)5可知，流體(ti)在經過闆(pan)前區域時(shi)流道急劇(ju)收縮，速度(du)增✂️大。其中(zhong)标準孔闆(pan)I所形成的(de)孔後大速(su)度值高,爲(wei)1.2m/s;外凸型孔(kong)🐆闆川I、加厚(hou)型孔闆IV次(ci)之,約爲1m/s;外(wai)凹型孔闆(pan)I1和✂️直邊型(xing)孔闆V較小(xiao),分别爲0.88和(he)0.74m/s。外凸型孔(kong)闆II低流速(su)較大👉，直邊(bian)型孔💛闆V次(ci)之,其🍉餘均(jun)基本相等(deng)。經過👌孔口(kou)後部分流(liu)體流動方(fang)向發生改(gai)變,産生了(le)一定的渦(wo)流區域🍓，形(xing)成湍流,孔(kong)闆的.結構(gou)不同造成(cheng)的旋渦湍(tuan)流區域形(xing)狀及發展(zhan)長度也明(ming)顯不同。标(biao)準孔🍓闆I湍(tuan)流區較寬(kuan),湍流長度(du)較長。外凹(ao)型🤟孔闆II湍(tuan)流段較短(duan),流場爲整(zheng)齊,從而也(ye)推測出其(qi)節流損失(shi)小。
　　對5種孔(kong)闆進行了(le)進一步的(de)數據采集(ji),保持孔闆(pan)的直徑比(bi)不改變。由(you)流量分别(bie)計算對應(ying)的雷諾數(shu),采集每個(ge)孔闆每✊個(ge)流🥵速所對(dui)應的闆前(qian)D、闆後D/2取壓(ya)點所在平(ping)面的平均(jun)壓力，即闆(pan)前40mm、闆後20mm計(ji)算壓差,并(bing)根據公式(shi)(1)計算出每(mei)個💛孔闆對(dui)應的流量(liang)系✏️數,得到(dao)流量系數(shu)與雷✌️諾數(shu)關系曲線(xian)圖見圖6。
 
　　由(you)圖6可知,雷(lei)諾數的變(bian)化對流量(liang)系數影響(xiang)不大,說明(ming)這幾🐆種孔(kong)闆都具有(you)良好的穩(wen)定性。外凹(ao)型孔闆‼️II的(de)流量系數(shu)比其他4種(zhong)大，标準孔(kong)闆I小;加厚(hou)型孔闆IV的(de)流量系數(shu)曲線在較(jiao)🈲大及較小(xiao)雷諾💋數時(shi)變化明💰顯(xian),因此該類(lei)型穩定性(xing)稍差;直邊(bian)型孔闆V穩(wen)定性好🔞。
　　沿(yan)軸向的距(ju)離L與壓力(li)的關系見(jian)圖7。
 
　　由圖7可(ke)知，幾種孔(kong)闆壓降位(wei)置、壓降大(da)小及壓力(li)恢💰複性不(bu)同。加厚型(xing)孔闆IV的壓(ya)降位置靠(kao)前,直邊型(xing)孔闆V靠‼️後(hou),其餘三者(zhe)基本接近(jin);标準孔闆(pan)I的壓降大(da),外凹型孔(kong)🔴闆II壓降小(xiao);外凹型孔(kong)闆❗II的壓力(li)㊙️恢複快。
　　壓(ya)差△p與雷諾(nuo)數的關系(xi)曲線見圖(tu)8。
 
　　由圖8可知(zhi)，幾種孔闆(pan)壓差△p随着(zhe)雷諾數的(de)增大而增(zeng)📞大,增加趨(qu)♍勢基本相(xiang)同,其中标(biao)準孔闆I增(zeng)加快大,外(wai)凹型✍️孔闆(pan)II增大緩慢(man)。
4結論
　　通過(guo)流場模拟(ni)雲圖、流量(liang)系數與雷(lei)諾數的曲(qu)線關系、中(zhong)心軸♻️線壓(ya)力分布曲(qu)線、壓差△p與(yu)雷諾數的(de)曲線關系(xi)的分析可(ke)以得😍出,5種(zhong)❄️孔闆中外(wai)凹型孔闆(pan)流量計II因(yin)爲闆前緩(huan)沖段較爲(wei)理想,對流(liu)體起到了(le)整流🌐的作(zuo)用,減🌈弱了(le)闆前🔞流體(ti)死區的形(xing)成和闆後(hou)渦流的形(xing)成,降低了(le)孔闆流量(liang)計的壓力(li).損失。且流(liu)量系數大(da),随雷諾數(shu)增大壓差(cha)增大緩慢(man),壓力恢複(fu)快，是5個類(lei)型中性能(neng)較好的一(yi)種。在進行(hang)單孔闆流(liu)量計📱的🏃設(she)計時，不但(dan)要滿足直(zhi)徑比,還應(ying)該考🔞慮孔(kong)闆的❤️厚度(du)和孔闆闆(pan)前的過渡(du)段。孔闆的(de)厚度不宜(yi)太薄也不(bu)宜過厚,過(guo)渡段對流(liu)🤟體要能進(jin)行整合,使(shi)流體🌈盡可(ke)能緩和的(de)流人。在孔(kong)闆的設計(ji)及使用中(zhong),應結⛱️合實(shi)際情況,應(ying)用合适尺(chi)寸類型的(de)孔闆，确保(bao)流量☂️系數(shu)穩定💋,并降(jiang)低壓力損(sun)失,保證🏃‍♂️流(liu)場穩✊定,進(jin)而提高孔(kong)闆流量計(ji)的質量和(he)測量的精(jing)度。

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