摘要(yao):因多種(zhong)工況條(tiao)件無法(fa)滿足測(ce)量精度(du)要求，傳(chuan)統 差壓(ya)式流量(liang)計 應用(yong)範圍受(shou)到一定(ding)限制。基(ji)于多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhun)孔闆的(de)👨‍❤️‍👨流🈲量測(ce)量原理(li)，提出一(yi)種對稱(cheng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流量(liang)計 的設(she)計方法(fa)。然後對(dui)該流量(liang)計進行(hang)計算流(liu)體動力(li)學(CFD)數值(zhi)計算與(yu)仿真分(fen)析，結果(guo)表明多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)測量精(jing)度較标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)提高1倍(bei)以上，永(yong)久壓力(li)損失減(jian)小🚶約1/3。最(zui)後進行(hang)實流試(shi)驗，試驗(yan)結果表(biao)明🌈，多孔(kong)孔闆流(liu)量計比(bi)常規标(biao)準孔闆(pan)節流裝(zhuang)置具有(you)明⭕顯的(de)優勢，其(qi)适應性(xing)更好。此(ci)設計方(fang)法可爲(wei)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的結(jie)構👅設計(ji)和性能(neng)優化提(ti)供參考(kao)。
0引言
　　流(liu)量計量(liang)是計量(liang)科學技(ji)術的重(zhong)要組成(cheng)部分，廣(guang)泛應用(yong)于農業(ye)🏃生産、石(shi)油石化(hua)、科學研(yan)究、國防(fang)建設以(yi)及人民(min)生活的(de)諸多領(ling)域。尤其(qi)在能源(yuan)危機的(de)後經濟(ji)時代，流(liu)量計量(liang)的重要(yao)性日益(yi)突出。相(xiang)比其它(ta)流量計(ji)，傳統差(cha)壓式流(liu)量計因(yin)結構簡(jian)單、成本(ben)低、重複(fu)性好、标(biao)準化程(cheng)度高等(deng)特♋點得(de)到廣泛(fan)應用，但(dan)隻有在(zai)符合标(biao)準要求(qiu)的技術(shu)條件😍下(xia)，才能準(zhun)确地測(ce)量流量(liang)。然而，工(gong)程實際(ji)應用中(zhong)，很多工(gong)💋況條件(jian)不能滿(man)⭕足上述(shu)要求，從(cong)而無👉法(fa)達到所(suo)需要的(de)測量精(jing)度(雷諾(nuo)數低于(yu)标準中(zhong)推薦的(de)雷諾數(shu)範圍、測(ce)量介☁️質(zhi)中混有(you)泥沙等(deng))進而限(xian)制了其(qi)應用範(fan)圍。
　　爲了(le)改善上(shang)述缺點(dian)，非标準(zhun)差壓式(shi)流量計(ji)得到快(kuai)速發展(zhan)和進一(yi)步的應(ying)用。基于(yu)差壓原(yuan)理的多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)不但繼(ji)承了标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)的結構(gou)簡單、無(wu)運動部(bu)件等優(you)點❗，且能(neng)夠平衡(heng)調整流(liu)場，明顯(xian)減少渦(wo)流、降低(di)死區效(xiao)應、減少(shao)🌈流體動(dong)能的損(sun)失，是💃🏻目(mu)前應用(yong)最爲廣(guang)泛的一(yi)種非标(biao)準差壓(ya)式流量(liang)計。但在(zai)國内，多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)的相關(guan)核心技(ji)術🏃🏻研究(jiu)相對較(jiao)少，實際(ji)應用中(zhong)要根據(ju)不同測(ce)量條件(jian)來設計(ji)流量計(ji)，缺乏完(wan)整的結(jie)構參數(shu)設計和(he)性能優(you)化設計(ji)準則的(de)指導，在(zai)一定程(cheng)度上遠(yuan)未達到(dao)用戶之(zhi)首選。
　　綜(zong)上所述(shu)，針對多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)的結構(gou)設計和(he)性⭐能優(you)⭐化國内(nei)🌈已有一(yi)些研究(jiu)，但缺乏(fa)統一的(de)設計準(zhun)則，不利(li)于工程(cheng)應用。
　　結(jie)合多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhun)孔闆聯(lian)合使用(yong)的測量(liang)原理🍉，提(ti)出一🆚種(zhong)對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)的設計(ji)方法，采(cai)用計算(suan)流體動(dong)力學(CFD)技(ji)術進行(hang)數值計(ji)算與仿(pang)真分析(xi)。與标🌈準(zhun)孔闆⁉️對(dui)比分析(xi)其流出(chu)系數及(ji)永久壓(ya)力損失(shi)等性能(neng)指标，分(fen)析結果(guo)說明⛱️了(le)其優越(yue)性。最後(hou)通過🌏實(shi)流實驗(yan)驗證了(le)設計的(de)合理性(xing)。此設計(ji)方法可(ke)爲多孔(kong)孔闆流(liu)量計的(de)結構設(she)計和性(xing)能優化(hua)提供一(yi)定的參(can)考。
1多孔(kong)孔闆流(liu)量計
　　 标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji) 是使用(yong)最早、應(ying)用最廣(guang)泛的一(yi)種差壓(ya)式流量(liang)計，具有(you)結🙇‍♀️構簡(jian)單、測量(liang)精度高(gao)等特點(dian)。其測量(liang)原理爲(wei)對于充(chong)滿管道(dao)的流體(ti)☔，當它流(liu)經管道(dao)内的節(jie)流件時(shi)，流體介(jie)質将會(hui)在節流(liu)🚶‍♀️件處形(xing)成局部(bu)收縮，因(yin)而流速(su)增加，靜(jing)壓力降(jiang)低，于是(shi)在節流(liu)件前後(hou)便産生(sheng)了一定(ding)的壓差(cha)。流體流(liu)量愈大(da)，産生的(de)壓差愈(yu)大，這樣(yang)🍉可依據(ju)壓差🔴來(lai)衡量流(liu)量的大(da)小。根據(ju)不可壓(ya)縮流體(ti)的連續(xu)性方程(cheng)和伯努(nu)利方程(cheng)，定常流(liu)體的體(ti)積流量(liang)可以通(tong)過如下(xia)公式表(biao)示［8］:

　　式中(zhong):C爲流出(chu)系數，無(wu)量綱;β爲(wei)等效直(zhi)徑比，無(wu)量綱;D爲(wei)✊孔闆🈲直(zhi)🚶徑;Δp爲壓(ya)差，單位(wei)爲Pa;qv爲體(ti)積流量(liang)，單位爲(wei)m3/s;ρ爲流體(ti)介質密(mi)度。
　　多孔(kong)孔闆流(liu)量計具(ju)有對稱(cheng)多孔結(jie)構，是目(mu)前最先(xian)進的差(cha)🏃壓式流(liu)量計之(zhi)一。相比(bi)傳統差(cha)壓式流(liu)量計，不(bu)僅結構(gou)簡單、安(an)全可靠(kao)、适用面(mian)廣，還具(ju)有精度(du)高、直管(guan)段🎯要求(qiu)低、量程(cheng)比寬、永(yong)久壓損(sun)小等優(you)點。
　　多孔(kong)孔闆流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理基于(yu)能量守(shou)恒定律(lü)和質❤️量(liang)守恒定(ding)律。流量(liang)檢測時(shi)，所測介(jie)質在通(tong)過多孔(kong)節流整(zheng)流器的(de)同時進(jin)行流體(ti)整流，減(jian)小節流(liu)裝置後(hou)形成的(de)渦流，形(xing)成較穩(wen)定的紊(wen)流✌️，從而(er)使引壓(ya)✏️管路能(neng)夠獲取(qu)到較穩(wen)定的差(cha)壓信号(hao)，并進一(yi)步通過(guo)伯努利(li)方⛷️程計(ji)算得出(chu)工藝所(suo)需體積(ji)流量、質(zhi)量流量(liang)等參數(shu)［11-26］。
2對稱多(duo)孔孔闆(pan)差壓式(shi)流量計(ji)結構設(she)計
　　在工(gong)程實際(ji)應用中(zhong)，每個多(duo)孔流量(liang)計都要(yao)根據不(bu)同測量(liang)條件來(lai)設計，其(qi)開孔面(mian)積、節流(liu)孔的大(da)小、節流(liu)孔的具(ju)體形狀(zhuang)、節🔴流孔(kong)⛱️個數及(ji)排列方(fang)式等結(jie)構參數(shu)均會對(dui)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的性(xing)能産生(sheng)影響。由(you)于缺乏(fa)完整的(de)結構參(can)數設計(ji)和性能(neng)優化設(she)計準則(ze)的指導(dao)，在一定(ding)程度上(shang)🐅限制了(le)其應用(yong)範圍。對(dui)于不同(tong)的測量(liang)函數孔(kong)的數量(liang)、如何分(fen)布函數(shu)孔❤️以及(ji)函數孔(kong)的結構(gou)等🈲無疑(yi)是最主(zhu)要的設(she)計參數(shu)，目前還(hai)沒有統(tong)一的标(biao)準♌。
　　結合(he)多孔整(zheng)流器和(he)标準孔(kong)闆的測(ce)量原理(li)，提出并(bing)🌈設計💋流(liu)✨量計的(de)孔闆結(jie)構爲在(zai)節流闆(pan)中心一(yi)個圓孔(kong)的基礎(chu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼上，對稱(cheng)分布數(shu)量不等(deng)的圓孔(kong)，如圖1所(suo)示，均勻(yun)分布的(de)圓孔的(de)總的面(mian)積和标(biao)準💞孔闆(pan)的面積(ji)相等。

　　當介(jie)質流過(guo)圓孔時(shi)，流體被(bei)平衡調(diao)整，渦流(liu)被最小(xiao)化，形成(cheng)近似理(li)想流體(ti)，通過取(qu)壓裝置(zhi)和變送(song)器，可獲(huo)得穩定(ding)的差✏️壓(ya)信号，根(gen)據伯努(nu)利方程(cheng)計算出(chu)流體的(de)流量:

　　式(shi)中:Q爲介(jie)質流量(liang)，單位爲(wei)m3/h;K爲儀表(biao)系數;Y爲(wei)膨脹系(xi)數;Δp爲差(cha)🈲壓值☀️，單(dan)位爲Pa;ρ爲(wei)介質工(gong)況密度(du)，單位爲(wei)kg/m3。
　　基于以(yi)上對稱(cheng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流量(liang)計結構(gou)設計的(de)方法，以(yi)孔闆管(guan)徑80mm、等效(xiao)直徑比(bi)0.45、測量介(jie)質爲常(chang)溫水的(de)條件進(jin)行研究(jiu)。首先建(jian)立多孔(kong)孔闆流(liu)量計的(de)計算模(mo)型，如圖(tu)☎️2所示。參(can)照流量(liang)測量節(jie)流裝置(zhi)設計手(shou)冊建立(li)流量計(ji)的幾何(he)尺寸，在(zai)流量計(ji)測量的(de)上☁️下遊(you)部分設(she)計有一(yi)定的直(zhi)管段來(lai)确保流(liu)量計在(zai)測量的(de)時候流(liu)體的流(liu)場處于(yu)一種均(jun)勻穩定(ding)的狀态(tai)并使因(yin)節流而(er)被破壞(huai)的流場(chang)能夠恢(hui)複到節(jie)流前的(de)狀态。

3多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)
　　依據流(liu)量計的(de)設計尺(chi)寸，在Creo3.0中(zhong)建立其(qi)三維計(ji)算模型(xing)，取闆前(qian)4D、闆🏃🏻‍♂️後8D的(de)流場區(qu)域作爲(wei)計算域(yu)，并将其(qi)導入ICEM專(zhuan)用劃⁉️分(fen)網格軟(ruan)件中進(jin)行網格(ge)劃分，網(wang)格的劃(hua)⭕分采用(yong)全六面(mian)體結構(gou)化網格(ge)的劃分(fen)方法，對(dui)計算域(yu)進行局(ju)部加密(mi)以保證(zheng)計算精(jing)度，網格(ge)劃分結(jie)果如圖(tu)3所示。

　　由于(yu)多孔孔(kong)闆流量(liang)計的流(liu)場情況(kuang)較爲複(fu)雜，對湍(tuan)流模型(xing)🌈的要求(qiu)較高，本(ben)文采用(yong)工程上(shang)常用的(de)Standardk－ε湍流模(mo)型🈲，其方(fang)程式表(biao)述如下(xia)［15］:

　　式中:k是(shi)湍流動(dong)能;ε是湍(tuan)流耗散(san)率;ρ是流(liu)體密度(du);μ是流速(su);μt是湍流(liu)粘度;Gk是(shi)由層流(liu)速度梯(ti)度而産(chan)生的湍(tuan)流動能(neng);Gb是由浮(fu)力産生(sheng)的湍㊙️流(liu)動能。C1ε、C2ε、C3ε是(shi)常量，分(fen)别爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是(shi)k方程和(he)ε方程的(de)湍流prandtl數(shu)，分别爲(wei)σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入(ru)口條件(jian)爲速度(du)入口(velocity-inlet)，出(chu)口爲自(zi)由發展(zhan)出流(outflow)，以(yi)各項參(can)數的殘(can)差小于(yu)0.00001爲收斂(lian)标準，分(fen)别計算(suan)0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等幾種(zhong)👉入口🛀🏻流(liu)速下流(liu)量計☔的(de)流場特(te)性。文中(zhong)給出幾(ji)種典型(xing)流速條(tiao)件下的(de)計算結(jie)😄果，如圖(tu)4所示。


　　由圖4可(ke)以看出(chu)，入口流(liu)速在0.2～7m/s時(shi)多孔孔(kong)闆流量(liang)計下遊(you)速度彙(hui)聚🌂趨勢(shi)明顯，相(xiang)比于标(biao)準孔闆(pan)其壁面(mian)回🎯流區(qu)較小，但(dan)随入口(kou)🤟流速✌️不(bu)斷增大(da)回流區(qu)長度随(sui)之增大(da)🔞，變化範(fan)圍爲0.5D～1.2D。由(you)🐇此可見(jian)，多孔孔(kong)闆流量(liang)計尾流(liu)流場能(neng)✍️夠快速(su)進入穩(wen)定狀态(tai)。闆前死(si)區較小(xiao)，且💞随流(liu)速增大(da)而逐漸(jian)增大。
　　通(tong)過Fluent求解(jie)計算獲(huo)得孔闆(pan)前後的(de)差壓值(zhi)，進而得(de)到🆚流量(liang)計的🤩永(yong)久壓力(li)損失。取(qu)壓口設(she)置爲上(shang)下遊取(qu)壓口距(ju)離孔闆(pan)上下遊(you)端面的(de)距離爲(wei)0.04m，通過在(zai)Fluent中定義(yi)相應取(qu)壓面，分(fen)别求取(qu)上下遊(you)取壓面(mian)的平均(jun)壓力值(zhi)，獲得🈚壓(ya)差值和(he)永久壓(ya)力損失(shi)值如下(xia)表1所示(shi)🔆。不同入(ru)口流速(su)下，标準(zhun)孔🌈闆流(liu)量計和(he)多孔孔(kong)闆流💰量(liang)計的永(yong)久壓力(li)損失的(de)對比情(qing)況如表(biao)1和圖5所(suo)示🔴。

　　由表(biao)1和圖5可(ke)以看出(chu)，随着入(ru)口流速(su)的不斷(duan)增大，多(duo)🏃‍♀️孔孔闆(pan)流量計(ji)的永久(jiu)壓力損(sun)失呈逐(zhu)漸增大(da)的趨👄勢(shi);相比于(yu)标準孔(kong)闆流量(liang)計，由于(yu)渦流的(de)減少，多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)具🈲有更(geng)小的永(yong)久壓力(li)損失，永(yong)久壓力(li)損失較(jiao)标準孔(kong)闆節流(liu)裝置降(jiang)低約1/3。
　　圖(tu)6所示爲(wei)不同流(liu)速下，多(duo)孔孔闆(pan)和标準(zhun)孔闆流(liu)量計的(de)🌏流出♻️系(xi)❄️數對比(bi)曲線。由(you)圖6可知(zhi)，多孔孔(kong)闆流量(liang)✉️計的流(liu)出系數(shu)較标準(zhun)孔闆流(liu)出系數(shu)有明顯(xian)提高，同(tong)時随着(zhe)流速的(de)變化流(liu)出系數(shu)能夠保(bao)持良好(hao)的穩定(ding)性。

　　爲了(le)檢驗所(suo)設計的(de)多孔孔(kong)闆差壓(ya)流量計(ji)的性能(neng)🌍指标，和(he)标準孔(kong)闆節流(liu)裝置進(jin)行了實(shi)流試驗(yan)，結合現(xian)場⛹🏻‍♀️使用(yong)反饋情(qing)況，其性(xing)能指标(biao)對比如(ru)表2所示(shi)。

4結論
　　以(yi)管徑80mm、節(jie)流比β=0.45的(de)多孔孔(kong)闆爲對(dui)象，通過(guo)對不同(tong)入口流(liu)速🛀下的(de)🍉多孔孔(kong)闆流量(liang)計進行(hang)分析，得(de)出此種(zhong)流量計(ji)節流件(jian)前後産(chan)生的渦(wo)流大大(da)降低，無(wu)需很長(zhang)的直❗管(guan)段整流(liu)，顯著😄提(ti)高了測(ce)量精度(du);永久壓(ya)力損失(shi)由于渦(wo)流的減(jian)少較标(biao)準孔闆(pan)節流裝(zhuang)置降低(di)了約1/3。試(shi)驗對比(bi)分析表(biao)明，多孔(kong)孔闆流(liu)❤️量計比(bi)常規标(biao)準孔闆(pan)節流裝(zhuang)置具有(you)明顯的(de)優勢，其(qi)适應🛀🏻性(xing)更好。

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