目(mu)前,在(zai)各種(zhong)工業(ye)生産(chan)中流(liu)量的(de)測量(liang)非常(chang)重要(yao),因此(ci)各☂️種(zhong)各樣(yang)的 流(liu)量計(ji) 層出(chu)不窮(qiong)。壓差(cha)類的(de)流量(liang)計由(you)于價(jia)格較(jiao)低，使(shi)用的(de)經驗(yan)豐🔞富(fu),經✨過(guo)長時(shi)間的(de)研究(jiu),精度(du)越來(lai)越高(gao)，所以(yi)應用(yong)非常(chang)廣泛(fan)”。其中(zhong)❌雙向(xiang)内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji) 具有(you)對流(liu)體的(de)擾動(dong)小和(he)獲得(de)壓差(cha)信号(hao)大的(de)優點(dian)👅田🐉,但(dan)需要(yao)😄對雙(shuang)向内(nei)外管(guan)壓差(cha)流量(liang)計的(de)結構(gou)參數(shu)進行(hang)進YI 步(bu)的優(you)化。影(ying)響雙(shuang)向内(nei)外管(guan)壓差(cha)流量(liang)計性(xing)🚶能的(de)參數(shu)有很(hen)多，以(yi)往的(de)研究(jiu)大部(bu)分是(shi)對節(jie)流件(jian)的1個(ge)或2個(ge)🈲結構(gou)參數(shu)進行(hang)同時(shi)優化(hua),不夠(gou)㊙️全面(mian)印,如(ru)果對(dui)3個及(ji)以上(shang)結構(gou)參數(shu)同時(shi)優化(hua)，便需(xu)要進(jin)行大(da)🌐量的(de)仿真(zhen)工作(zuo)，爲提(ti)高效(xiao)率，對(dui)仿真(zhen)軟件(jian)進行(hang)💃🏻二次(ci)開發(fa)。傳統(tong)的仿(pang)真⚽軟(ruan)件FLUENT難(nan)以滿(man)足需(xu)求，而(er)COMSOLMultiphys-ics仿真(zhen)軟件(jian)可以(yi)導出(chu)M文件(jian),在MATLAB中(zhong)運行(hang)程序(xu)可以(yi)自動(dong)仿真(zhen)并提(ti)🐆取數(shu)據，二(er)次開(kai)發難(nan)度低(di)甲。如(ru)果COMSOL的(de)仿真(zhen)效果(guo)達到(dao)要求(qiu),那麽(me)在雙(shuang)向🙇🏻内(nei)外管(guan)壓差(cha)流量(liang)計的(de)仿真(zhen)中,COMSOL仿(pang)真軟(ruan)件便(bian)可取(qu)代FLUENT.
1流(liu)量計(ji)原理(li)
　　雙向(xiang)内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji)的基(ji)本結(jie)構如(ru)圖1所(suo)示。安(an)裝🌏節(jie)流件(jian)的管(guan)道直(zhi)徑選(xuan)爲32mm。雙(shuang)向内(nei)外管(guan)壓差(cha)流量(liang)🔞計節(jie)流件(jian)的長(zhang)度對(dui)流量(liang)🌂計的(de)性能(neng)影響(xiang)可忽(hu)略,爲(wei)了方(fang)便❌測(ce)量,将(jiang)節流(liu)件❓大(da)管長(zhang)度定(ding)爲30mm,節(jie)流件(jian)的厚(hou)度定(ding)爲2mm。

　　根(gen)據連(lian)續方(fang)程和(he)伯努(nu)利方(fang)程5的(de)原理(li)可知(zhi)，流體(ti)在❄️通(tong)過節(jie)流件(jian)時,在(zai)I-I平面(mian)，外流(liu)道流(liu)體體(ti)積壓(ya)縮,流(liu)速增(zeng)大,流(liu)體壓(ya)力減(jian)小,而(er)内流(liu)道流(liu)體擴(kuo)散,流(liu)速減(jian)小，流(liu)體壓(ya)力增(zeng)大;在(zai)II-II平面(mian),内外(wai)流道(dao)比較(jiao)平穩(wen)，流速(su)和壓(ya)力都(dou)趨于(yu)穩定(ding):在亞(ya)一I平(ping)面,與(yu)I-I平面(mian)情況(kuang)相反(fan)，外✏️流(liu)道擴(kuo)散,流(liu)速減(jian)小，流(liu)體💃🏻壓(ya)力增(zeng)大，而(er)内流(liu)道流(liu)體✊壓(ya)縮,流(liu)速增(zeng)大，流(liu)體壓(ya)力減(jian)小。如(ru)此--來(lai),在II-II段(duan)節🐕流(liu)件内(nei)外就(jiu)會形(xing)成最(zui)大的(de)壓差(cha):
△P=P内一(yi)P外(1)
式(shi)中:△P爲(wei)内外(wai)壓差(cha);P内爲(wei)内測(ce)點的(de)水壓(ya);P外爲(wei)外測(ce)點的(de)水壓(ya)。
與傳(chuan)統壓(ya)差類(lei)流量(liang)計的(de)測量(liang)公式(shi)類似(si),流量(liang)Q的計(ji)算公(gong)🛀🏻式爲(wei):

　　式中(zhong):C爲流(liu)出系(xi)數;A爲(wei)流道(dao)截面(mian)積,m2;λ爲(wei)等效(xiao)直徑(jing)比;ρ爲(wei)☔流體(ti)密👌度(du),kg/m3。
　　影響(xiang)流量(liang)計測(ce)量JINGDU 的(de)主要(yao)因素(su)是水(shui)頭損(sun)失。水(shui)頭損(sun)失包(bao)🏒括沿(yan)程水(shui)頭損(sun)失和(he)局部(bu)水頭(tou)損失(shi)。局部(bu)水頭(tou)損失(shi)是指(zhi)因局(ju)部邊(bian)界急(ji)劇改(gai)變導(dao)緻水(shui)流結(jie)構改(gai)變、流(liu)速分(fen)布改(gai)變并(bing)産🌈生(sheng)旋渦(wo)區而(er)引起(qi)的水(shui)頭損(sun)💁失。沿(yan)程水(shui)頭損(sun)失是(shi)指在(zai)固體(ti)邊界(jie)平直(zhi)的水(shui)道中(zhong)，單位(wei)質量(liang)的液(ye)體自(zi)一斷(duan)🚶面流(liu)至另(ling)一斷(duan)面所(suo)損失(shi)🔴的機(ji)械能(neng)，這👣種(zhong)水頭(tou)損失(shi)是沿(yan)程都(dou)有,并(bing)且随(sui)沿程(cheng)長度(du)而增(zeng)加。影(ying)響局(ju)部水(shui)頭損(sun)失的(de)因素(su)主要(yao)是節(jie)❄️流件(jian)異徑(jing)比h、節(jie)流件(jian)的大(da)管半(ban)徑R,影(ying)響沿(yan)程水(shui)頭損(sun)🏃‍♂️失的(de)因素(su)主要(yao)是擴(kuo)散角(jiao)θ。
2二次(ci)回歸(gui)正交(jiao)試驗(yan)設計(ji).
　　回歸(gui)正交(jiao)試驗(yan)是在(zai)因素(su)的合(he)理變(bian)化範(fan)圍内(nei)選取(qu)有限(xian)個試(shi)驗點(dian)安排(pai)模拟(ni)計算(suan)統計(ji),根據(ju)有限(xian)個試(shi)驗點(dian)建立(li)具有(you)一定(ding)可信(xin)度的(de)回歸(gui)方程(cheng)，當各(ge)個結(jie)🌏構參(can)數确(que)定之(zhi)後，可(ke)利用(yong)回歸(gui)方程(cheng)進行(hang)估算(suan)見,。選(xuan)擇優(you)化的(de)主要(yao)參數(shu)是異(yi)徑比(bi)k、擴散(san)角θ和(he)節流(liu)件的(de)👅大管(guan)半徑(jing)R.采用(yong)二次(ci)正交(jiao)⭕回歸(gui)組合(he)設計(ji)的試(shi)驗方(fang)🌈法，首(shou)先設(she)定3個(ge)🔴控制(zhi)參數(shu)的變(bian)化範(fan)圍:異(yi)徑比(bi)k爲0.5~0.9;擴(kuo)散角(jiao)θ爲4°~10°;節(jie)流件(jian)的大(da)管半(ban)🙇‍♀️徑R爲(wei)5~9mm。依據(ju)二次(ci)回歸(gui)正交(jiao)試驗(yan)的設(she)計原(yuan)則，可(ke)☂️以得(de)到各(ge)組試(shi)驗的(de)🌂結構(gou)參數(shu)見表(biao)1。

3COMSOL與FLUENT仿(pang)真對(dui)比
　　利(li)用SolidWorks建(jian)立三(san)維模(mo)型,導(dao)入仿(pang)真軟(ruan)件進(jin)行網(wang)格劃(hua)分。按(an)照🧡網(wang)格劃(hua)分的(de)原則(ze),參數(shu)變量(liang)變化(hua)梯度(du)大的(de)區域(yu)需要(yao)采用(yong)較🐕爲(wei)密集(ji)的網(wang)格劃(hua)分方(fang)法以(yi)提高(gao)精度(du),變化(hua)梯度(du)小🔴的(de)區域(yu)采用(yong)較爲(wei)稀疏(shu)的網(wang)格劃(hua)分方(fang)法以(yi)節🔆省(sheng)計算(suan)資源(yuan)。節流(liu)件✍️前(qian)後的(de)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻場(chang)劃分(fen)的網(wang)格稀(xi)疏,節(jie)流件(jian)周圍(wei)的流(liu)場劃(hua)分的(de)網格(ge)密集(ji)回。FLUENT仿(pang)真軟(ruan)件劃(hua)分的(de)網格(ge)爲非(fei)結構(gou)四面(mian)體，将(jiang)整個(ge)流場(chang)進行(hang)網格(ge)劃分(fen)後,網(wang)格數(shu)量在(zai)30000左右(you),如圖(tu)2所示(shi)。COMSOL仿真(zhen)軟件(jian)劃分(fen)的網(wang)格🐅在(zai)靠近(jin)邊界(jie)的流(liu)場爲(wei)六面(mian)體,其(qi)他區(qu)域的(de)網格(ge)爲非(fei)結構(gou)四♊面(mian)體,将(jiang)整個(ge)流場(chang)進💚行(hang)網格(ge)劃分(fen)後，網(wang)🔴格數(shu)量☔在(zai)100000左右(you)，如圖(tu)3所😄示(shi)。兩種(zhong)軟件(jian)的網(wang)格劃(hua)分方(fang)法相(xiang)比較(jiao),COMSOL對流(liu)場的(de)網格(ge)劃分(fen)更🏃‍♂️加(jia)正确(que)。

　　雙向(xiang)内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji)的節(jie)流件(jian)采用(yong)對稱(cheng)結構(gou),流場(chang)雖然(ran)被分(fen)爲内(nei)外兩(liang)個部(bu)分，但(dan)在節(jie)流件(jian)中部(bu)🍉有一(yi)-段穩(wen)♍定流(liu)态的(de)🌐直管(guan)😘段,當(dang)流體(ti)流過(guo)節流(liu)件後(hou)，内外(wai)兩流(liu)道又(you)合并(bing)爲一(yi)個流(liu)道,其(qi)中流(liu)體的(de)流.速(su)和壓(ya)力逐(zhu)漸穩(wen)定，在(zai)流場(chang)中并(bing)沒有(you)過大(da)的壓(ya)力梯(ti)度,所(suo)以湍(tuan)流模(mo)型選(xuan)擇K-ε模(mo)型。标(biao)準的(de)K-ε模✂️型(xing)現已(yi)經過(guo)許多(duo)改進(jin),其中(zhong)RNGk-ε模型(xing)來源(yuan)于嚴(yan)☁️格的(de)統計(ji)技術(shu),提高(gao)了精(jing)度和(he)☎️可信(xin)度,在(zai)FLU-ENT仿真(zhen)中可(ke)以選(xuan)👨‍❤️‍👨擇RNGK-ε模(mo)型[10),但(dan)是在(zai)COMSOL仿真(zhen)中隻(zhi)能籠(long)統地(di)選擇(ze)K-ε模型(xing)。
　　仿真(zhen)介質(zhi)選擇(ze)液态(tai)水，溫(wen)度20C,爲(wei)不可(ke)壓縮(suo)流體(ti)，出口(kou)條件(jian)爲outflow,試(shi)驗♋均(jun)在入(ru)口流(liu)速2m/s.的(de)條件(jian)下進(jin)行仿(pang)真。在(zai)求解(jie)器的(de)設置(zhi)方面(mian),兩種(zhong)軟件(jian)均選(xuan)擇“叠(die)代或(huo)容差(cha)”的終(zhong)止條(tiao)件。
　　由(you)于FLUENT與(yu)COMSOL軟件(jian)中均(jun)可設(she)置對(dui)稱面(mian)，因此(ci)在構(gou)建三(san)維🧑🏽‍🤝‍🧑🏻模(mo)型時(shi)可以(yi)僅構(gou)建半(ban)個流(liu)場區(qu)域,以(yi)方便(bian)觀察(cha)截面(mian).上❤️的(de)壓力(li)分布(bu)。在仿(pang)真的(de)後處(chu)理中(zhong),壓力(li)測量(liang)點需(xu)要設(she)置在(zai)流場(chang)穩定(ding)🐪的區(qu)域，故(gu)計算(suan)😍壓損(sun)的前(qian)後壓(ya)力測(ce)量點(dian)設置(zhi)在節(jie)流件(jian)的前(qian)後1個(ge)管徑(jing)距離(li)的位(wei)置,計(ji)算壓(ya)差信(xin)号的(de)兩個(ge)壓力(li)測量(liang)點設(she)置在(zai)節流(liu)件中(zhong)心和(he)💘外流(liu)道中(zhong)心0。
4仿(pang)真結(jie)果和(he)數據(ju)分析(xi)
　　對于(yu)雙向(xiang)内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji)而言(yan),内外(wai)壓差(cha)信号(hao)大的(de)條件(jian)下,壓(ya)損越(yue)小越(yue)好,故(gu)選取(qu)内外(wai)壓差(cha)信号(hao)與壓(ya)損的(de)差值(zhi)，即壓(ya)損差(cha)🍉,作爲(wei)雙向(xiang)内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji)的評(ping)價指(zhi)💃🏻标。按(an)照前(qian)文設(she)❄️置的(de)結構(gou)參數(shu)建立(li)🐕15組三(san)維模(mo)型,分(fen)别利(li)用FLUENT與(yu)COMSOL進行(hang)仿真(zhen),根據(ju)仿真(zhen)結果(guo),記錄(lu)内外(wai)壓差(cha)信号(hao),将COMSOL和(he)FLUENT仿真(zhen)數據(ju)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼差(cha)的絕(jue)對值(zhi)與FLUENT數(shu)據的(de)比值(zhi)定義(yi)爲誤(wu)差比(bi)，内外(wai)壓差(cha)信号(hao)💰數據(ju)對比(bi)見表(biao)2,用同(tong)樣的(de)方法(fa)記錄(lu)兩種(zhong)軟件(jian)仿真(zhen)結果(guo)的前(qian)後壓(ya)損和(he)壓損(sun)差,并(bing)計算(suan)出誤(wu)差比(bi),數據(ju)對比(bi)見表(biao)3、表4。繪(hui)制的(de)誤差(cha)比折(she)線圖(tu)⭐如圖(tu)4所示(shi)。




　　通過(guo)觀察(cha)表中(zhong)數據(ju)可得(de)到規(gui)律:COMSOL仿(pang)真數(shu)據與(yu)FLUENT仿真(zhen)📞數據(ju)的誤(wu)差随(sui)着FLUENT仿(pang)真數(shu)據的(de)增大(da)而增(zeng)大。同(tong)時對(dui)比折(she)線圖(tu)可發(fa)現各(ge)組數(shu)據的(de)誤差(cha)比均(jun)維持(chi)在較(jiao)低且(qie)穩定(ding)的水(shui)平。這(zhe)樣的(de)誤差(cha)比對(dui)于後(hou)續拟(ni)合二(er)次回(hui)歸方(fang)程以(yi)及計(ji)算方(fang)程的(de)✌️最優(you)解影(ying)響很(hen)小。
　　分(fen)别導(dao)出一(yi)組試(shi)驗的(de)仿真(zhen)壓力(li)雲圖(tu)進行(hang)對比(bi)，如圖(tu)5、圖6所(suo)示。由(you)圖可(ke)知，壓(ya)力分(fen)布基(ji)本相(xiang)同，COMSOL的(de)壓力(li)雲圖(tu)更加(jia)立體(ti)直🌈觀(guan)，視覺(jiao)效果(guo)比FLUENT更(geng)好。


5結(jie)束語(yu)
　　以雙(shuang)向内(nei)外管(guan)壓差(cha)流量(liang)計節(jie)流件(jian)的異(yi)徑.比(bi)h:擴散(san)角θ和(he)♋節流(liu)件♻️的(de)大管(guan)半徑(jing)R3個結(jie)構參(can).數爲(wei)優化(hua)目标(biao)，設計(ji)了二(er)次回(hui)歸正(zheng)交試(shi)驗，分(fen)别用(yong)FLUENT和COMSOL進(jin)行仿(pang)真、記(ji)錄數(shu)據🚶。通(tong)過COMSOL仿(pang)真所(suo)得的(de)數據(ju)與通(tong)過FLUENT仿(pang)真所(suo)得的(de)數據(ju)相比(bi)🐇,雖然(ran)有浮(fu)動,但(dan)是誤(wu)差比(bi)卻維(wei)持在(zai)一個(ge)👣較低(di)且穩(wen)定的(de)水平(ping),因此(ci)，使用(yong)COMSOL代替(ti)FLUENT進❓行(hang)雙向(xiang)内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji)的仿(pang)真。COMSOL的(de)仿真(zhen)過程(cheng)可保(bao)存爲(wei)M文件(jian),方便(bian)利用(yong)MATLAB對COMSOL進(jin)行二(er)次開(kai)發，對(dui)雙向(xiang)🔞内外(wai)管壓(ya)差流(liu)量計(ji)更多(duo)結構(gou)參數(shu)進一(yi)步優(you)化。

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