摘(zhai)要:多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計 是(shi)一種(zhong)比傳(chuan)統的(de)差壓(ya)測量裝置(zhi)更優良的(de)新型差壓(ya)式流(liu)量測(ce)量裝置,但其函(han)數孔(kong)的(de)确(que)定目(mu)前沒有統(tong)一的标準(zhun)。針對(dui)該問(wen)題,采用(yong)CFD仿(pang)真軟(ruan)件,在(zai)相同等效(xiao)直徑比的情況下,針對多孔孔(kong)闆的函數孔結(jie)構,研(yan)究了開孔(kong)數目、孔分(fen)布以(yi)及倒角等因素(su)對于減少(shao)壓力損失(shi)所起到的(de)影響和(he)作用。根據仿真研(yan)究結(jie)果,制作了(le)一種多孔(kong)孔(kong)闆(pan)流量(liang)計進行流(liu)體試(shi)驗，試驗結果表(biao)明該方法(fa)的正确率(lü)。.
0引言(yan)
　　孔闆(pan)流量計(ji) 因其結構簡(jian)單(dan)、耐用而(er)成爲目前(qian)國際(ji)上标(biao)準化程度(du)高、應(ying)用最(zui)爲廣(guang)泛的(de)一種流量(liang)計,但也存(cun)在着(zhe)流出系(xi)數不.穩(wen)定、線性差、重複性不高(gao)、永(yong)久壓(ya)力損失大等缺(que)點“。美(mei)國馬歇爾(er)航空飛行中心(xin)設計(ji)發(fa)明的一(yi)-種新型差(cha)壓式流量(liang)測(ce)量裝置(zhi)，即多孔(kong)孔(kong)闆流量計(ji)(又(you)稱爲平(ping)衡流量計)田。多(duo)孔孔闆流(liu)量計(ji)對傳統(tong)節(jie)流裝置有(you)着極大的(de)突破(po),與(yu)傳(chuan)統差壓式(shi)流.量計相(xiang)比較(jiao),具有(you)永久壓力損(sun)失(shi)小、精(jing)密度(du)高、量程比大、直(zhi)管段(duan)短等(deng)優點。
　　多孔(kong)孔闆(pan)流量(liang)計測量原(yuan)理圖如圖(tu)1所示(shi)。雖然(ran)多(duo)孔孔闆(pan)的結構(gou)與(yu)标準(zhun)孔闆(pan)不同(tong),其測(ce)量原理還(hai)是節(jie)流測(ce)量,因(yin)此在(zai)流量計(ji)算(suan)時仍(reng)可采(cai)用标準孔(kong)闆的經典(dian)計算(suan)公式國(guo):
 
　　式中:Q爲(wei)管道(dao)中(zhong)流(liu)體的流量;K爲(wei)無量綱(gang)系數;△p爲(wei)孔闆節流前(qian)後的壓力(li)差;ρ爲(wei)流體密度(du)。
 
　　多孔孔(kong)闆流(liu)量計每(mei)個孔的尺寸(cun)和分布基(ji)于獨(du)特的公式(shi)和國(guo)測試數據(ju)定制，稱爲(wei)函數孔。至(zhi)于函數孔(kong)是如(ru)何定(ding)制,與(yu)哪些(xie)因素有關(guan),主要(yao)由(you)什麽參數來決(jue)定的，目(mu)前還(hai)沒有(you)相關的文(wen)獻(xian)可以查(cha)閱。對于如何定(ding)制函(han)數(shu)孔，缺少(shao)一個統--的(de)标準。以因(yin)節流(liu)而産(chan)生的壓(ya)力(li)損失(shi)作爲(wei)對(dui)比參照(zhao)，通過(guo)仿真對函(han)數孔結(jie)構的研(yan)究，主要包(bao)括多孔孔(kong)闆開孔數(shu)量、孔的分(fen)布以(yi)及倒角等因素(su)對減小(xiao)壓力損(sun)失所(suo)起到的影(ying)響和(he)作用,對于函數孔(kong)的制定(ding)有一定的指導(dao)意義(yi);爲函數孔(kong)制定标(biao)準(zhun)化奠(dian)定基礎,将有助(zhu)于推動(dong)多(duo)孔孔(kong)闆的孔函(han)數的(de)研究與應用進(jin)展。
1函(han)數(shu)孔結構(gou)的研究(jiu)
　　以内徑(jing)D爲50mm、等(deng)效直(zhi)徑比(bi)β=0.35的孔闆中(zhong),流動(dong)介質(zhi)純水爲研(yan)究對象,參(can)考标準孔(kong)闆在(zai)實際(ji)工業(ye)應用和本次仿真(zhen)模(mo)拟，爲(wei)保證流體(ti)能夠(gou)以充分發(fa)展、理(li)想的(de)湍流狀态進入(ru)流量(liang)計,設(she)計有(you)長度分别爲10D、14D的上下遊直(zhi)管段(duan)5。在此基礎(chu)上做了3組(zu)不同(tong)的仿真模拟,并(bing)且選定其(qi)中一(yi)個模拟結(jie)果的設計方案(an)進行(hang)實流(liu)實驗,通過(guo)對比實流實驗(yan)結果(guo)與模(mo)拟仿(pang)真結果(guo)從而驗(yan)證仿(pang)真結(jie)果的(de)正确(que)率(lü)。
1.1對開孔(kong)數量(liang)的研究
　　在(zai)此先(xian)研究(jiu)孔的(de)結構(gou)爲(wei)無倒角(jiao)的情(qing)況(kuang),對(dui)數量(liang)研究的(de)時(shi)候要(yao)求其(qi)他(ta)參數均(jun)是相同的，包括(kuo)有孔(kong)分布以及(ji)孔的(de)結構(gou)。設計(ji)時在(zai)-一個(ge)多孔(kong)孔闆.上每(mei)個小(xiao)孔的直(zhi)徑是一(yi)樣的，由等效直徑比(bi)的(de)定義可(ke)知開孔(kong)直徑爲
 
數;An爲(wei)每(mei)個小孔(kong)的面積;A2爲是管道的截面積。
　　設(she)計原則爲(wei):把孔(kong)隻分布(bu)在以孔(kong)闆的中心(xin)爲圓(yuan)心的(de)一個(ge)圓周(zhou)上(孔在(zai)這(zhe)個圓周，上(shang)分布的時(shi)候不能夠出現相交(jiao)的情(qing)況,初(chu)步選定圓周的半徑(jing)爲12mm)。受條件(jian)的限制(zhi),本次研究對象的(de)開孔(kong)數最小(xiao)爲1個,最(zui)大爲16個。無(wu)倒角(jiao)說明(ming)節流(liu)孔的(de)厚度與孔(kong)闆的(de)厚度相同(tong),其示(shi)意圖(tu)如圖(tu)2所示(shi)。
 
1.2對節(jie)流孔(kong)分布的研究(jiu)
　　将節流(liu)孔(無倒角(jiao))均勻分布在兩(liang)個同(tong)心圓或者(zhe)兩個(ge)同心圓以及孔(kong)闆的中(zhong)心(xin)上。調整同心圓(yuan)的大(da)小,即改(gai)變的同(tong)心圓(yuan)大小d1;d2示意(yi)圖如圖(tu)3所(suo)示。
 
1.3對倒角的(de)研(yan)究
　　參考(kao)流量(liang)測(ce)量節流裝置設計手冊(ce)回可知(zhi)标準孔(kong)闆傾斜(xie)角是在(zai)下遊(you)端面,其大(da)小可(ke)以爲45°±15°，文中(zhong)将分2種情(qing)況研.究:下(xia)遊端面有(you)45°倒角;上下遊端(duan)面均(jun)有45°倒角。
2模(mo)拟仿真(zhen)
　　模(mo)拟仿(pang)真是(shi)通過(guo)CFD軟件(jian)包fluent來(lai)完成(cheng)的。
2.1建(jian)模與(yu)劃分網格(ge)
　　建模(mo)與劃分網格都(dou)是在(zai)CFD前置(zhi)處理器gambit中完成(cheng)的。圖(tu)4爲上遊直(zhi)管段10D,下遊(you)直管段14D的(de)多(duo)孔孔闆(pan)流量計的(de)仿真(zhen)模型。
 
　　文(wen)中(zhong)直接(jie)選用體(ti)網(wang)格來劃分網格。選用(yong)體網(wang)格(ge)的(de)Element爲Tet/Hybrid即(ji)四面體/混合，同(tong)時選定TGrid作(zuo)爲Element的Type。爲了(le)提(ti)高計算(suan)精度，需對(dui)網格(ge)做局(ju)部(bu)加密,考(kao)慮到在節(jie)流前後壓力會(hui)急劇(ju)變化(hua),因(yin)此(ci)對節流前(qian)後的(de)直管(guan)段以及(ji)多孔孔(kong)闆做(zuo)局(ju)部加密(mi)處理。該文(wen)在對(dui)多孔(kong)孔(kong)闆劃分(fen)網格(ge)時(shi)候選用的節(jie)點(dian)間(jian)距爲(wei)0.5,在多孔孔(kong)闆前(qian)後4D的(de)直管段劃(hua)分網格(ge)時候選(xuan)用節點間距爲(wei)3,其餘(yu)部(bu)分(fen)的節(jie)點間距爲6。網格(ge)單元(yuan)的數(shu)量爲(wei)398642萬。網(wang)格(ge)劃(hua)分結(jie)果如圖5所示。
 
2.2模(mo)型的(de)求解(jie)
　　在本文中(zhong)選用(yong)壓力(li)基求解器(qi)就能(neng)滿足要求們。
　　本文中入口(kou)的雷(lei)諾數(shu)較大(da),流動爲湍流,需(xu)要設置湍(tuan)流模(mo)型，采(cai)用Realizablekε模型。
　　邊(bian)界條件(jian)的設定:入口(kou)邊(bian)界類型(xing)設定爲(wei)速(su)度入(ru)口,即veloc-ity-inlet入(ru)口(kou)的湍(tuan)流參數指定方式選(xuan)用(yong)kandepsilon,出(chu)口邊(bian)界類型(xing):設(she)定爲(wei)自由(you)出流outflow,孔闆(pan)處爲(wei)默(mo)認(ren)内部(bu)邊界(jie)條件inte-rior,其餘(yu)爲均(jun)爲(wei)無滑移(yi)外部(bu)壁面(mian),熱傳(chuan)輸模型爲絕熱(re)。
2.3仿真結(jie)果(guo)
　　本文(wen)主要(yao)是研(yan)究因節流(liu)而(er)産生的(de)壓力(li)損失(shi)(即節(jie)流前後的靜壓(ya)差),爲此以(yi)節流(liu)前後(hou)的壓差作(zuo)對比研究。
2.3.1對多(duo)孔孔(kong)闆開(kai)孔數(shu)量的(de)研(yan)究
　　給定(ding)的速度入口的(de)初始速(su)度(du)爲1m/s。對(dui)一段長爲(wei)1.2m(等于(yu)前後直管(guan)段長(zhang)度24D)的直(zhi)管道進(jin)行模拟仿(pang)真,參數設(she)置以(yi)及湍(tuan)流模型的(de)選擇與上(shang)述模拟相(xiang)同，結(jie)果可得直(zhi)管段的沿程壓(ya)力損(sun)失爲(wei)314Pa。由，上(shang)述仿真計(ji)算結(jie)果的進出(chu)口壓力差(cha)減去直管(guan)道的沿(yan)程(cheng)壓力(li)損失(shi)，即可得到(dao)節流(liu)前後的差(cha)壓。開(kai)孔(kong)數量和(he)差壓的關(guan)系如(ru)圖6所示，開(kai)孔數(shu)量和差(cha)壓(ya)信号(hao)的關系如表1所(suo)示。
 
　　由圖6可知,随(sui)着開(kai)孔數量的(de)增加,在開始階(jie)段壓損(sun)能夠明(ming)顯減少，當開孔數達(da)到12時壓損(sun)達到(dao)最小(xiao)值，随(sui)後壓損(sun)又(you)增大(da)。
 
　　由表1可(ke)以看出(chu)，等效(xiao)直徑(jing)比爲(wei)0.35的多孔孔(kong)闆最(zui)佳的(de).開孔(kong)數是(shi)12,與開孔數(shu)爲1的(de)孔闆相(xiang)比較減(jian)小約29.4%的壓(ya)力損(sun)失。
2.3.2對(dui)節流孔分(fen)布的研究
　　由方(fang)案設計(ji)可知,本(ben)階段研究主要有2種(zhong)情況(kuang):
(1)同心(xin)圓沒(mei)有中(zhong)心孔，以開(kai)孔數12爲研(yan)究對(dui)象;
(2)同心圓(yuan)有中(zhong)心(xin)孔(kong)，以開(kai)孔數(shu)13爲研(yan)究對(dui)象。
孔(kong)的分(fen)布與(yu)差壓信号關系如表2所示(shi)。
 
　　從表(biao)2可以看(kan)出,對于(yu)相同(tong)的(de)開(kai)孔數(shu),在山不變的情況下(xia)，随(sui)着d1的增(zeng)大,壓差減小。對(dui)比開(kai)孔數(shu)爲12,有(you)中心(xin)孔，開(kai)孔數(shu)爲13的差壓信号(hao)隻大0.5%。
2.3.3對倒角的研究(jiu)
　　在試驗測(ce)量的時候，希望在減(jian)小壓(ya)損的(de)同時又能(neng)夠得到較(jiao)大的測量(liang)信号(hao),因此選取(qu)開孔數爲13,有中(zhong)心孔的多(duo)孔孔闆做(zuo)進(jin)一步的(de)研究(jiu)。由以(yi)上方(fang)案的設計可知(zhi),倒角(jiao)的研究有(you)2種情(qing)況(kuang):
(1)隻(zhi)有1個(ge)倒角(jiao),在節流闆(pan)的下(xia)遊端面;
(2)2個(ge)倒角,在節(jie)流闆的上(shang)下遊端面(mian)均有倒角(jiao)。
　　以流(liu)量測(ce)量(liang)節流設(she)計手(shou)冊(ce)作爲參(can)考,設計節(jie)流孔(kong)的厚度爲0.02D,倒角爲45°。由(you)此可得如(ru)表3所(suo)示的(de)模拟(ni)結果(guo)。
 
　　由表(biao)3可以(yi)看出(chu)倒(dao)角(jiao)的存在對(dui)于(yu)減(jian)小壓(ya)力損失有(you)着巨(ju)大的(de)影(ying)響,對比(bi)開孔數爲(wei)13、上下遊都有倒(dao)角的(de)與上下遊(you)都無倒角,壓力(li)損失(shi)降低42.3%。綜合.上述3種情況,在直徑(jing)比都(dou)是0.35,開(kai)孔數(shu)爲13,上下(xia)遊均有(you)45°倒角的多(duo)孔孔闆與标準孔闆(pan)相比(bi)，壓力(li)損失(shi)減小(xiao)59.8%。
3試(shi)驗測量(liang)
　　試驗是在(zai)現有(you)的液(ye)體流量标(biao)準裝(zhuang)置(裝置主(zhu)要由(you)穩(wen)壓(ya)罐、法(fa)蘭、直(zhi)管段(duan)、标定(ding)容器構(gou)成(cheng)。其中(zhong)穩壓罐能(neng)夠讓(rang)流體(ti)以(yi)恒定的(de)速度(du)進入(ru)直管段;法(fa)蘭(lan)用(yong)于孔(kong)闆的安裝;标定容器(qi)用于測量(liang)流體的(de)流(liu)量。).上(shang)使用自己(ji)設計(ji)的多(duo)孔(kong)孔闆完(wan)成的(de)。所選用的(de)孔闆即前文仿(pang)真部(bu)分(fen)開(kai)孔數(shu)爲13,d;=8、d2=13,上下(xia)遊端面均有(you)倒角(jiao)的多(duo)孔孔闆。多(duo)孔孔(kong)闆如(ru)圖(tu)7所示。
 
3.1試(shi)驗方法
　　取(qu)5個不(bu)同大(da)小(xiao)的流量(liang)按流(liu)速(su)從(cong)小到(dao)大，再(zai)從大(da)到小(xiao),反複測量(liang)差壓(ya)值,測(ce)量次數爲(wei)3,測量結果(guo)取平均值(zhi)對(dui)試驗測(ce):量時得到的流速進(jin)行模拟仿(pang)真,并與試(shi)驗結果相(xiang)比較。由此(ci)可得(de)到(dao)如圖8流(liu)量與(yu)差壓(ya)關系(xi)圖。
 
　　由(you)圖8看(kan)出試驗結(jie)果與仿真(zhen)結果的誤(wu)差較小(誤(wu)差能夠控(kong)制在7%左右),說明(ming)本次(ci)模(mo)拟仿真(zhen)所選(xuan)用(yong)的計算模型、方法(fa)是可(ke)信賴的。
4結論
　　以内徑(jing)是50mnm,等效直(zhi)徑比0.35的(de)多(duo)孔孔(kong)闆作(zuo)爲研(yan)究對(dui)象,用(yong)仿(pang)真(zhen)軟件(jian)Fluent6.3模拟(ni)研(yan)究多孔(kong)孔闆(pan)函數(shu)孔結(jie)構,主要是(shi)開孔(kong)數量(liang)、孔的(de)分布(bu)以及(ji)倒(dao)角(jiao)對于(yu)減小(xiao)壓力(li)損失(shi)所起(qi)到(dao)的(de)作用(yong)，并對仿真(zhen)結果進行實(shi)流試驗(yan)驗證,得到:.
(1)在相(xiang)同等(deng)效(xiao)直徑比(bi)的情(qing)況下(xia),增加開孔(kong)數以(yi)及倒(dao)角的(de)存在(zai)能有效減(jian)小壓力損(sun)失;在孔的(de)數量(liang)和結(jie)構(gou)都(dou)确定(ding)的前(qian)提下(xia)均勻(yun)而有(you)序(xu)地分布(bu)孔對測量的影響可忽略;
(2)試驗(yan)結果與仿(pang)真模拟結(jie)果基本吻(wen)合,說(shuo)明隻(zhi)要使(shi)用正(zheng)确的計算(suan)模型、精密(mi)的網格劃(hua)分以(yi)及準(zhun)确的計(ji)算(suan)方法(fa)，在沒有試驗的(de)條件(jian)下也(ye)可以使模(mo)拟仿真對(dui)多孔孔(kong)闆進行(hang)研究(jiu)。

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