摘要:因(yīn)多種工況條件無(wú)法滿足測量精度(du)要求，傳統 差壓式(shi)流量計 應用範圍(wei)受到一定限制。基(jī)于多孔整流器和(he)标準孔闆📐的流量(liàng)測量原理，提出一(yi)種對稱多孔孔闆(pan)差壓式流量計 的(de)設計方法。然後對(duì)該流量計進行計(ji)算流體動力學(CFD)數(shu)值計♋算與仿真分(fèn)析，結果表明多孔(kǒng)孔闆差壓式流🐕量(liang)計測量精度較标(biāo)⭐準孔闆流量計提(tí)高1倍以上，永久✉️壓(ya)力損💜失減小約1/3。最(zui)後進行實流試驗(yan)，試驗結果表明🙇‍♀️，多(duo)孔孔闆流量計比(bi)常規标準📧孔闆節(jiē)流裝置具有明顯(xiǎn)的優勢，其适應性(xìng)更好。此設計方法(fa)🐕可爲多孔孔闆流(liu)量計的結構設計(ji)和性能優化提供(gòng)參考。
0引言
　　流量計(jì)量是計量科學技(ji)術的重要組成部(bu)分，廣泛應用于農(nong)業生産、石油石化(huà)、科學研究、國防建(jian)設以及人民生活(huo)的諸多領域。尤其(qi)在能源危機的後(hòu)經濟時代📱，流量計(jì)量的重💁要性日益(yì)突出。相比其它流(liu)量計，傳統🤩差壓式(shì)流量計因結構簡(jiǎn)單、成⛹🏻‍♀️本低、重複性(xìng)好、标準化程度高(gāo)等特💁點得到廣泛(fàn)應用，但隻有在符(fú)合标準要求的技(ji)術條件下，才能準(zhun)确地測量流量。然(rán)而，工程實際應用(yong)中，很多工📐況條件(jian)不能滿足上述要(yao)求，從而無🔴法達到(dào)所需要的測🔴量精(jing)度(雷諾數低于标(biao)準中推薦的雷諾(nuò)數範圍、測量介質(zhi)中🆚混有泥沙等)進(jìn)而限制了其應用(yong)範圍。
　　爲了改善上(shang)述缺點，非标準差(cha)壓式流量計得到(dao)快速發展和進一(yi)步的應用。基于差(cha)壓原理的多孔孔(kǒng)闆流🈲量計不但繼(jì)承了标準孔闆流(liú)量計的結構簡單(dan)、無運動部件等優(yōu)點，且能夠平衡調(diao)整流場，明顯減少(shao)渦流🏃‍♀️、降低死區效(xiao)應、減少流體動能(neng)的損失，是目前應(ying)用最⛱️爲廣泛的一(yi)種非标準差壓式(shi)流量計。但在國内(nei)，多孔孔闆流量計(ji)的👌相關核心技術(shù)研究🌍相對較少，實(shi)際應用中要🌍根據(ju)不同✊測量條件來(lai)設🚶‍♀️計流量計，缺乏(fá)完整的結構參數(shu)設計和性能優化(hua)⛹🏻‍♀️設計準則的指導(dǎo)，在一🐅定程度上遠(yuan)未達到用戶之♋首(shǒu)選。
　　綜上所述，針對(dui)多孔孔闆流量計(ji)的結構設計和性(xìng)能優化國内已有(yǒu)一些研究，但缺乏(fa)統一的設計準則(ze)，不利于工程應用(yòng)。
　　結合多孔整流器(qì)和标準孔闆聯合(he)使用的測量原理(li)，提出一🧑🏾‍🤝‍🧑🏼種⛱️對稱多(duo)孔孔闆差壓式流(liu)量計的設計方法(fa)🛀，采用計算流體動(dòng)力學(CFD)技術進行數(shù)值計算與㊙️仿真分(fèn)析。與标🐇準孔闆🐕對(duì)比分析其流🈚出系(xì)數及永久壓力損(sǔn)失等性能指标，分(fèn)析結果說明了其(qi)優越🌈性。最後通過(guo)實流實驗驗證了(le)設計的合理性。此(cǐ)設計方法可爲多(duō)孔孔闆流量計的(de)結構設計和性能(néng)優化提供一定的(de)參考。
1多孔孔闆流(liú)量計
　　 标準孔闆流(liu)量計 是使用最早(zǎo)、應用最廣泛的一(yī)種差壓式流量計(ji)，具🔆有🔞結構🔞簡單、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。其測量原理爲對(duì)于充滿管道的流(liú)體，當它流經管道(dào)内的節流件時，流(liu)體介質将會在節(jie)流件處形成局部(bù)收縮，因而流速增(zeng)加，靜壓力降低，于(yu)是在節流件前後(hòu)便産生了一定的(de)壓差。流體流量愈(yu)大，産生的壓差愈(yu)大，這樣可依據壓(yā)差來衡量流量的(de)大小。根據不可壓(yā)縮流👌體的連續💃🏻性(xìng)方程和伯努利方(fāng)程，定常流體的體(tǐ)積流量可以通過(guò)如下公式表示［8］:

　　式(shi)中:C爲流出系數，無(wu)量綱;β爲等效直徑(jing)比，無量綱;D爲☀️孔闆(pǎn)直徑;Δp爲壓差，單位(wèi)爲Pa;qv爲體積流量，單(dan)位爲m3/s;ρ爲流體介質(zhi)密⭐度。
　　多孔孔闆流(liú)量計具有對稱多(duō)孔結構，是目前最(zui)先進的差壓式流(liu)量計之一。相比傳(chuan)統差壓式流量計(ji)，不僅結構簡單、安(an)全可靠🍓、适用面廣(guǎng)，還具有精度高、直(zhí)管段要求低、量程(cheng)比寬、永久壓損小(xiao)等優點。
　　多孔孔闆(pǎn)流量計的測量原(yuan)理基于能量守恒(heng)定律和質量守恒(heng)定律。流量檢測時(shi)，所測介質在通過(guò)多⛱️孔節✍️流整🔴流器(qì)的同時進☁️行流體(tǐ)整流，減小節流裝(zhuāng)置後形成的渦流(liú)，形成較穩定🈲的紊(wen)流，從而使引壓💋管(guǎn)路能夠獲取到較(jiào)穩定的差壓信号(hào)，并進一步通過伯(bo)努利方程計算得(de)出🙇‍♀️工藝所需體積(ji)流量、質量流量等(děng)參數［12-13］。
2對稱多孔孔(kǒng)闆差壓式流量計(ji)結構設計
　　在工程(cheng)實際應用中，每個(gè)多孔流量計都要(yao)根據不同測量條(tiao)件來設計，其開孔(kong)面積、節流孔的大(da)小、節流孔的具體(ti)形狀、節流孔㊙️個數(shu)及排列方式等結(jie)構參數均會對多(duō)孔孔闆流量計💰的(de)性能産生影響。由(you)💜于缺乏完整的結(jie)構🏃🏻‍♂️參數設計和性(xìng)能優化設計準則(zé)的指導，在一定程(chéng)度上限制了其應(ying)用範圍。對于不同(tóng)的測量函數孔的(de)數量、如👣何分布函(hán)數孔以及函數孔(kong)的結構等無疑是(shì)最主要的設計參(can)數，目前還沒有統(tong)一的标準。
　　結合多(duo)孔整流器和标準(zhǔn)孔闆的測量原理(lǐ)，提出并設計🤩流量(liang)🌈計的孔闆結構爲(wèi)在節流闆中心一(yī)個圓孔的基礎上(shàng)，對💁稱分布數量不(bú)等的圓孔，如圖1所(suǒ)示，均勻分布的圓(yuán)孔的總🔆的面積📧和(hé)标準孔闆的面積(ji)💜相等。

　　當介(jiè)質流過圓孔時，流(liu)體被平衡調整，渦(wō)流被最小化，形成(cheng)近似💘理想流體，通(tong)過取壓裝置和變(bian)送器，可獲得穩定(dìng)的差壓信❓号，根據(ju)伯努利方程計算(suan)出流體的流量:

　　式(shì)中:Q爲介質流量，單(dan)位爲m3/h;K爲儀表系數(shu);Y爲膨脹系數;Δp爲差(chà)壓♍值，單位爲Pa;ρ爲介(jie)質工況密度，單位(wei)爲kg/m3。
　　基于以上對稱(cheng)多孔孔闆差壓式(shi)流量計結構設計(ji)的方法，以孔🧡闆管(guan)徑80mm、等效直徑比0.45、測(cè)量介質爲常溫⛹🏻‍♀️水(shui)的條件進行研究(jiu)。首先💞建立多孔孔(kǒng)闆流量計的計算(suan)模型，如圖2所示。參(can)照流量測量節流(liú)裝置設計🔞手冊建(jiàn)立⭐流量計的幾何(hé)尺寸，在流量計測(cè)量的上下遊部分(fen)設計有一定的直(zhi)管段來确保流量(liang)計在⛹🏻‍♀️測量的時候(hou)流體的流場處于(yu)一種均勻穩定的(de)狀态并使因節流(liu)而被破壞🚶的流場(chang)能夠恢複到節流(liu)前的狀态。

3多孔(kong)孔闆流量計
　　依據(jù)流量計的設計尺(chǐ)寸，在Creo3.0中建立其三(san)維計算模型🔱，取🧑🏽‍🤝‍🧑🏻闆(pǎn)🐪前4D、闆👣後8D的流場區(qū)域作爲計算域，并(bìng)将其導入ICEM專用劃(huà)分網格軟件中進(jin)行網格劃分，網格(gé)的劃👣分采用全六(liù)面😄體結構化網格(gé)的劃分方法，對計(ji)算域進行局部加(jiā)密以保證計算精(jīng)度，網格劃分結果(guǒ)🌐如圖3所示。

　　由于多(duō)孔孔闆流量計的(de)流場情況較爲複(fú)雜，對湍流模型🔞的(de)要👨‍❤️‍👨求較高，本文采(cǎi)用工程上常用的(de)Standardk－ε湍流模型，其方程(chéng)式表述如下［15］:

　　式中(zhōng):k是湍流動能;ε是湍(tuān)流耗散率;ρ是流體(tǐ)密度;μ是流速;μt是🌈湍(tuan)流粘度;Gk是由層流(liu)速度梯度而産生(shēng)的湍流動能☔;Gb是由(yóu)浮力産生的湍流(liu)動能。C1ε、C2ε、C3ε是常量，分别(bie)爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是k方程和ε方程(chéng)的🤟湍流prandtl數，分别爲(wèi)σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入口條件爲(wèi)速度入口(velocity-inlet)，出口爲(wèi)自由發展出流(outflow)，以(yi)各🈲項參數的殘差(cha)小于0.00001爲收斂标準(zhǔn)，分别計算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(zhǒng)入口☔流速🚶下流量(liang)計的流場特性。文(wén)中給出幾種典型(xíng)流速條件下的✍️計(jì)算結果，如圖4所示(shi)。


　　由圖(tu)4可以看出，入口流(liú)速在0.2～7m/s時多孔孔闆(pan)流量計下遊✍️速度(du)彙聚趨勢明顯，相(xiàng)比于标準孔闆其(qí)壁面回流區較小(xiao)✨，但随⛱️入口流速不(bú)斷增大回流區長(zhǎng)度随🧑🏽‍🤝‍🧑🏻之增大，變化(hua)範圍爲0.5D～1.2D。由🤞此可見(jiàn)，多孔孔闆流量計(ji)尾流流場能夠快(kuai)速進入穩定狀态(tài)。闆前死區較小，且(qiě)随流速增大而逐(zhú)漸增大。
　　通過Fluent求解(jiě)計算獲得孔闆前(qian)後的差壓值，進而(ér)得到流量🌈計的永(yong)久壓力損失。取壓(yā)口設置爲上下遊(you)取壓口距離孔闆(pǎn)上下遊端面的距(jù)離爲0.04m，通過在Fluent中定(dìng)義相應取壓面，分(fen)别求取上下遊取(qǔ)壓🚩面的平均壓力(lì)值，獲得壓差值和(hé)永久壓力損失值(zhí)如🐇下表1所示。不同(tóng)入口流速下，标準(zhǔn)孔闆流量計和多(duo)孔孔闆流量計的(de)永久🌈壓力損失的(de)對比情況如表1和(he)圖🐅5所示🔞。

　　由表1和圖(tú)5可以看出，随着入(ru)口流速的不斷增(zēng)大，多孔孔闆流量(liang)計的永久壓力損(sun)失呈逐漸增大的(de)趨勢;相比于标準(zhǔn)孔闆流量計，由于(yú)渦流的減少，多孔(kǒng)孔闆流量計具有(you)更小✉️的永久壓力(lì)損失，永久壓力損(sun)失較标準孔闆節(jie)流裝置降低約1/3。
　　圖(tú)6所示爲不同流速(sù)下，多孔孔闆和标(biao)準孔闆流量計的(de)🔞流出系❤️數對比曲(qu)線。由圖6可知，多孔(kǒng)孔闆流量計的流(liu)出系數較标準孔(kǒng)闆流出系數有明(ming)顯提高，同時随着(zhe)流速的變化流出(chu)系數能夠保持良(liáng)好的穩定性。

　　爲了(le)檢驗所設計的多(duo)孔孔闆差壓流量(liang)計的性能指标，和(he)标準孔闆節流裝(zhuang)置進行了實流試(shi)驗，結合現場💁使用(yòng)反饋情況，其性⭕能(néng)指标對比如表2所(suǒ)示。

4結論
　　以(yi)管徑80mm、節流比β=0.45的多(duō)孔孔闆爲對象，通(tōng)過對不同入💛口🙇‍♀️流(liu)速下🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的多孔孔闆(pan)流量計進行分析(xī)，得出此種流量🆚計(ji)節流件前後📞産生(sheng)的渦流大大降低(di)，無需很長的直管(guan)段整流，顯著提高(gāo)了測量精😄度;永久(jiǔ)壓力損失由于渦(wo)流的減少較标準(zhun)孔闆節流裝置降(jiang)低了約1/3。試驗對🌏比(bǐ)分析表明，多孔孔(kong)闆流量計比常規(guī)标準孔闆節流裝(zhuang)置具有明顯的優(yōu)勢，其适應性更👈好(hǎo)。

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