目前(qian),在各種工業生(shēng)産中流量的測(cè)量非常重要,因(yin)此各⛱️種各樣的(de) 流量計 層出不(bú)窮。壓差類的流(liú)量計由于價格(ge)較低，使用的經(jīng)驗豐🌐富,經過長(zhang)時間的研究,精(jīng)度越來越高，所(suǒ)以應用非常廣(guǎng)泛”。其中雙向内(nei)外管壓差流量(liàng)計 具有對流體(tǐ)的擾動小和獲(huo)得壓差信号大(dà)的優點田,但需(xu)要♋對雙向内外(wài)管壓差流量計(ji)的結構參數☂️進(jìn)行進YI 步的優☀️化(hua)。影👄響雙向内外(wai)管壓差流量計(jì)性能的參🤞數有(you)很多，以往的研(yán)究大部分是對(dui)節流件的1個或(huo)2個🏃結構參數♌進(jìn)行同時優化,不(bú)夠全面印,如果(guǒ)對3個及以上結(jie)構參數同時優(you)化，便㊙️需要進行(hang)大量的仿真工(gong)作⚽，爲提高效率(lǜ)，對仿真軟件進(jin)行二次🐪開發。傳(chuan)統的仿真軟件(jian)FLUENT難以滿足需求(qiú)，而COMSOLMultiphys-ics仿真軟件😍可(ke)以導出M文件,在(zài)MATLAB中💜運行程序可(kě)以自動仿真并(bìng)提取數據，二次(ci)開發難度低甲(jia)。如果COMSOL的仿真效(xiào)果達到要求,那(nà)麽在雙向内外(wai)管壓差流量計(ji)的💔仿真中,COMSOL仿真(zhen)軟件便可取代(dai)FLUENT.
1流量計原理
　　雙(shuang)向内外管壓差(chà)流量計的基本(běn)結構如圖1所示(shì)。安裝節流🔞件的(de)🌈管道直徑選爲(wèi)32mm。雙向内外管壓(ya)差流量計節流(liú)件🛀的長♍度對流(liú)量計的性能影(yǐng)響可忽略,爲了(le)方便📐測量,将♻️節(jie)流件🤩大管長度(dù)定爲30mm,節流件的(de)厚㊙️度定爲2mm。

　　根據(jù)連續方程和伯(bó)努利方程5的原(yuan)理可知，流體在(zài)💃🏻通過節流件時(shí),在I-I平面，外流道(dao)流體體積壓縮(suo),流速增大,流體(tǐ)壓力減小,而内(nei)⛹🏻‍♀️流道流體擴散(san),流速減小⛱️，流體(ti)壓🈲力增大;在II-II平(píng)面,内外流道比(bǐ)較平穩，流速和(he)壓力都趨于穩(wěn)定:在亞一I平面(mian),與I-I平面情況相(xiàng)反，外流道擴散(san),流⭕速減小，流體(ti)壓力增大，而内(nèi)流道流體壓縮(suō),流速增😄大，流體(tǐ)壓力減小。如此(ci)--來,在II-II段節🥰流件(jian)内外就會形成(cheng)最大的壓🌈差:
△P=P内(nei)一P外(1)
式中:△P爲内(nèi)外壓差;P内爲内(nèi)測點的水壓;P外(wai)爲外測點的水(shuǐ)🤟壓。
與傳統壓差(cha)類流量計的測(ce)量公式類似,流(liú)量Q的計算公式(shì)爲:

　　式中:C爲流出(chū)系數;A爲流道截(jie)面積,m2;λ爲等效直(zhi)徑比;ρ爲🌍流體密(mi)❌度,kg/m3。
　　影響流量計(ji)測量JINGDU 的主要因(yin)素是水頭損失(shī)。水頭損失㊙️包括(kuò)沿程水頭損失(shi)和局部水頭損(sǔn)失。局部水頭損(sǔn)失是指因局部(bu)邊界急劇改變(biàn)導緻水流結構(gòu)改變、流速分布(bù)改變并産生旋(xuán)渦區而引起的(de)水頭損失。沿程(cheng)水頭損失是指(zhi)在固體邊界平(ping)直的水道中✔️，單(dān)位質量的液體(ti)自一斷面流至(zhì)另一斷面所損(sun)失的機械能，這(zhe)🏃‍♀️種🈲水頭損失是(shi)沿程都有,并且(qie)随✨沿程長度而(ér)增加。影響局部(bu)水頭損失的因(yīn)素主要是節流(liú)件異徑比h、節流(liú)件的大管半徑(jìng)R,影響沿程水頭(tóu)損失的因素主(zhu)要是擴散角θ。
2二(èr)次回歸正交試(shì)驗設計.
　　回歸正(zhèng)交試驗是在因(yin)素的合理變化(hua)範圍内選取有(yǒu)限個試驗點安(ān)排模拟計算統(tǒng)計,根據有限個(ge)試驗點👈建立具(jù)有一定🍉可信度(dù)的回歸方程，當(dāng)各個結構參數(shu)确定之後，可利(lì)用回歸方程進(jin)♋行估算見,。選擇(ze)優化的主要參(cān)數📧是異徑比💜k、擴(kuò)散角θ和🐪節流件(jian)的大管半徑R.采(cǎi)用二次正交回(hui)歸組合設計的(de)試驗方💞法，首先(xiān)設定3個控制參(can)數的變化範圍(wéi):異徑比k爲0.5~0.9;擴💔散(san)角θ爲4°~10°;節流件的(de)大管半徑R爲5~9mm。依(yī)據二次回歸正(zhèng)交試⛷️驗的設計(ji)原則，可以得到(dào)各組試驗😄的結(jie)構參數見表1。

3COMSOL與(yǔ)FLUENT仿真對比
　　利用(yòng)SolidWorks建立三維模型(xíng),導入仿真軟件(jian)進行網格劃分(fèn)。按照💯網格劃分(fen)的原則,參數變(biàn)量變化梯度大(dà)的區域需要采(cai)🈲用較🏃🏻‍♂️爲密集的(de)網格劃分方法(fa)以提高精度,變(bian)化梯度小🤩的區(qū)域💋采用較爲稀(xi)疏❤️的網格劃分(fen)♈方法以節省計(ji)算資♍源。節流件(jiàn)☂️前後的流場劃(hua)分的網格稀疏(shu),節🌏流件周圍的(de)流場劃分的網(wang)格密集回⭐。FLUENT仿真(zhen)軟件劃分🔅的網(wang)格爲非結🌈構四(sì)面體，将整個流(liu)場進行網格劃(hua)分後,網格數量(liang)在30000左右,如圖2所(suǒ)示。COMSOL仿真軟件劃(huà)分的網格在靠(kao)近邊界的流場(chǎng)爲六面體🔞,其他(ta)區域🐪的網格爲(wèi)非💔結構四面體(ti),将整個流場進(jin)行網格劃分後(hòu)，網格數量在100000左(zuǒ)右，如圖3所示。兩(liǎng)種軟件的網格(gé)劃分方法相比(bi)較,COMSOL對流場的網(wang)格劃分更👄加正(zheng)确。

　　雙向内外管(guan)壓差流量計的(de)節流件采用對(duì)稱結構,流場❤️雖(sui)然被💘分爲内外(wài)兩個部分，但在(zai)節流件中部有(you)一-段穩定流态(tài)的直管段,當流(liu)體流過節流件(jian)後💘，内外兩流道(dào)又合并爲一個(gè)流道,其中流體(tǐ)的流.速📱和壓力(lì)逐漸穩定，在流(liu)場中并沒有過(guo)大的壓力梯度(du),所以湍流模型(xing)選擇K-ε模型。标準(zhǔn)的K-ε模🏃🏻‍♂️型現已經(jīng)過🌂許多改進,其(qi)中RNGk-ε模型來源于(yu)嚴♉格的統計技(jì)術,提高了精度(du)和🈚可信度,在FLU-ENT仿(páng)真中可以選擇(zé)RNGK-ε模型[10),但是在COMSOL仿(pang)真中隻能籠統(tong)地☔選擇K-ε模型。
　　仿(páng)真介質選擇液(ye)态水，溫度20C,爲不(bu)可壓縮流體，出(chu)口㊙️條件👉爲outflow,試驗(yan)均在入口流速(sù)2m/s.的條件下進行(hang)仿真。在求解📧器(qì)的✏️設置😄方面,兩(liang)種軟件均選擇(zé)“叠代或容差”的(de)終止🤟條件。
　　由于(yú)FLUENT與COMSOL軟件中均可(ke)設置對稱面，因(yīn)此在構建三維(wei)模型❓時可以僅(jin)構建半個流場(chǎng)區域,以方便觀(guān)察截面.上的壓(yā)力分💯布。在仿真(zhēn)的後處理中,壓(yā)力測量點😍需要(yao)設置在流🈚場穩(wěn)定的區域，故計(ji)算壓損的前後(hou)壓力測量點設(she)置在🐇節流件的(de)前後1個管徑距(ju)離的位置,計算(suàn)壓差信号的兩(liang)個壓力測量點(dian)設置在節🔞流件(jian)中心和🌈外流道(dao)中心0。
4仿真結果(guǒ)和數據分析
　　對(dui)于雙向内外管(guan)壓差流量計而(er)言,内外壓差信(xin)号大的條🍓件下(xià),壓損越小越好(hao),故選取内外壓(ya)差信号👅與壓損(sun)的差值，即壓損(sǔn)差,作爲雙向内(nèi)外管壓差流量(liang)計的評價指标(biao)。按照前文設置(zhì)的結構參數建(jiàn)立15組三維模型(xíng),分别利用FLUENT與COMSOL進(jin)行仿真,根據仿(pang)真結果,記錄内(nèi)外壓差信号,将(jiang)COMSOL和FLUENT仿真數據的(de)🈲差的絕對值🔴與(yǔ)FLUENT數據的比♍值定(dìng)義爲誤差比🔴，内(nei)外壓差信号數(shù)據對比見表2,用(yong)同樣的方法㊙️記(jì)錄兩種軟件仿(pang)真結果的前後(hòu)壓損和壓損差(cha),并計算出誤差(chà)比,數據對比見(jian)表3、表4。繪♍制的誤(wu)差比折線圖♍如(rú)圖4所示。




　　通過觀(guān)察表中數據可(kě)得到規律:COMSOL仿真(zhēn)數據與FLUENT仿真數(shù)🔞據的誤差随着(zhe)FLUENT仿真數據的增(zēng)大而增大。同時(shi)對比折線圖可(ke)發現各組數據(ju)的誤差比均維(wéi)持在較低且穩(wěn)定的水💃平。這樣(yàng)的誤差比對于(yu)後續拟合二次(ci)回歸方🌏程以及(ji)計⛹🏻‍♀️算方程的♈最(zuì)優解影響很小(xiao)。
　　分别導出一組(zu)試驗的仿真壓(yā)力雲圖進行對(duì)比，如㊙️圖5、圖⁉️6所🤞示(shi)。由圖可知，壓力(li)分布基本相同(tóng)，COMSOL的壓力雲圖更(geng)加立🚶‍♀️體直觀，視(shì)覺效📐果比FLUENT更好(hǎo)。


5結束語
　　以雙向(xiang)内外管壓差流(liú)量計節流件的(de)異徑.比h:擴散角(jiao)θ和節流🍉件的大(da)管半徑R3個結構(gou)參.數爲優化目(mù)标，設計了二🐅次(cì)回歸正交試驗(yàn)，分别用FLUENT和COMSOL進行(háng)仿真、記🔞錄數據(ju)。通過COMSOL仿真所得(de)的數據與通過(guò)FLUENT仿真所得的數(shu)據相比,雖然有(you)浮動,但是誤差(chà)比卻維持在一(yi)個⭕較低且穩定(dìng)❤️的水平,因此，使(shi)用COMSOL代替FLUENT進行雙(shuang)向内外管壓差(cha)流量計的仿真(zhen)。COMSOL的仿真過程可(ke)保存爲🌈M文件,方(fang)便利用MATLAB對COMSOL進行(hang)💋二次開發，對雙(shuāng)向🔞内外管壓差(cha)流⛹🏻‍♀️量計更多結(jie)構參數進一步(bù)優化。

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