多孔孔闆流量(liang)計 是一個對稱(chēng)的多孔圓盤,是(shì)在标準孔闆基(ji)礎上發展起☁️來(lái)的❌非标準節流(liú)裝置.2006年該流量(liàng)計被引入中國(guo)市場，開⚽始應用(yòng)于天然氣、化工(gōng)、煉油等工業領(lǐng)域.從相關文獻(xiàn)[-3]可以看出該流(liu)量計具有🥵比标(biāo)準孔闆更爲出(chū)色的計量性能(neng),如測量精度高(gāo)、量程範圍寬、壓(yā)力損失小、前後(hòu)直管段要求低(dī)等優點.多孔孔(kǒng)闆流量計結構(gòu)參數多,如節流(liu)孔的大小、個數(shu)及排列方式等(děng),優化結構參數(shù)是提高多孔☁️孔(kong)闆流量計性能(neng)🐪的前提條件.實(shí)現這一研究有(you)實流實⭕驗和數(shù)值模拟2種方法(fǎ).數值模拟☀️方法(fa)是研究流量傳(chuan)感器特🤩性的有(you)效手段之--,既可(ke)降低成本,又可(ke)提高效率.目前(qian),關于對多孔孔(kǒng)闆流量計流場(chang)仿真方法的研(yan)究國内外尚鮮(xian)見文獻報道.
　　因(yin)此,在對多孔孔(kǒng)闆流量計的研(yan)究過程中引入(ru)該方🔞法，一✌️-方👄面(mian)✂️可以加速研究(jiu)進程，另一方面(miàn)通過選擇合适(shì)的計算💰模型✂️提(tí)高多孔孔闆流(liú)量計流場計算(suan)的正确率.
1湍流(liu)模型的選擇
　　由(yóu)于目前尚無對(duì)流場具有普适(shì)性的湍流模型(xing)，科研人員🤟隻能(neng)根據流場概況(kuàng)選擇相對合理(li)的湍流模型.在(zài)近幾年的研究(jiū)中，k-湍流模型被(bèi)廣泛應用，上述(shù)研究取得較🏃好(hǎo)的效果，這說明(ming)雙方程形式的(de)k-0模型在計算近(jìn)壁區流場、含有(you)尾❌渦及剪切層(céng)等流場🏃🏻‍♂️具有較(jiào)好的計算效果(guǒ).
　　由于多孔孔闆(pan)孔分布具有分(fen)散性，流體經過(guò)多孔孔闆後🆚在(zai)管道中形成受(shòu)限性多股射流(liú).射流自孔口出(chu)🈲射後與周圍靜(jìng)止流體間形成(cheng)速度不連續的(de)間斷面，速度間(jian)⭕斷面是不穩定(ding)的，必定會産生(shēng)波動，并發展成(cheng)🌈漩渦，從而👅引起(qi)紊動.這樣就把(ba)原來周圍處于(yu)靜止狀态的流(liú)體卷吸到射流(liú)中，形成射流的(de)㊙️卷吸現象7.根據(jù)文獻[7]中的雙股(gǔ)射流理論，流體(ti)經過多孔孔闆(pǎn)後多股射流間(jian)形成會聚區，最(zuì)終合而爲一進(jin)人聯合區.由于(yu)卷吸現象的存(cún)在，會聚區内形(xing)成射流間回流(liu)區，各股射流與(yǔ)壁面之間産生(sheng)近壁面回流區(qu)，在壁面回流區(qu)和射流間回流(liu)區中有大量的(de)漩渦存在，流場(chang)如圖1所示.

　　由于(yu)射流與周圍靜(jìng)止流體的卷吸(xī)與摻混，相應地(di)産生了對射流(liu)的阻力，使射流(liú)邊緣部分流速(sù)降低，難以保持(chi)💯原來的初始流(liú)速.射流與周圍(wéi)流體的摻㊙️混自(zì)邊緣部分向中(zhōng)心發展，經過一(yī)-定的距離發展(zhǎn)💋到射流中☎️心，自(zi)此以後射流的(de)全斷面上都發(fā)展成🆚湍流.由孔(kǒng)口!邊界開始向(xiàng)内外擴展的摻(chan)混區即爲👉剪切(qiē)層，因此，流體經(jing)過多孔孔闆形(xing)成的多股❗射流(liú)流場中存在較(jiào)多的剪切層.綜(zong)上所述，多孔孔(kǒng)闆流量計的流(liú)場情況較爲複(fú)雜，這就要求湍(tuan)流計算模型對(dui)含有🧡大量漩渦(wō)及剪切層的流(liú)場具有較😘好的(de)計算效果;由于(yu)多孔孔闆流量(liàng)計采用壁👅面取(qu)壓方式，該取壓(yā)方式要求湍流(liu)計算模型對近(jìn)壁區域有♊較好(hao)的計算效果.
　　基(jī)于上述兩方面(miàn)原因，采用雙方(fang)程形式的Standardk-?模型(xing)、SSTk-模型以及🏃‍♀️Standardk-c+SSTk-組合(he)形式分别對10塊(kuài)100mm口徑、β=0.6的多孔孔(kong)闆進行了數值(zhí)模🔴拟與實流實(shí)驗，流速範圍爲(wei)0.5~7.5m/s.本文選擇了其(qi)中3塊具有代💔表(biao)性的多孔孔闆(pǎn)對結🏃🏻果進行說(shuo)明.
2湍流模型
　　Standardk-模(mo)型是一個通用(yòng)雙方程湍流模(mó)型18-9],其中一個變(bian)量是湍動能k，另(lìng)一個變量爲耗(hào)散率.Standardk-?模型是基(ji)于Wilcoxk-模型🐅，該模型(xing)對❤️近壁🈲區域的(de)流動、尾流、射流(liu)、剪切層及低雷(lei)諾數流動有較(jiào)好的預測效果(guǒ).SSTk-0模型是由Menter提出(chu)的🈲雙方程湍流(liú)模型，該模型不(bu)但集成了Standardk-模型(xíng)特點與Standardk-模型對(dui)高雷諾數流動(dong)具有較好計算(suàn)效果的優點㊙️，而(er)且增加了橫向(xiàng)擴散導數項，在(zài)湍流黏度定義(yi)中考慮了湍流(liu)剪切應力的傳(chuan)輸過程🌂.其模型(xing)爲


3建模網格剖(pou)分
3.1多孔孔闆流(liu)量計的幾何結(jie)構
　　圖2爲多孔孔(kǒng)闆流量計結構(gòu)，其中圖2(a)爲流量(liàng)計的整體結構(gou)，圖2(b)爲多孔孔闆(pan)的結構及參數(shù)定義.圖2(b)中D爲多(duo)孔孔闆流量計(ji)的管徑;D1爲中心(xīn)節流孔直徑;D2爲(wèi)環狀排列孔直(zhí)徑📐;D3爲環狀排列(lie)孔的中心圓直(zhí)徑;多孔孔闆中(zhong)心節流孔與環(huán)形排列孔之間(jiān)的距離爲d,環形(xíng)排列孔與管壁(bì)之間的距離爲(wei)d2.圖3爲多孔孔闆(pan)實驗樣機,dh、dh的大(dà)小決定了射流(liu)間回流區及壁(bì)面回流區的尺(chǐ)寸，因此表☀️1中給(gei)出☎️了各樣機的(de)d1、d2的具體數值.

3.2網格(gé)剖分
　　按照流量(liàng)計的實際尺寸(cun)在GAMBIT中建立三維(wéi)計算模型🔞，前直(zhí)管段☀️長度設置(zhì)爲10倍管徑，後直(zhi)管段長度設置(zhi)爲30倍管徑.爲了(le)正确🔱獲得多孔(kong)孔闆附近的流(liú)場變化情況，多(duō)孔孔闆附近采(cai)用sizefunction函🌐數進行加(jiā)密處理，特别在(zai)多孔孔闆的下(xià)遊，加密區域更(geng)大，而在遠離多(duō)🈲孔孔闆的上✉️下(xia)遊直管段區域(yu)的網格逐漸變(bian)得稀疏，最密處(chu)網格尺寸與兩(liang)側稀疏處的比(bǐ)爲1:5.網💁格質量爲(wei)EquiSizeSkew值爲0.75,EquiAngleSkew值爲0.80，AspectRatio值爲(wei)1.0:
3.4.圖4爲多孔孔闆(pan)B仿真模型局部(bu)網格.

4計算結果(guǒ)分析
　　衡量湍流(liu)模型對節流式(shì)流量計數值計(ji)算效果優劣标(biāo)準如♋下.
(1)在同樣(yàng)的流量範圍内(nèi)，比較數值計算(suan)得出的流出🏃‍♂️系(xi)數C與實流實驗(yan)結果是否具有(you)一緻性;
(2)通過對(duì)不同物理量的(de)流場分析，判斷(duàn)計算結果是否(fou)與📐相應流體力(li)學理論-緻.
4.1流出(chu)系數C的計算結(jié)果與分析
節流(liu)式流量計測量(liang)不可壓縮流體(ti)的體積流量計(jì)算公式爲

　　式中(zhōng):qv爲體積流量，m/s;Ap爲(wei)上下遊取壓點(diǎn)測得的差壓值(zhi)，Pa,在仿真實驗中(zhong)，來自流場數值(zhi)計算結束後壓(ya)力場數據的提(ti)取，在實流實驗(yan)🔴中則直接來自(zi)差壓變送器 的(de)讀數;ρ爲流體的(de)密度,kg/m3;β與d分别是(shì)多孔孔闆的等(deng)效直徑比🔆和節(jiē)流孔的等效直(zhi)徑，在實驗中均(jun)爲确定💞的幾何(he)參數;C爲節流式(shi)流量計的流出(chū)系數，該參數是(shi)從仿真計算或(huo)者是實流實驗(yan)中得出，因此節(jiē)流🐪式流量計的(de)流出系數C是評(ping)價🆚節流式儀表(biao)性能的最重要(yào)參數.
爲了便于(yu)書寫，Standardk-、SSTk-、Standardk-+SSTk-?分别采用(yong)如下縮寫形式(shì):
　　STD、SST,STD+SST.圖5~圖7是STD模型、SST模(mó)型及STD+SsT組合形式(shì)在同一雷諾數(shu)範圍内對不同(tóng)結✔️構的多孔孔(kong)闆流量計計算(suàn)得出的流⛱️出系(xi)數C.值🌐和實流實(shí)驗值✌️(EXP)的比較.每(mei)個湍流模型的(de)8個仿真👨‍❤️‍👨實驗點(diǎn)對應人口流速(su)分别爲0.5m/s.1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s、6.0m/s和7.5m/s.
　　在數(shu)值計算過程中(zhong)，對于多孔孔闆(pǎn)A、B,SST模型在計算過(guò)程中🍉發散.從圖(tú)5~圖7可以看出,在(zài)這3種數值計算(suan)方式🧡中，SST模型或(huò)STD+SST模式計算得到(dào)的流出系數C在(zai)變化趨勢與實(shi)流實驗結果吻(wen)合得最好💃;STD模型(xíng)計算得到的流(liu)出系數C的變化(hua)趨勢與實流實(shí)驗之間有㊙️輕微(wei)的差✌️異,但總體(tǐ)趨勢--緻.

　　表2和表(biao)3中定量地給出(chū)了采用各數值(zhi)計算方法得出(chu)的計算結果.表(biǎo)2中定量地給出(chu)了采用各數值(zhí)計算方法得🐉到(dào)的流出系數平(ping)均值、實流實驗(yàn)得出的流出系(xi)數平均值及其(qi)平均值相對誤(wù)差,該誤差定義(yi)爲

　　表3中定量地(dì)給出了采用各(gè)數值計算方法(fa)得到流出系👈數(shù)♍線性度ELA以及實(shí)流實驗得出的(de)流出系數線性(xìng)度ELE,計算流出系(xi)數😄線性度的表(biao)達式爲

式中:Cmaxs爲(wèi)所有流量點中(zhong)流出系數最大(da)值;Cmin爲所有流量(liàng)點中流㊙️出系數(shù)最小值.

　　從表2中(zhong)可以看出,對于(yú)多孔孔闆C,3種計(ji)算模式均收斂(liǎn),STD模型💛計算結果(guo)的相對誤差爲(wei)6.90%,SST模型與STD+SST模式計(jì)算結果的相對(dui)誤差較小，分🏒别(bie)爲4.30%與4.20%.對于多孔(kǒng)孔闆A與💁B,STD模型與(yǔ)STD+SST模式計算結果(guo)♻️的相對誤差均(jun)較小,其中STD+SST模🌂式(shì)對多孔孔闆計(ji)算結果的相對(duì)誤差随🈲着d2值的(de)減💋小而減小從(cóng)表3中可以看出(chū)，利用STD+SST模式計算(suan)多孔孔闆可以(yǐ)較好地反映出(chū)不同形式多孔(kǒng)孔闆的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流出系(xì)數線性度.
4.2不同(tóng)物理量流場分(fèn)析
(1)從上述分析(xi)可知,分别用STD湍(tuan)流模型和STD+SST組合(he)模式計算多孔(kong)孔闆A、B得出的流(liú)出系數計算結(jie)果與實流實驗(yan)結果相🤞對誤差(chà)均較小，但是速(sù)度場和湍流強(qiang)度☁️場卻有很大(dà)差别，如圖㊙️8~圖13所(suǒ)示.Standardk-?湍流模型對(duì)高雷諾♈數湍流(liú)及具有自由剪(jiǎn)切層的湍流具(ju)有很好的計算(suan)效果，SST模型中集(ji)成了Standardk-湍流模型(xing)的這🚩一優點，所(suo)以利用STD+SST模式仿(páng)♌真多孔孔闆A得(dé)到的下遊速度(dù)流🛀場具有明顯(xian)的會聚趨✉️勢，符(fu)合文獻[4]中的雙(shuāng)股理論，而利用(yòng)STD仿真多孔孔闆(pǎn)A得🏃‍♂️到的下遊射(she)流沒有🙇‍♀️明顯會(hui)聚趨勢.多孔孔(kong)闆B的速度場雲(yun)圖雖然符合射(she)流理論，但是利(lì)用STD+SST模式計算的(de)湍流強度場中(zhōng)湍流強度最大(da)的位置在🈲射流(liú)的剪切層中，與(yǔ)文獻[10]結論-緻.因(yin)此可以看出SST湍(tuān)流模型比STD湍流(liu)模型更适合計(ji)算受限性多股(gu)射👨‍❤️‍👨流相互作用(yòng)的流場.

(2)從圖9、圖(tu)11和圖14中可以看(kan)出，相對于多孔(kong)孔闆C,多孔孔闆(pan)A、B的射流間回流(liu)區域較大，壁面(mian)回流區域較小(xiǎo).直接使用SST模♈型(xíng)計💃算射🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流間回(huí)流區域較大多(duo)孔孔闆時的收(shou)斂比較困難，而(ér)STD+SST組合模🔴式不但(dàn)克服了上述缺(quē)點并且計算效(xiào)果較好.

(3)如前文(wen)所述，SST模型在近(jin)壁區以外及剪(jian)切層中集成了(le)Standardk-ε湍流♈模型的特(te)點，而Standardk-ε湍流模型(xing)本身存在缺陷(xian),該模型♊在彎曲(qu)壁面、彎曲流線(xian)等情況下會産(chan)生失真.多孔孔(kǒng)闆A、B、C的壁😍面回流(liú)區依次增大,所(suǒ)以采用壁面取(qǔ)壓方式時,計算(suàn)得👣出流出系數(shù)平均值🔞與實流(liú)實驗得出的流(liu)出系數平均值(zhi)之間的相對誤(wù)差依次🌈減小.
5結(jie)語
　　通過有限體(tǐ)積法數值求解(jiě)Reynolds平均N-S方程,湍流(liu)模型分别用STD模(mo)型👣、SST模型及STD+SST組合(hé)模式對3塊多孔(kong)孔闆流量計進(jin)行了數值模拟(nǐ).結果表明:對于(yu)中心節流孔與(yu)環形排列孔之(zhi)間距離較小的(de)多孔孔闆㊙️，SST模型(xíng)收斂性🚶較好;對(dui)于中心節流孔(kong)與環形排列的(de)小孔之間距🥰離(li)較大的多🌈孔孔(kong)闆,SST模型計算結(jié)果收斂困難,STD+SST組(zǔ)合模式在保證(zheng)👣計算精度的前(qián)提下改善了收(shōu)斂⚽效果.相對STD模(mó)型👌,SST模型更加适(shì)合計算多孔孔(kǒng)闆流量計的👌内(nei)部流場,計算結(jie)果與射流力學(xue)中的🐕雙股射流(liu)理🍉論-緻,與實流(liu)實驗結果誤差(chà)的最大值爲4.2%,并(bìng)且能反映出不(bú)同多孔孔闆流(liú)出系數線性度(du)的差異.因此，利(lì)用該方法⁉️計算(suàn)多孔孔闆流場(chang)對優化多孔孔(kǒng)闆✉️結構📞具有一(yi)定的指導意義(yi)，并且對其他具(ju)有射流性質的(de)流場仿真具有(yǒu)一定的參考價(jià)值.

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