摘要:本文(wen)分析了孔(kong)闆流量計(ji)的結構,其(qí)工作原理(lǐ)屬差壓流(liú)量計範疇(chou),從仿真角(jiǎo)度對⭐孔闆(pan)流量計進(jìn)行瞬态分(fen)析,得出“壓(ya)差-流量點(diǎn)”、“壓差😄開方(fāng)根-流量點(diǎn)"的拟合方(fang)程,流量值(zhí)x;與壓差開(kai)🈲方根yi的線(xian)性關系;随(sui)着流量的(de)逐漸增大(dà),壓差差值(zhi)呈增大的(de)趨勢.且流(liú)體介質的(de)分子量越(yue)👌大,k系數越(yue)🔱小;相較于(yu)對稱偏離(li),偏離程度(du)的大小對(dui)h系數的影(ying)✍️響不穩定(ding),呈💛先增大(dà)後減小、再(zai)增大波浪(lang)線上升的(de)趨勢,沒有(you)嚴格的規(guī)律而‼️言。
0引(yǐn)言
孔闆流(liú)量計是根(gen)據伯努利(lì)公式,利用(yong)流體在流(liú)動過程中(zhōng)遵守能量(liàng)守恒定律(lü),即動能和(he)靜壓能之(zhi)和不變💛,以(yǐ)流體通過(guò)節流作🐕用(yong)的孔闆時(shí)産生壓差(chà)的原理而(ér)進行測量(liang),廣泛應用(yong)于石油、化(huà)工、冶金、電(diàn)力、供熱供(gong)水等領域(yu)的過程控(kong)制📱和測量(liàng)。”
目前,CFD仿真(zhen)手段是比(bi)較熱門的(de)方法,廣泛(fàn)應用于産(chǎn)品設計、優(yōu)化參數。采(cǎi)用solidworks軟件建(jian)立DN150标準孔(kong)闆流量計(ji)幾何模型(xing),基于CFD軟件(jian)對此狀态(tai)下孔闆流(liú)量計内部(bu)流場進👅行(hang)數值模拟(nǐ)分析;等應(ying)用FLUENT流體仿(pang)真軟件,對(dui)空氣經過(guo)孔闆㊙️前後(hòu)的壓力和(hé)速度進行(háng)仿真研究(jiū);'應用計算(suàn)流體力學(xué)軟件,對不(bú)同結構參(can)數的孔闆(pan)流量計進(jin)行數值模(mo)拟;運用CFD方(fāng)☂️法,在Fluent軟件(jiàn)中采用标(biāo)準k-e模型和(he)離散相模(mo)型對孔闆(pǎn)内濕天然(ran)氣流動進(jìn)💛行模拟，将(jiāng)模拟💋結果(guo)與NEL實驗數(shù)據進行驗(yan)證;(5]趙奇等(deng)以計算流(liu)體力學(CFD)爲(wèi)工具🥰,模拟(ni)了标準孔(kong)闆流量計(jì)與一類兩(liang)通道非标(biāo)💋準孔闆流(liú)量計的内(nei)部流場;[6]李(li)過房自主(zhǔ)開發了孔(kong)闆流星計(jì)流場的數(shù)值模拟軟(ruǎn)🤟件,詳細分(fèn)析軟件收(shōu)斂的條件(jiàn),并給出了(le)在層流和(hé)湍流條件(jiàn)下流出系(xì)數的計算(suàn)結果;采用(yòng)計算流體(tǐ)力學(CFD)模拟(ni)方法對孔(kong)闆流✨動進(jìn)行了較準(zhun)确的預測(ce);等采用CFD模(mó)拟方法,确(què)定了單相(xiàng)非牛頓流(liu)體的流量(liàng)系數與雷(léi)諾數(比0.4.0.6和(hé)0.8)的關系,并(bing)對不同濃(nóng)度的非牛(niú)頓流體的(de)流量系數(shu)進行了分(fèn)析。
此外,孔(kong)闆流量計(ji)作爲差壓(ya)流量計範(fan)疇,流經孔(kong)闆的👌流量(liang)🌍與節🌍流件(jian)前後壓差(cha)開方根成(chéng)一定的線(xian)性關系,存(cun)在h系數,但(dàn)很少有人(ren)對k系數的(de)影響因子(zǐ)進行分析(xi),本文将從(cóng)以下幾個(ge)方🐆面去探(tan)讨不同楔(xiē)角大小、不(bu)同🌈流體介(jie)，質不同偏(pian)離情況對(dui)壓差及k系(xi)數✔️的影響(xiang),爲在實際(jì)檢測、使💋用(yong)及産品設(she)計等領域(yu)提供參考(kao)。
1孔闆流量(liang)計結構與(yǔ)工作原理(lǐ)
1.1孔闆流量(liàng)計結構
孔(kǒng)闆流量計(ji)屬于差壓(ya)流量計範(fàn)疇,作爲一(yī)個節流件(jian),使上下遊(you)産生壓力(li)差，主要分(fen)爲标準孔(kong)闆和非标(biāo)準孔闆(錐(zhuī)形人口孔(kong)闆、1/4圓孔闆(pan)、偏心孔闆(pan)、圓缺孔闆(pan)、多孔孔闆(pǎn)等)。其結構(gòu)簡單,如圖(tu)1所示:D爲管(guǎn)道内徑,d爲(wei)孔闆内徑(jìng),E爲孔闆厚(hou)度,e爲節⛷️流(liú)孔厚度。其(qi)中d≥12.5mm,出口楔(xie)角φ在30°~60°之間(jian)，e在(0.005~0.02)D之間,E在(zài)e~0.05D之間。
1.2工(gōng)作原理
孔(kong)闆流量計(ji)工作時，是(shì)将孔闆與(yu)多參數差(chà)壓變送器(qi)(或差壓變(bian)送器、溫度(du)變送器及(ji)壓力變送(song)器)配套組(zu)成的差壓(ya)流量裝置(zhi),可測量氣(qì)體、蒸汽、液(ye)體🌈等介♉質(zhì)的🐇流量,孔(kǒng)闆流量計(ji)的流量公(gōng)式爲:
式中(zhong):qv---流過孔闆(pǎn)流量計的(de)體積流量(liang),m³/h;
C---流出系數(shu),通過标準(zhun)流量實驗(yan)裝置檢定(ding).得到;
ε---膨脹(zhang)系數,當被(bei)測介質爲(wei)液體時,ε=1可(kě)忽略,當被(bèi)測介質爲(wèi)氣體時,因(yin)介質可壓(yā)縮,ε爲小于(yú)1的數值,需(xū)要經過研(yán)🏃♀️究方能得(dé)到;
m---流通截(jié)面與管道(dao)截面之比(bǐ),僅與孔闆(pǎn)流量計相(xiang)關幾何參(cān)數📐有關;
D--管(guan)道内徑,m;
△p---孔(kong)闆節流件(jian)前後産生(shēng)的差壓，由(you)差壓變送(song)器測量得(dé)🛀到,Pa;
ρ---被測流(liu)體密度,kg/m³。
因(yin)此C、ε、m、D、ρ爲常數(shù),設:
由式(3)可(ke)知,流過孔(kǒng)闆流量計(jì)的體積流(liu)量與節流(liu)件前後壓(yā)差的開方(fang)根呈線性(xing)關系,且經(jing)過原點。
2仿(pang)真理論與(yu)試驗方案(an)設計
2.1模型(xing)建立
本文(wen)三維模型(xing)建立由SolidWorks2020完(wán)成,根據上(shàng)文1.1中有關(guan)要求,初步(bù)設㊙️計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立(lì)數學模型(xíng)。
2.2仿真理論(lùn)分析[2]
計算(suàn)流體動力(li)學基本思(sī)想是把原(yuán)來在時間(jiān)域及空間(jian)域上連續(xu)的物理量(liàng)的場(速度(du)場、壓力場(chǎng)等),用一系(xì)💘列有限個(gè)📧離散點上(shàng)的變量值(zhí)的集合來(lai)代替,通過(guo)一💜定的原(yuan)則和方式(shì)建立起關(guān)于這些離(lí)散點💃🏻上場(chǎng)變量📱之間(jian)關系的代(dài)數方程組(zu),然後🔆求解(jiě)方程組獲(huo)得場變量(liàng)的近似值(zhí)。
2.3試驗思路(lù)
通過仿真(zhēn)分析:一是(shì)研究流體(tǐ)介質在管(guǎn)道内的流(liú)動狀态‼️,根(gen)據🐆2.1相關參(can)數建立模(mó)型,滿足“前(qian)十後五”直(zhí)管段🙇🏻要求(qiu),進行瞬時(shí)動态🌐分析(xī),研究壓力(li)、流速的分(fèn)布及變♋化(hua)規律;二是(shì)研🈲究不同(tong)楔角φ對k系(xi)數及節流(liu)件前後壓(yā)差的影響(xiǎng),分别取ψ爲(wei)30°、40°、45°、50°,60°條件下k系(xì)數的變化(hua)🙇♀️規律;三是(shi)研究不同(tóng)流體介質(zhì)對h系數的(de)影響,分别(bie)取流體介(jie)質爲空氣(qi)、水、天然氣(qì)等對k系數(shù)的影響;四(si)是根據上(shang)下遊管道(dào)夾持孔闆(pǎn)形成🐕偏心(xīn)狀态,研究(jiū)⛱️孔🌈闆對中(zhōng)性對h系數(shù)的影響等(děng)。
3仿真分析(xī)
3.1瞬态分析(xi)
根據2.1參數(shù)設計,建立(lì)模型;分析(xi)類型選擇(zé)内部,排出(chū)内部不具(jù)㊙️備流動條(tiao)件的腔,物(wu)理特征選(xuan)擇瞬态分(fèn)析,分析總(zǒng)時間設定(dìng)爲2s,輸出時(shí)間步長設(shè)定爲0.02s;進行(háng)瞬态分析(xī)選擇流體(tǐ)介質爲空(kōng)⭐氣,入口流(liu)量分别選(xuǎn)✔️取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等16個流(liú)量點;如圖(tu)🤩2所示,上、下(xia)遊取壓口(kǒu)壓差随着(zhe)人口流量(liang)的💋增大呈(chéng)增大趨勢(shi);設x爲各流(liú)量點.單位(wei)🍓爲m³/h,yw爲各流(liu)量點對應(ying)的上/下遊(yóu)取壓口壓(yā)差值🐅、單位(wèi)爲Pa,y爲xix0.5、單位(wèi)爲Pa0.5。
瞬态分(fèn)析如圖3所(suo)示,以了解(jie)孔闆流量(liang)計在進行(háng)工🏒作🧑🏾🤝🧑🏼時,介(jie)質的流動(dòng)狀态及壓(yā)力、速度實(shí)時分别情(qing)況。設定進(jìn)口✌️流量爲(wei)100m³/h,出口壓力(li)條件爲标(biāo)準大氣壓(ya)、溫度爲20℃;孔(kong)🔱闆流量計(jì)的結構設(shè)計造成氣(qi)🌈流通道變(bian)窄(管道突(tu)然變徑),氣(qì)流進入管(guǎn)道短時間(jian)(0.005s)内上遊取(qu)壓口壓力(li)突然增大(da),空氣流動(dong)加劇,下遊(you)管道壓力(li)突然間變(bian)小形成負(fù)壓區,但壓(yā)力🆚分布不(bú)明顯,僅🛀🏻在(zai)孔闆口周(zhou)圍形成不(bú)同壓力分(fen)層;下遊管(guǎn)道壓力出(chū)現明顯分(fen)層、且逐漸(jiàn)趨于穩定(ding)。
根據仿真(zhen)數據得出(chu)“壓差-流量(liàng)點”、“壓差開(kāi)方根-流量(liàng)點🌈”的👌拟合(hé)方程,分别(bie)爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
由于孔(kong)闆流量計(jì)工作原理(lǐ)屬差壓流(liu)量計範疇(chou),流量值xi與(yu)✨壓差開方(fang)根yi存在線(xian)性關系,通(tōng)過變形可(ke)得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
則通過(guo)自定義設(shè)置截距爲(wèi)0,xi=24.533yi,即系數k=24.533。
3.2不(bú)同楔角φ對(duì)h系數、壓差(cha)差值的影(yǐng)響
根據2.1參(can)數設計，建(jiàn)立模型,其(qí)他條件不(bu)變，隻改變(bian)楔角的大(dà)小，分别取(qu)φ爲30°、40°.45°、50°、60°條件下(xia)k系數的變(biàn)化規律;仿(páng)真流程如(rú)3.1所述。得到(dào)結果如圖(tú)4所示,不同(tóng)楔角下，“壓(ya)差✨開方根(gēn)-流量點”均(jun)呈理想線(xian)性👣關系(R2=1),圖(tu)像幾乎是(shi)重合的,說(shuo)明楔角對(dui)h系數影響(xiang)較🌈小;線性(xing)關✊系分别(bie)爲:
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
令截距(ju)均爲零,則(ze)楔角30°、40°、45°、.50°.60°對應(yīng)的系數k分(fèn)别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
通過(guo)計算,不同(tong)楔角條件(jiàn)下,仿真壓(yā)差與計算(suàn)壓差🧡基本(ben)一緻,如🔱圖(tu)5所示，
不難(nán)發現:整體(tǐ)來看,不論(lun)楔角是哪(na)一種情況(kuang)，在50m³/h以内的(de)流量下,差(cha)值基本--緻(zhi),且均接近(jìn)于0;随着流(liú)量的逐漸(jian)增大,壓差(cha)差值呈增(zēng)大的趨勢(shì);楔角40°和楔(xiē)角45°條件下(xia)，差🙇♀️值變化(hua)⛹🏻♀️趨勢基✊本(ben)緻,且偏離(lí)方向一緻(zhi);楔角50°與楔(xie)角60°條件下(xia)，差值基本(běn)重合,且偏(piān)離方向一(yi)緻;楔♍角30°對(duì)差值的影(ying)響最大,在(zài)流量爲500m³/h時(shi),達📧到最大(dà)值1.94Pa。流🌈量400m³/h是(shì)差值的🏃♀️“拐(guai)點”，當楔角(jiǎo)爲40°、45°時,差值(zhí)最大,之後(hou)差值🎯開始(shǐ)降低;當楔(xiē)角爲30°、50°、60°時，差(chà)值開始突(tū)然變大。
3.3不(bu)同流體介(jiè)質對h系數(shù)的影響
爲(wèi)了研究不(bu)同介質對(duì)k系數的影(yǐng)響,本文選(xuǎn)擇氣态水(shuǐ)、空🐉氣🥵、甲烷(wan)🌈等三種氣(qì)體作爲流(liu)體介質進(jìn)行單因素(sù)試驗仿真(zhēn)，取楔角爲(wei)45°等✌️其他參(cān)數因素不(bú)變進行仿(páng)真,結果如(ru)圖6所示;三(sān)種不同介(jie)質條件下(xia)，壓差與流(liú)量的關系(xì)分别爲:
由(you)于孔闆流(liú)量計工作(zuo)原理屬差(chà)壓流量計(ji)範疇，流量(liang)值xi與㊙️壓差(cha)開方根yi存(cún)在線性關(guan)系,根據3.1分(fen)析,氣态水(shuǐ)、空氣、甲烷(wan)等🔴三種氣(qì)體🔞作爲流(liu)體介質對(duì)應的系數(shù)h:分别爲31.407、24.533.33.304;綜(zong)上所述,流(liu)體介質不(bú)同,壓差與(yǔ)流量、壓💛差(chà)開方根與(yǔ)流量的變(biàn)化趨勢一(yī)緻,但不☁️同(tóng)流體介⁉️質(zhì)對應的k系(xi)數卻相差(chà)很大。
根據(jù)三種氣體(ti)介質的分(fen)子量分别(bie)爲18(H20)、29(空氣)、16(CH4),與(yǔ)k系數的對(dui)🙇♀️應❤️關系如(rú)圖7所示;流(liú)體介質的(de)分子量越(yue)大,h系數越(yue)小;随着分(fen)子量的增(zeng)大、h:系數逐(zhu)漸減小。
3.4孔(kǒng)闆對中性(xìng)對k系數的(de)影響
本文(wen)孔闆對中(zhōng)性是指在(zài)安裝孔闆(pan)或實驗室(shì)檢定孔闆(pan)♍時,孔闆孔(kǒng)口的中心(xin)線與管道(dao)中心線--緻(zhi)程度⭕,将上(shàng)述中心線(xiàn)的偏離距(jù)離作爲試(shi)驗因子;如(rú)圖8所示,偏(piān)離分爲對(dui)稱偏離(DCPL)和(hé)偏離(PL)兩種(zhong);分别取偏(piān)離距🌈離△x爲(wei)5mm、10mm、15mm.20mm,楔角爲45°,介(jie)質爲🚶空氣(qi)進行♈仿真(zhen)實驗等。
如(rú)圖9所示,仿(páng)真結果顯(xian)示:不論哪(nǎ)種偏離情(qíng)況壓差與(yu)㊙️流❄️量🐅的關(guan)系曲線(變(bian)化趨勢)是(shi)一緻的,且(qie)幾乎是♋重(zhòng)合的,并随(suí)着流量的(de)不斷增大(da),壓差也不(bú)斷成增🛀🏻大(dà)趨勢;根據(jù)3.3中流量值(zhí)xi與壓差開(kāi)方根yi存在(zài)線性關系(xì),得出不同(tong)偏離情況(kuàng)下對應的(de)k系數,對稱(chēng)偏離的情(qing)況下,随着(zhe)✉️偏離程度(du)的增大h系(xì)數呈增大(da)趨勢;相較(jiào)于對稱偏(piān)離,偏離程(cheng)度的大小(xiǎo)對h系數的(de)影響不穩(wen)定,先增大(da)後減小再(zài)增🚩大波浪(lang)線上升的(de)趨勢,沒🤞有(you)嚴格的規(guī)律而言♍;因(yin)此,在使用(yòng)或檢定孔(kǒng)闆流量計(ji)時,--定要保(bao)證對中性(xing)🐅，這樣檢出(chu)來的數據(jù)才有意義(yi)。
4結論
通過(guò)建模進行(háng)仿真實驗(yàn)得出以下(xia)結論:
(1)分析(xī)了孔闆流(liú)量計的結(jie)構,其工作(zuo)原理屬差(chà)壓流量🐕計(ji)範疇，推導(dao)出流量值(zhí)xi與壓差開(kāi)方根yi之間(jiān)存在線性(xing)♻️關系,且通(tōng)⭕過原點。
(2)完(wan)成對孔闆(pǎn)流量計瞬(shun)态分析,得(de)出“壓差-流(liú)量點”、“壓差(chà)💃🏻開方根-流(liú)量點”的拟(ni)合方程,根(gēn)據.流量值(zhi)xi與壓差開(kai)方🏃♂️根yi的線(xiàn)性關系,通(tong)過自定義(yi)設置截距(ju)爲0,得出h系(xi)數。
(3)不同楔(xiē)角φ對h系數(shu)、壓差差值(zhi)的影響:楔(xiē).角30°、40°、45°、50°、60°對應的(de)系數k分别(bie)爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不論楔(xie)角是哪一(yī)種情況,在(zai)50m³/h以内的流(liú)量下,差值(zhi)基本一緻(zhì),且👨❤️👨均接🛀近(jin)于0;随着流(liú)量的逐漸(jian)增✂️大,壓差(chà)差值呈增(zēng)大的趨勢(shi)。
(4)氣态水、空(kōng)氣、甲烷等(deng)三種氣體(ti)作爲流體(tǐ)介質對應(yīng)的系數k分(fen)别🍓爲31.407、24.533.33.304;且流(liu)體介質的(de)分子量越(yuè)大,k系數越(yue)♌小;随着分(fen)子量的增(zēng)大.h系⛹🏻♀️數逐(zhu)漸減小。
(5)不(bú)論哪種偏(piān)離情況,壓(ya)差與流量(liàng)的關系曲(qǔ)線(變化趨(qu)勢)是🏃一.緻(zhi)的,且幾乎(hū)是重合的(de)，并随着流(liú)量的不斷(duàn)增大,壓差(chà)也不斷成(cheng)增大趨勢(shì);但在對稱(chēng)偏離的情(qíng)況下,随着(zhe)偏離程度(dù)的增大k系(xì)數呈增大(da)趨勢;相較(jiao)于對稱🧑🏾🤝🧑🏼偏(pian)離,偏離程(chéng)度的大小(xiǎo)對h系數的(de)影響不穩(wen)定,先增大(da)後減小再(zài)增大波浪(lang)線上⛱️升的(de)趨勢,沒🛀🏻有(you)嚴格的規(gui)律而言。
綜(zōng)上所述,在(zài)設計孔闆(pǎn)流量計時(shi),一定要考(kao)慮流量範(fàn)圍🧑🏾🤝🧑🏼及楔角(jiao)大小的選(xuǎn)擇兩個重(zhong)要因素;在(zài)使用時,-定(dìng)要保證對(dui)中🛀🏻性,這樣(yang)得出的數(shù)據才有意(yi)義。另外,在(zài)對孔闆流(liú)量計(差壓(yā)流量計)進(jin)行檢測時(shí),出.具證⛱️書(shu)一定要給(gěi)出檢定介(jie)質,用戶🧡在(zài)使用時🔞，一(yi)定要注❄️意(yi)檢定用介(jie)質與實際(jì)流體介質(zhi)的差别,适(shì)時進行修(xiū)正,才能保(bǎo)🏃🏻♂️證流量計(jì)的性能準(zhun)确結算科(ke)學,以免帶(dai)來不必要(yào)的麻煩等(děng)。
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