摘要(yao):多孔孔闆流量(liàng)計 尾流流動特(tè)性是影響計量(liàng)性能的關鍵,爲(wei)了分析💚節🚩流孔(kǒng)前後倒角對尾(wěi)流流動特性的(de)影響規律、優化(hua)多孔孔闆結構(gòu),針🐆對DN100、節流比爲(wei)0.67的多孔孔闆,本(běn)研究利用CFD技術(shu)對帶倒角多孔(kǒng)孔闆的尾🍉流流(liú)場進行計算，從(cong)而揭示節流孔(kǒng)前後倒角對計(ji)量☀️性能的影響(xiang)規律,并利用實(shí)流實驗進行驗(yan)證。研究結果表(biao)明:前倒角是降(jiang)低永久壓力損(sǔn)失的關鍵因素(su),但無法提高計(jì)量精度,當前倒(dao)角🙇🏻在30°~60°時,永久壓(yā)力損失爲相同(tóng)節流比的标準(zhun)孔闆的50%,流出系(xi)數線性度誤差(cha)随前孔倒角角(jiao)度的增大而提(ti)高,當前倒角爲(wei)60°時,與無前孔倒(dǎo)角的多孔孔闆(pǎn)流量計線性度(dù)誤差接近;在🐇45°~60°範(fàn)圍内,後倒角對(duì)尾流流♉場具有(you)較好調整作用(yòng),從而拓🛀🏻寬量程(chéng)範圍、提高計量(liàng)精度。由此得出(chu),前倒角爲60°、後倒(dao)角在45°~60°範圍内的(de)多孔孔闆🏃🏻‍♂️計量(liang)✍️性能有較大的(de)提高。
1引言
　　傳統(tǒng) 差壓式流量計(jì) 雖然具有結構(gòu)簡單、價格低廉(lian)、實驗數據豐富(fu)、實現标準🐅化等(děng)優🚶‍♀️點，但是隻有(yǒu)在符合标準要(yao)求的技術😘條件(jian)🥵下,才能準确地(dì)測量流量。在工(gōng)程實際應用中(zhōng),很多工⛷️況條件(jian)無法滿🚩足測量(liàng)要求,例如雷諾(nuo)數低于标準中(zhōng)推薦的雷🔞諾數(shu)範圍㊙️、測量介質(zhì)複雜等。在這些(xiē)情況下,非标準(zhun)差壓式流量計(ji)就顯示出它的(de)🔞優越性,目前具(jù)有代表性非标(biao)♊準差壓式流量(liàng)👨‍❤️‍👨計主要是 錐形(xíng)流量計 和多孔(kong)孔闆流量計。錐(zhui)形流量計具有(you)自清潔、自整流(liú)、量程範圍寬精(jīng)度高、壓損低、前(qián)後直管段短等(deng)有優點🈲而被廣(guang)泛🐕應用。該流量(liang)計不但具有錐(zhuī)形流量計的優(yōu)點，而且結構簡(jiǎn)單、安全性高,在(zài)國際上引起關(guan)注,在中國廣泛(fan)應用。
　　爲了掌握(wò)多孔孔闆流量(liang)計的核心技術(shù),國内科研技術(shù)人員開㊙️始對該(gāi)流量計進行研(yan)究。對多孔孔闆(pǎn)👌流量計進行實(shí)㊙️驗研究，研究結(jie)果表明該流量(liàng)計的🔴計量性能(néng)遠高于标準孔(kong)闆。對特定節流(liú)孔布局方式的(de)多孔孔闆的局(ju)部阻力系♈數及(ji)影響該系數的(de)關鍵因素進🏒行(hang)研究。文獻[7]利用(yòng)實驗方法研究(jiu)了節⭕流孔分布(bu)、孔闆厚度、以及(jí)擾動對多孔孔(kong)闆的♉流出系數(shu)C的影響。2010年至今(jīn),主要成果如下(xia):利用CFD數值模拟(ni)技術準确預測(cè)多孔孔闆流量(liang)計内部流場[89];研(yan)究結⭐構參數對(duì)計量性能的影(yǐng)響,确定了合理(lǐ)的節流孔布局(ju)方式[10];基于射流(liú)的卷吸效應,利(lì)用回流通量建(jian)♌立了計量性能(néng)與微觀流場之(zhī)間的關系,從而(er)實現⛹🏻‍♀️對多孔孔(kǒng)闆流量計的優(you)化“”]。上⭐述研究成(cheng)果均是在節流(liu)孔無倒角的情(qíng)況下取得的🈲,計(jì)量性能沒有達(dá)到A+FlowTeK的性能指标(biao)，但是在研究中(zhōng)發現，倒角對多(duō)孔孔闆流量計(ji)的永久壓力損(sun)失和計量精❄️度(dù)均有較大影響(xiang),國内外尚無關(guan)于孔倒角對多(duō)孔孔闆計量性(xìng)能影響的文獻(xiàn)報道,因此㊙️,本文(wén)利用CFD技術揭㊙️示(shì)前後🐆孔倒角對(dui)多孔孔闆流量(liàng)計尾流流動特(te)性的🔴影響規律(lǜ),從而優化結構(gòu)、進--步提高計量(liàng)性能🏃‍♂️。
2尾流流場(chang)對流量計性能(neng)影響
2.1流量測量(liàng)原理
　　多孔孔闆(pǎn)流量計的簡化(huà)結構如圖1所示(shi),即在封閉的🐆管(guǎn)道内同軸安裝(zhuang)多孔孔闆,來流(liú)方向如圖中箭(jian)頭所示,采🚩用法(fa)蘭方式取壓。
 
　　如同(tong)其他類型的差(chà)壓式流量計,多(duo)孔孔闆流量計(jì)的工作⁉️原理🐪同(tong)樣基于能量守(shǒu)恒定律和質量(liang)守恒定律,即遵(zun)守以下事實規(guī)律:流體流經節(jiē)流件時将被加(jiā)速🚶‍♀️,流體動能增(zēng)加，在流體被加(jiā)速⭐處,其靜壓力(li)會降低一個相(xiang)對應的值,不可(ke)壓縮流體的體(tǐ)積流🐉量計算公(gōng)式爲:
 
　　式中:qv是體(ti)積流量,m³/s;△p爲差壓(ya),Pa;C爲流出系數,無(wu)量綱,該參數是(shì)從實🍓驗中獲得(dé);ρ爲流體密度,kg/m³;β爲(wèi)等效直徑比;d,爲(wei)節流孔的等效(xiao)直徑;p1爲上遊靜(jing)壓,P2爲下遊靜壓(yā)。由式(1)知，流出系(xì)數C是🌈影響多孔(kong)孔闆流量計性(xìng)能的唯--參數,通(tōng)過水量标準裝(zhuāng)置實流标定得(dé)到差壓,利用式(shì)📐(4)計算得到流出(chu)系數C,從式(4)可知(zhi),Op是影響流出系(xi)數C的關鍵因素(su)。--定量程比下流(liu)出系數線性度(dù)誤差是評價多(duo)孔孔闆流量計(ji)精度等級的重(zhòng)要指标,多孔孔(kong)💜闆流量計的流(liu)出系數線性度(dù)誤差記作δt。
 
2.2計量(liàng)性能與尾流流(liu)場的關系
　　式(1)是(shi)由伯努利方程(cheng)(式(6))推導得到,而(er)伯努利方程是(shi)基于同一流線(xian)的假設,在同一(yi)流線.上式(6)成立(li)。
 
式中:ɷ爲渦量;V爲(wèi)速度矢量;r爲觀(guan)測點與旋轉中(zhong)心之間的矢徑(jing)。
　　渦量主要集中(zhong)在靠近多孔孔(kong)闆的尾流區域(yu)内,并且🈲渦量♈出(chu)🔞現在各股射流(liu)的邊界中，上遊(you)渦量較小。由式(shi)(4)、(7)、(6)可知，流出系數(shù)C主要受尾流流(liu)場速度分布影(ying)響。
多孔孔闆流(liu)量計永久壓力(li)損失w的表達式(shì)爲:
ɷ=E+T1+T2(9)
　　式中:E尾流流(liú)場中漩渦運動(dòng)所消耗的能量(liàng);T1是節流件本身(shen)造成的局部損(sǔn)失，節流孔前後(hòu)倒角對流速及(ji)流💯體與節流☂️孔(kǒng)的接觸面積改(gai)變很小，故T1可認(rèn)爲不變;T2是☀️沿程(cheng)損失，不受節流(liu)孔是否帶倒角(jiǎo)影響。因此,E是反(fǎn)映倒角對多孔(kǒng)孔闆流量計永(yǒng)久✍️壓力損失影(yǐng)響的關鍵參數(shù)。綜上所述，尾流(liu)流場中的漩渦(wō)是影響多孔孔(kong)♊闆流量計計量(liang)精度及永久壓(yā)力損失的關鍵(jiàn)因🍉素。近年來,CFD技(ji)術在流場計算(suan)中廣泛應用u[12-46]，因(yin)此本研究利用(yong)CFD技術來揭.示倒(dao)角對尾流流場(chang)中漩渦的影響(xiang)規律。
3網格剖分(fen)與湍流模型選(xuan)擇
　　按照流量計(jì)的實際結構與(yu)尺寸在GAMBIT中建立(lì)三維模型，前直(zhí)管段長度設置(zhì)爲15D(D爲管徑),後直(zhi)管段長度設🚶‍♀️置(zhi)爲📱30D。爲了準确捕(bu)捉多孔孔闆附(fù)近的流場變化(hua)細節，多孔孔闆(pǎn)的壁面及節流(liú)孔👨‍❤️‍👨的網格🈚尺寸(cùn)較小，并🚶滿足倒(dǎo)角處的網格沿(yán)流向數量大于(yú)等♉于2,從而可🏒以(yi)比較準确的捕(bu)捉倒角對流場(chang)細節的影響。剩(sheng)餘♍網格從多孔(kong)🏒孔闆向管道入(rù)口和出口逐漸(jian)稀疏,這樣的網(wang)格剖分方式既(ji)減少網格數量(liang)提高計算效率(lǜ)，又能準确的反(fǎn)應流場細節提(ti)高計算精度。網(wǎng)格剖分如圖2所(suo)示，單個mesh文件的(de)網格數量在300~400萬(wan)。
 
　　介質經過多孔(kǒng)孔闆後形成多(duō)股受限性射流(liú),流場👅情況較爲(wèi)複雜，這就要求(qiu)湍流計算模型(xíng)對含有大量漩(xuán)渦及🌐剪切層的(de)流場具有較好(hǎo)的計算效果;多(duō)孔孔闆✏️流量計(ji)采用壁面取壓(ya)方式，該取壓方(fāng)式要💜求湍流計(ji)算模型對近壁(bì)區域有較好的(de)♋計算效果。本研(yán)究選擇🔞SST(剪切應(yīng)力傳輸)k-ɷ湍流模(mó)型。該模型是由(you)Menter提出的雙方程(cheng)湍流模型,集成(cheng)了Standardk:w模型與Standardhte模型(xing)的特點。不但在(zai)近壁區域及尾(wei)流有很好😘的預(yù)測效果,而且在(zai)高雷諾數流動(dong)📐區域和剪切層(céng)中有較好的預(yù)測效果。
4節流孔(kong)倒角對多孔孔(kong)闆尾流流場的(de)影響
4.1多孔孔闆(pan)尾流流場
　　本文(wen)以結構如圖3所(suo)示的兩層孔的(de)多孔孔闆爲研(yán)究對象，第🧡1層爲(wei)中心節流孔,第(dì)2層爲軸向對稱(cheng)等距🌈離分布節(jie)流孔。λ爲前孔倒(dǎo)角，α爲後孔倒角(jiao)，λ與α取值分⛹🏻‍♀️别爲(wèi)0°、30°、45°、60°。樣機的命名規(gui)則爲λ-α,如60°45°表示前(qian)倒角爲60°後倒角(jiao)爲45°的多孔孔闆(pǎn)樣機。
 
　　介質經過(guo)多孔孔闆後形(xíng)成如圖4所示多(duō)股射流,流場👄中(zhōng)存在壁面回流(liu)區和射流間回(huí)流區，在回流區(qu)中存🏃🏻‍♂️在回📞流渦(wo)㊙️等各✨種變化的(de)漩渦，是影響多(duō)孔孔闆流量☎️計(jì)計量性能的♌主(zhu)要因素。本研究(jiū)中射流間回流(liú)區尺寸很小，對(dui)計量性能的影(yǐng)響可忽略,壁面(miàn)回流區是影♻️響(xiǎng)多孔孔闆流量(liàng)計計量性能的(de)關鍵，圖中L爲回(hui)流區長度,01、02分别(bié)表示，上下側壁(bi)面回流區中渦(wo)心位🐇置坐标♊。回(hui)流區中漩渦的(de)結構、渦.心位置(zhì)及個數和回流(liú)區長度是反映(ying)回流區特征的(de)
 
　　即爲再附着點(diǎn)位置，再附着點(dian)至多孔孔闆下(xia)遊壁面☁️的距離(li)爲回流區長度(du)。永久壓力損失(shī)系數與回流區(qū)長度的無量綱(gang)值的關系式如(ru)式(10)-l:
 
　　式中:△p爲永久(jiu)壓力損失，u爲入(ru)口速度，ρ爲流體(ti)密度，L爲回流區(qu)長度的無量綱(gang)值。從式(10)中可以(yǐ)得出,在相同的(de)入口速度下，永(yǒng)久壓力損失随(suí)回流區長度的(de)增大而增🌈大凹(āo)。因此,本研究在(zai)入口雷諾數在(zai)3.5x104≤Re≤5.3x105範圍内，以β=0.67,管徑(jing)D=100mm,厚🌐度t=8mm的多孔孔(kong)闆爲例分析孔(kong)倒角對尾流🛀流(liu)場中回流區長(zhǎng)度及回👉流渦的(de)影響規律。
 
4.2無倒(dao)角的多孔孔闆(pan)流量計的回流(liu)區特征
　　圖5爲前(qian)倒角λ與後倒角(jiǎo)α均爲0°的多孔孔(kǒng).闆在，入口雷諾(nuò)數3.5x104≤Re≤5.3x105的範圍内的(de)尾流流場的流(liu)線圖,無倒角多(duo)孔孔闆流場中(zhong)的☔回流區特征(zheng)如表1所示。
 
 
　　從表(biǎo)1中可以看出壁(bì)面回流區中漩(xuan)渦結構、渦心位(wèi)置均與管道入(rù)口雷諾數Re相關(guān)。該多孔孔闆的(de)實流實驗結果(guo)爲:3.5x104≤Re≤5.3x105,線性度δ1=1.8%;5.8x104≤Re≤5.3x105線性(xing)☎️度δ1=0.72%。由此可以得(dé)出，壁面回流區(qu)中漩渦随管道(dao)入口雷諾數的(de)增加而達到穩(wen)🐕定狀态,進入穩(wen)定狀态的入口(kou)雷諾數下限爲(wei)Remin。當Re<Remin，壁面回流區(qu)中渦心位置不(bú)🌈固定，甚.min至有多(duo)個回流渦🔆存在(zai)，漩渦之間💋的相(xiàng)互運動、破💘裂及(jí)合并等過🐪程較(jiào)爲複雜，對壁面(mian)回流區的流場(chang)擾動較大，從而(er)使該區域的靜(jing)壓波動強💋烈，計(jì)量性能降低;當(dāng)💞Re≥Remin,壁面回流🚶區中(zhōng)漩渦爲再附着(zhe)渦并且渦心位(wèi)置與Re無關，多孔(kǒng)孔闆流量計的(de)計量精度提高(gao)。
 
4.3節流孔前倒角(jiǎo)對多孔孔闆流(liu)量計回流區的(de)影響
　　圖6爲節流(liu)孔後倒角α=0°，節流(liu)孔前倒角λ取30°、45°、60°的(de)多孔孔闆在相(xiàng)應入口雷諾數(shù)條件.下的尾流(liú)場的流線圖，回(hui)流區的主要特(tè)征如表2所示。
 
 
 
　　從(cong)表2中可以得到(dào)規律:節流孔前(qián)倒角30°≤λ≤60°時,進入穩(wěn)定狀🏒态的入口(kǒu)雷諾數下限Remn随(suí)着λ的增大而降(jiang)低，λ爲60°和0°的多孔(kong)孔闆具有相同(tong)的Remin;λ在30°~60°範圍内變(biàn)化時對壁面回(huí)流區長度無明(ming)顯影響,回流區(qū)長度♍爲0.9D,但相對(dui)于無倒角的多(duo)孔孔闆❤️,回流區(qū)長度明顯縮短(duan)。因此,在入口雷(lei)諾數5.8x104≤Re≤5.3x105範圍内,30°≤λ<60°的(de)多孔孔闆流量(liang)計量精度較差(chà),λ≥60°與λ=0°的多孔孔闆(pǎn)計量精度接近(jìn)，永久壓力損失(shī)減小。從上述🈲規(gui)律得出:前倒角(jiǎo)λ是降低永久壓(yā)力損失的關鍵(jian)因素,但不能提(tí)高計量精度。
4.4節(jie)流孔後倒角對(dui)多孔孔闆流量(liang)計回流區影響(xiǎng).
　　圖7爲節流孔前(qián)倒角爲60°，後倒角(jiǎo)分别爲30°、45°和60°的多(duo)孔孔闆💋在Remin(流場(chang)進入穩定min狀态(tài)的雷諾數下限(xian))條件下的尾流(liú)流場流線圖。從(cong)圖中可以看出(chū):回流區長度相(xiàng)等,均爲0.9D;後倒角(jiǎo)對Re,i有明顯的影(yǐng)響，影響程度與(yu)後倒角α的角度(dù)相關，多孔孔闆(pǎn)60°-30°的Re,in爲5x104多孔孔闆(pǎn)60°45°和60°-60°的Re。in均爲3.5x104min由此(cǐ)可知，節流孔後(hòu)倒角🛀🏻對多孔孔(kong)闆☎️尾流流場進(jìn)入穩定狀态的(de)Re,影響明顯，當45°≤α≤60°時(shí)，minRe。im顯著降低，從而(er)拓展量程範圍(wéi);壁面回流區長(zhang).min度與後孔倒角(jiao)變化不相關,因(yīn)此節流孔後倒(dǎo)♌角對永久壓力(lì)損🔆失無影響。
 
 
　　從(cong)上述數值模拟(nǐ)結果可以看出(chu),在管道入口雷(léi)諾數3.5x104≤Re≤5.3x105的範圍内(nèi)，節流孔前倒角(jiǎo)λ=60°、後倒角α=60°或45°的多(duō)孔孔闆.上下側(ce)壁面回流區中(zhōng)的漩渦爲渦心(xin)位置固定的再(zài)附着渦,并且回(huí)流區長度明顯(xiǎn)縮短💜。因此,λ=60°、45°≤α≤60°的多(duo)孔孔闆流量計(ji)在較寬的量程(cheng)範圍内具有💯較(jiao)高的計🈲量精度(dù)和較小永久壓(ya)力損失。
5實流實(shi)驗
　　爲了驗證數(shù)值模拟所得到(dao)的結論，本研究(jiu)在如圖8所示實(shi)驗裝置上對節(jiē)流比爲0.55、0.67、0.75管徑爲(wei)100mm的多孔孔闆✔️進(jìn)行實流實驗。該(gāi)裝置采用水塔(tǎ)穩壓，流量穩定(dìng)性爲0.1%,流量範圍(wéi)爲5L/h~800m³/h,不确定💰度爲(wèi)0.05%。本文采用稱重(zhòng)法對實驗樣機(jī)的流出系數及(ji)壓力損失進行(háng)測量。差壓變送(sòng)器1用來測量多(duō)孔孔闆上遊1D與(yu)下遊6D之間的壓(ya)差，即壓力損失(shī),差壓變送器2用(yong)來測量介質經(jīng)過多孔孔闆後(hòu)産生的靜壓差(chà)△p,取壓方式爲法(fǎ)蘭取壓。
 
　　表3爲β=0.67的(de)多孔孔闆流量(liàng)計實流實驗結(jie).果,表中δl1和δl2分🛀别(bié)爲15:1和🔆10:1量程範圍(wéi)内的流出系數(shù)線性度。從表中(zhōng)可以看出，當節(jie)流㊙️孔前倒角λ爲(wei)30°和45°時,計量精度(dù)較差,流出系數(shu)線性度誤差δl1≥3%,δl2≥2.8%,節(jie)流孔後倒角α值(zhí)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的改變對計量(liang)精度無影響。當(dāng)λ爲0°和60°時,α爲0°和30°的(de)多孔孔闆流出(chu)系數線性度誤(wù)差δl1≥1.5%,δl2≤0.8%;α爲60°和45°的多孔(kong)孔闆流出㊙️系數(shu)線性度🏃‍♂️誤差δl1≤0.8%,δl2≤0.5%。從(cóng)上述🥰分析可知(zhī)，當30°≤λ≤45°時,計🤞量精度(du)較差,量程範圍(wei)較窄;當λ爲0°和60°、a≤30°時(shi),在10:1量程範圍内(nei),計量精度較高(gao);當λ爲0°和60°、45°≤a≤60°時,在15:1量(liàng)程範圍内，計量(liang)精度較高。
 
　　表4和(hé)表5分别爲β=0.55和β=0.75的(de)多孔孔闆流量(liang)計實驗結果,從(cóng)實🙇‍♀️驗結果中🔴可(kě)以得出與β=0.67的多(duō)孔孔闆相同的(de)結論🈲,進一步驗(yàn)證了λ爲0°和60°、45°≤a≤60°的多(duō)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻孔孔闆具有較(jiào)寬的量程範圍(wei)和計量精度.
 
　　圖(tu)9不同多孔孔闆(pǎn)流量計永久壓(yā)力損失随管道(dào)入口雷諾數❓的(de)♻️變化曲線，從圖(tu)中可以看出，永(yǒng)久壓力損失△o随(sui)入口雷諾數Re的(de)增大而增大,前(qián)倒角λ爲60°的多孔(kong)孔闆流量計的(de)永久壓力損失(shi)比λ爲0°的多孔孔(kong)闆降低了35%,比相(xiang)同節流👈比的标(biāo)準孔闆降低了(le)50%以上,後倒角α對(duì)△ɷ無明顯影響。因(yīn)此,λ爲60°、45°≤α≤60°的多孔孔(kǒng)闆在較大的🥵量(liàng)程範圍内具💜有(yǒu)較高的計量精(jing)度并且永久壓(yā)力損失較小，實(shí)驗結果與數♌值(zhí)模拟的🧡結論一(yi)緻。
 
6結論
　　從理論(lun)分析可知，多孔(kǒng)孔闆流量計尾(wei)流流場中的漩(xuan)渦直💰接影響多(duo)孔孔闆流量計(ji)的計量性能。數(shù)值模拟得出多(duo)孔孔闆🏃🏻‍♂️節流⁉️孔(kong)前後倒角對計(jì)量性能的影響(xiǎng)是不同的,具體(ti)的影響規律如(rú)下:節流孔前倒(dao)角是影響永久(jiǔ)壓力損失的🌂關(guan)鍵因素,但無法(fǎ)提高.計量精度(du);節流孔後倒❌角(jiǎo)對尾流流場具(ju)有調整作用，是(shi)提高☀️計😄量精度(du),拓寬量程範圍(wéi)的關鍵因素。從(cong)實流實驗結果(guo)㊙️可以看出,λ爲60°、45°≤α≤60°的(de)多✔️孔孔闆在15:1的(de)量⛱️程範圍内,流(liu)出系數✍️線性度(dù)在0.8%以内，永久壓(ya)力損失是标準(zhǔn)孔闆的50%。

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