摘要:針對孔(kong)闆流量計
測量精(jing)度及節能降耗的(de)要求，對5種結構的(de)單孔闆進行了🚶♀️數(shù)⛷️值模拟研究。進行(hang)了數值模拟與标(biao)準孔闆實👉驗比對(dui),對模拟方法的可(kě)靠性進行了驗證(zhèng)，在此基礎上進一(yī)步完成了5種結構(gòu)10組流速下的數值(zhi)研究。通過速度矢(shi)量圖得出孔🌐口後(hou)流态的變化;計🈲算(suàn)流量系數，得出流(liú)量系數與雷諾數(shù)關系曲線、軸線距(ju)離與壓力關系圖(tu)、壓差與💜雷諾數關(guān)系圖。結果表明,5種(zhǒng)孔闆中外凹型孔(kong)闆流量計II因爲闆(pǎn)前緩沖段較爲理(lǐ)想,對流體🥵起到了(le)整流的作用，減弱(ruo)了闆🔴前流體死區(qu)的形成和🎯闆後渦(wō)流的形成,降低🛀了(le)孔闆流量計的壓(yā)力損失,且流量系(xì)數大,随雷諾數增(zeng)大壓差增大緩慢(màn),壓力恢複☔快。
孔闆(pǎn)流量計是常見的(de)測流量裝置，以連(lián)續性方程和伯⭐努(nǔ)利方程爲理論基(jī)礎。流體在通過節(jie)流元件時,由🐇于流(liu)💜通面積的突然收(shōu)縮促使流體加速(su)，産生節流效應,使(shi)孔闆前後産生壓(ya)差,通過測量壓差(chà)從而計算出管道(dào)中的流量。節流元(yuán)件的尺寸和結構(gòu)📧的不同,會導緻測(ce)量精度、測量壓力(lì)、管徑範圍及流量(liàng)系數随雷諾數變(bian)化關系的差異。選(xuan)擇或者設計🌍出較(jiao)爲理想的孔闆流(liú)量計,是計量🐕行業(yè)發展的需✌️要🔱。采用(yong)數值模拟分析研(yán)究管内孔闆㊙️類節(jiē)流元件的相關流(liu)🧑🏾🤝🧑🏼場已有數十年的(de)曆史,采用ANSYSFluent軟件,選(xuan)擇5種标準及非标(biāo)準孔闆作爲對象(xiang),爲非标準孔闆流(liu)量計的與發展🍉提(ti)供一定依據。
1研究(jiū)模型
1.1幾何模型
模(mó)拟5種不同孔闆形(xíng)狀的孔闆流量計(jì)，見圖1。
5種孔闆均按(àn)照ISO5167國際标準，确定(dìng)孔闆尺寸。根據相(xiàng)關規定,孔闆節流(liu)元件的孔徑與孔(kǒng)闆通徑比值d/D=0.2~0.8;最小(xiǎo)孔徑💃dmin≥12.5mm;直孔部分厚(hòu)度h=(0.005~0.02)D;總厚度H<0.05D這5種孔(kǒng)闆公稱通徑D=40mm,節流(liu)元件的孔徑😍d=20mm,d/D=0.5。
1.2流量(liàng)系數計算模型
計(ji)算每個孔闆流量(liàng)計對應的流量系(xì)數見公式(1)
式中:qm爲(wei)流體的質量流量(liàng),kg/s;A0爲孔口截面積,m2;p爲(wèi)流體密度,kg/m3;△p爲孔口(kou)兩側壓差,Pa。
2模型驗(yàn)證及數值模拟
2.1實(shi)驗驗證過程
爲了(le)确保數值模拟過(guo)程設置正确,将模(mo)拟結果與實驗值(zhi)🧑🏽🤝🧑🏻進行了比對實驗(yàn)采用裝置見圖2。
水(shui)由離心泵從水箱(xiang)抽出後,經過孔闆(pan)流量計，通過🌈彎🐅管(guǎn)再流回⛱️水箱。其中(zhōng)孔闆流量計爲标(biāo)準型，管道🤟内徑40mm,孔(kǒng)闆口徑35mm,孔闆厚度(dù)5mm。在不同的閥門開(kāi)度下,測試孔闆流(liu)量計✌️壓差,計算流(liu)量及流量計流量(liàng)系數。實驗、模拟結(jié)果對比見圖3。
由圖(tu)3可知，模拟與實驗(yan)吻合,對模拟方法(fa)的可靠性進行💃🏻了(le)驗證.。
2.2數值模拟設(she)置
由于孔闆流量(liàng)計的軸對稱特性(xing)，流體在經過孔闆(pan)流量💛計時🧑🏾🤝🧑🏼也是對(duì)稱的,因此選用1/2實(shí)體及對稱面結構(gou)。應用“mesh”進行模🧑🏽🤝🧑🏻拟實(shi)體的網格劃分，見(jian)圖4。
由于孔闆流量(liang)計結構簡單,因此(cǐ)在劃分網格時隻(zhi)需在節流元件處(chù)既縮口處進行網(wang)格的加密。該模🌈拟(ni)中📐采用的介🏃♂️質爲(wèi)20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作壓力爲(wei)标準大氣壓。采用(yong)3D求解器，湍流方程(chéng)用“标準k-epsilon”方程;選用(yong)速度進口和壓力(li)出口邊界條🐉件,進(jin)行叠😄代求解計算(suàn)。
在模拟過程中取(qu)闆前2D、闆後5D,即闆前(qián)80mm、闆後200mm爲計算域。5種(zhong)😍孔👌闆設定🔴10個統一(yī)的進口流速,分别(bie)爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的雷🔴諾數(shù)值分别爲7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果與(yǔ)讨論
以ʋ=0.2m/s時孔闆的(de)模拟結果爲例,各(gè)孔闆流量計的速(su)度矢量雲🌈圖見圖(tú)5.
由圖5可知，流體在(zài)經過闆前區域時(shí)流道急劇收縮，速(su)度增大。其🌏中标準(zhǔn)孔闆I所形成的孔(kǒng)後大速度值高,爲(wèi)1.2m/s;外凸型孔闆川I、加(jia)厚型孔闆IV次之,約(yuē)爲1m/s;外凹型孔闆I1和(hé)直邊型孔闆V較小(xiao),分别💃🏻爲0.88和0.74m/s。外凸型(xing)孔闆II低流速較大(dà)，直邊型孔闆V次之(zhī),其餘均基本❗相等(deng)。經過孔口後部分(fen)流體流動方向發(fa)生改變,産生了一(yī)定❓的渦流區域，形(xíng)成湍流,孔闆的.結(jié)構不同造成的旋(xuan)渦湍流區域形狀(zhuàng)及發展🐅長度也明(míng)顯不同。标準孔闆(pǎn)I湍流區較寬,湍流(liú)㊙️長度較長。外凹型(xíng)孔闆II湍流段較短(duǎn),流場爲整齊,從而(ér)☀️也推測出其節流(liu)損失小。
對5種孔闆(pǎn)進行了進一步的(de)數據采集,保持孔(kong)闆的直徑比🏃不改(gai)變。由流量分别計(jì)算對應的雷諾數(shu),采集每個孔闆每(měi)個流速所🌐對應的(de)闆前D、闆後D/2取壓點(diǎn)所在平面的平均(jun)壓力🚶，即闆前40mm、闆後(hòu)20mm計算壓差,并根據(jù)公式(1)計算出每個(gè)孔闆對應🏃🏻♂️的流量(liang)系🧑🏽🤝🧑🏻數,得到流量系(xi)數與雷諾數關系(xì)曲線圖見圖6。
由圖(tu)6可知,雷諾數的變(biàn)化對流量系數影(yǐng)響不大,說明這幾(ji)🌈種孔闆都具有良(liang)好的穩定性。外凹(āo)型孔闆II的流量系(xi)數比其他4種大，标(biao)準孔闆I小;加厚型(xing)孔闆IV的流量系數(shu)曲線在較大及較(jiao)💯小雷諾數時變化(huà)明顯,因此該類型(xing)穩定🌐性稍差;直邊(biān)型孔闆🈲V穩定性好(hǎo)🧑🏾🤝🧑🏼。
沿軸向的距離L與(yu)壓力的關系見圖(tú)7。
由圖7可知，幾種孔(kong)闆壓降位置、壓降(jiàng)大小及壓力恢複(fu)性不同。加厚型孔(kong)闆IV的壓降位置靠(kao)前,直邊型孔闆V靠(kao)後,其⛹🏻♀️餘三🚶♀️者基本(běn)接☀️近;标準孔闆I的(de)壓降大,外凹型孔(kong)闆II壓降小;外凹型(xing)孔闆II的壓力恢複(fu)快。
壓差△p與雷諾數(shù)的關系曲線見圖(tú)8。
由圖8可知，幾種孔(kong)闆壓差△p随着雷諾(nuo)數的增大而增大(dà)🌈,增加🐪趨勢基本相(xiàng)同,其中标準孔闆(pan)I增加快大,外凹型(xing)孔闆II增大緩慢。
4結(jié)論
通過流場模拟(ni)雲圖、流量系數與(yǔ)雷諾數的曲線關(guān)系、中🌂心軸線壓力(li)分布曲線、壓差△p與(yu)雷諾數的曲線關(guān)系的分🧑🏽🤝🧑🏻析可以得(dé)出,5種孔闆中外凹(āo)型孔闆流量計II因(yīn)爲💯闆前緩沖段較(jiào)爲理想,對流體起(qǐ)到了整流的作用(yong),減弱了闆前流體(ti)死區的形成和闆(pan)後渦流的形成,降(jiàng)低💋了孔闆流量計(jì)的壓力.損🤞失。且流(liu)量系數大,随雷諾(nuo)數增大壓差增大(da)緩慢,壓力恢複快(kuài)，是5個類型中性能(neng)較好的一📐種。在進(jìn)行單孔闆流量計(jì)的設計時，不但要(yao)滿足直徑比,還應(ying)該考慮孔闆的厚(hou)度和孔闆闆前的(de)過渡段。孔闆的厚(hòu)度不宜太薄也不(bú)宜過厚,過渡段對(duì)流體要能進行整(zhěng)合,使流體盡可能(néng)緩和㊙️的流人。在孔(kong)闆的設計及使用(yòng)中,應結合實際情(qing)況,應用合适尺寸(cùn)類型的孔闆，确保(bǎo)流量系數穩定,并(bing)降低壓力損失,保(bao)證流場穩⛱️定,進而(er)提高孔闆流量計(jì)的質✂️量和測量的(de)精度。
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