在流(liú)體機械(xie)瞬态流(liu)動的過(guò)程中,需(xū)要對瞬(shùn)時流量(liàng)進行測(cè)⚽試．電磁(cí)流量計(jì)在測量(liàng)快速變(biàn)化的流(liu)量時,其(qí)轉換器(qi)的信号(hao)處理時(shi)👉間普遍(biàn)超✂️過0．２s,需(xu)要經過(guò)特殊設(shè)計才能(neng)達到要(yao)求🤩[5];渦輪(lun)流量計(ji)在測試(shi)小流量(liàng)的瞬時(shí)變化時(shi),存在強(qiáng)烈的非(fēi)線性問(wèn)題．而在(zai)許多場(chǎng)合,孔闆(pǎn)流量計(ji)能較好(hǎo)地用于(yu)瞬态流(liu)量的測(ce)試．
　　基于(yú)CFD技術,通(tōng)過改變(bian)流量﹑直(zhi)徑比﹑孔(kǒng)闆厚度(dù)和流體(tǐ)🔆介質等(děng),對🌈孔🔆闆(pan)内部穩(wen)定流動(dòng)進行了(le)研究．采(cai)用CFD技術(shù)研究了(le)方形🚶孔(kong)和圓形(xíng)孔闆流(liú)量計在(zai)測量濕(shī)夭然氣(qì)時的異(yi)同;對錐(zhui)體流量(liàng)計的孔(kǒng)流系數(shu)進行數(shù)值模拟(nǐ);對周期(qi)性波動(dong)的流量(liàng)流經孔(kong)闆進行(háng)了實驗(yàn)和理📧論(lùn)分析後(hou)指出,孔(kong)闆前後(hou)壓差呈(chéng)現非線(xiàn)性,且滞(zhi)後于流(liú)量的變(biàn)化,稱之(zhī)爲“渦慣(guan)性”．
　　鑒于(yu)目前未(wei)見有對(dui)孔闆流(liú)量計在(zai)測量流(liú)量加速(su)瞬态過(guo)程的相(xiàng)關研究(jiū),爲了從(cóng)内流角(jiǎo)度揭示(shì)壓差滞(zhì)後于流(liu)量變化(huà)的原因(yin),考妞到(dao)采用試(shi)驗測量(liang)較爲困(kùn)難,文中(zhong)采用CFD方(fang)法分别(bié)對穩态(tài)和加速(sù)過程的(de)孔流系(xi)數進行(háng)數值預(yù)測,重點(diǎn)分析孔(kǒng)流系數(shù)與流動(dong)狀态瞬(shun)時轉變(biàn)間的聯(lian)系,爲實(shí)現采用(yòng)孔闆流(liú)量計測(cè)量瞬時(shi)流量提(tí)供參考(kao)。
1物理模(mó)型和數(shu)值方法(fǎ)
1.1基本理(lǐ)論
　　孔闆(pǎn)流量計(jì)是一種(zhong)差壓式(shì)流量計(ji)．對于不(bú)可壓流(liú)體㊙️的💘水(shuǐ)平管流(liu)動,忽略(luè)管壁摩(mó)擦阻力(li)損失,根(gēn)據流👉體(tǐ)的連續(xu)性和機(ji)械能的(de)🔴相互轉(zhuǎn)化可得(de)

1.2模型﹑網(wǎng)格和邊(bian)界條件(jiàn)
　　圖1爲孔(kong)闆流量(liàng)計的物(wù)理模型(xíng)示意.根(gen)據标準(zhǔn)孔闆🏃‍♀️流(liu)量計的(de)安裝,圖(tu)1a中,上下(xià)遊直管(guǎn)段長分(fen)别取10D和(hé)5D作爲穩(wen)定直管(guǎn)段.其中(zhōng)上下遊(yóu)管内徑(jìng)D取100mm,孔闆(pan)厚度δ取(qǔ)3mm.
　　流量從(cóng)0以恒定(ding)加速度(dù)增長,如(rú)圖1b所示(shi);測壓點(diǎn)的位置(zhi)📞示于🔴圖(tu)1c.

　　爲了準(zhǔn)确捕捉(zhuō)孔闆前(qián)後流場(chang)的變化(huà)情況,首(shǒu)先在壁(bì)面附近(jìn)劃分了(le)邊界層(céng)網格,邊(biān)界層第(di)1層厚度(du)爲0.1mm,共10層(ceng),高度㊙️增(zeng)長因子(zǐ)爲1.1;其次(ci),用與孔(kong)闆等孔(kong)徑的圓(yuán)柱面作(zuo)爲分界(jie)面,對内(nei)部流域(yù)進行切(qiē)🐕割,并對(dui)該邊界(jie)面附近(jin)劃分同(tóng)上的邊(bian)界層🐇網(wǎng)格,其内(nei)部區域(yù)采用蝶(die)形網格(gé)劃分;最(zuì)後,在邊(biān)界層設(she)置好的(de)基礎上(shang)🌈,采用結(jie)構化網(wang)格生成(chéng)方式完(wán)成其餘(yú)部分的(de)網格劃(hua)分.
　　圖２給(gěi)出了孔(kǒng)闆附近(jin)的網格(ge)分布.以(yǐ)常溫狀(zhuang)态下液(yè)💔态水🌂作(zuo)爲流體(ti)介質,動(dong)量﹑湍動(dong)能和湍(tuān)流耗散(san)率方程(cheng)的離散(sàn)選擇二(er)階迎風(fēng)💃🏻格式,壓(yā)力和速(sù)度耦合(hé)選用SＩMＰLＥ算(suan)法,穩态(tài)和加速(su)條件下(xià)的湍流(liu)模型分(fen)别采用(yòng)Realizablek－ε和RealizableDＥS模型(xing).穩🎯态和(he)加速❓過(guo)程的進(jìn)❤️口均采(cǎi)用速度(du)進口🤟邊(bian)界條件(jian),流體加(jiā)速曲線(xian)見圖1b,管(guǎn)壁爲🍓無(wu)滑移壁(bi)面邊界(jiè)條件.

　　由(you)于流速(su)不斷增(zēng)大,考妞(niu)采用變(biàn)時間步(bu)長的方(fāng)式🐉以💁提(tí)高叠🥵代(dai)✔️過程的(de)經濟性(xing),時間步(bù)長△t與時(shi)刻t采用(yòng)式(1)的關(guān)系式:

　　流(liu)場求解(jie)軟件爲(wei)Liｎux平台下(xia)的Flueｎｔ6．3,采用(yòng)曙光1800工(gong)作站上(shàng)的8個ＩｎｔelXeoｎ處(chù)理器👅(3．２GHz)進(jin)🐉行并行(hang)計算,穩(wen)态叠代(dài)4000次約需(xu)２h,瞬态叠(die)代２50個時(shí)間步約(yue)需２２h．
2結果(guo)分析
2.1孔(kong)流系數(shu)和壓降(jiàng)
　　圖3給出(chu)了孔流(liú)系數的(de)數值模(mó)拟結果(guǒ),Realiza-blek－ε模拟的(de)穩态孔(kong)流✏️系數(shù)🔞C0與ＩSO試驗(yàn)回歸曲(qu)線[10]的最(zuì)大誤差(cha)在3％以内(nei),标準k－ε的(de)🐉最大誤(wu)差達6％[6]．
　　對(dui)于流量(liang)Q≤0．6m3/h,C0随流量(liang)的增加(jiā)緩慢下(xià)降,之後(hou)保持在(zai)0．63左右．與(yu)C0不同的(de)是,C從0開(kāi)始随流(liú)量的增(zēng)大而增(zeng)大,并逐(zhu)漸向C0靠(kao)近👄,直至(zhi)Q≥3．5m3/h後才🔆達(dá)到C0的水(shui)平．C在時(shi)間上滞(zhi)後于C0．圖(tú)4中△p－Q曲線(xian)顯示,Q≤3．0m3/h時(shi),加速過(guò)程孔闆(pan)前後壓(ya)降高于(yu)同等流(liú)量下💜穩(wěn)态壓降(jiang);Q≥3．0m3/h後,瞬态(tài)壓降才(cai)降爲穩(wen)态水平(píng)．

2.2速度和(hé)壓力場(chǎng)分析
　　從(cóng)内流角(jiao)度分析(xī)導緻第(dì)２．1節中C和(hé)C0不同的(de)原因,圖(tú)5和🙇‍♀️圖6分(fen)别給出(chū)并對比(bǐ)了相同(tóng)流量下(xià)穩态和(he)加速過(guo)程中流(liu)經🔴孔闆(pǎn)前後流(liú)體的速(sù)度和壓(yā)力場．對(dui)于Q≤3．0m3/h穩态(tai)條件,孔(kong)闆後方(fāng)始終可(ke)觀察到(dao)一個被(bei)拉長的(de)主渦和(hé)孔闆右(you)上方的(de)小渦,流(liu)動的損(sun)失較大(da),同時表(biǎo)明流場(chǎng)中已形(xíng)成穩定(dìng)的流動(dòng)通道,動(dong)💜能和壓(yā)能的轉(zhuan)化已達(da)到平衡(heng),流動的(de)損失🔞(長(zhang)漩渦)也(yě)趨于穩(wen)定,并且(qie)壓差随(sui)流量的(de)增大而(er)穩定增(zeng)大．
　　加速(su)過程中(zhōng)孔闆後(hòu)方的漩(xuan)渦是逐(zhú)漸形成(cheng)的:小流(liú)量時流(liú)動較✏️爲(wei)平穩,流(liu)體不斷(duan)被加速(su)的流體(tǐ)向下遊(yóu)推🆚動,漩(xuan)渦來不(bu)及形成(cheng),流動的(de)損失較(jiao)小;随着(zhe)流量的(de)不斷加(jia)大,孔闆(pan)後方開(kai)始🤞出現(xiàn)流🔞動分(fèn)離(約在(zài)Q＞1．1m3/h時);當流(liu)量進一(yī)步加大(dà),孔闆後(hòu)方出現(xian)了較大(da)的漩🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦(wō)．加速前(qián)期,壓力(li)沿整個(ge)管道逐(zhu)漸向下(xià)遊傳播(bo),壓能傳(chuan)播的距(ju)❤️離較長(zhǎng),沒有在(zai)短❓距離(li)内快速(sù)轉換爲(wei)動能．
經(jīng)上述分(fen)析可以(yi)認爲,導(dao)緻加速(su)前期C和(he)C0之間差(chà)異的内(nei)流原因(yīn)是,漩渦(wo)形成的(de)滞後以(yi)及加速(sù)前期壓(yā)力能沒(mei)有在短(duan)距離内(nèi)全部轉(zhuǎn)化爲動(dòng)能．
　　随着(zhe)流量的(de)增大,孔(kǒng)闆後方(fang)出現了(le)明顯的(de)漩渦,漩(xuan)渦中心(xin)附近區(qū)域即爲(wei)低壓區(qu)．雖然孔(kǒng)流系數(shu)和壓♈降(jiang)的瞬态(tài)和穩态(tai)值🌈分别(bie)相互接(jie)近,然而(er)由于流(liu)體仍然(rán)處于加(jia)速階段(duan),因此流(liu)動狀态(tài)(漩渦的(de)形狀和(hé)位置)和(hé)壓力分(fen)布與穩(wěn)态條件(jian)相比,仍(réng)然💋存在(zài)較大差(chà)異．


3結論(lun)
　　通過CFD技(jì)術,實現(xiàn)了穩态(tài)和加速(sù)流體流(liu)經孔闆(pǎn)後流💚場(chang)的數值(zhí)模🐪拟,得(de)到了孔(kong)流系數(shù)﹑流場和(he)壓力的(de)模拟結(jié)✔️果,主要(yào)概括爲(wei):
1)穩态孔(kong)流系數(shu)C0的數值(zhi)預測值(zhi)與ＩSO試驗(yàn)回歸曲(qǔ)線十分(fen)接近,Realizablek－ε比(bǐ)标準k－ε的(de)C0預測值(zhí)更接近(jin)ＩSO試驗回(hui)歸曲線(xiàn),誤差分(fèn)别爲3％和(hé)6％;
２)加速過(guo)程,C随流(liu)量的增(zēng)大逐漸(jiàn)增大并(bìng)靠近穩(wěn)态C0;加速(su)前期,壓(ya)差高于(yú)穩态水(shuǐ)平,随着(zhe)流量的(de)不斷增(zeng)大,瞬态(tài)和穩态(tai)壓差相(xiang)互接近(jin)．3)導緻加(jiā)速前期(qi)C和C0之間(jian)差異的(de)内流原(yuan)♉因是,漩(xuan)渦形成(chéng)的滞後(hòu)以及加(jiā)速前期(qi)壓力能(néng)沒有在(zài)短❗距離(li)内全部(bù)轉化爲(wèi)動能．文(wen)中内容(rong)可爲利(lì)🙇🏻用孔闆(pǎn)流量㊙️計(jì)測量瞬(shun)時流量(liang)提供參(cān)考依據(jù),爲流體(ti)機械内(nèi)部非定(dìng)常流動(dòng)等特殊(shu)問題的(de)提供基(jī)本保障(zhàng)🔴．今後的(de)工作将(jiāng)圍繞流(liú)量波動(dòng)﹑階😘躍和(he)突減等(deng)其他瞬(shùn)态狀況(kuàng)．

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