目前,在各種工(gōng)業生産中流量的測(cè)量非(fēi)常重(zhòng)要,因此各(gè)種各(gè)樣的(de) 流量(liàng)計(jì) 層出不(bú)窮。壓差類(lèi)的流(liú)量計由于價格(gé)較低，使用(yòng)的(de)經驗豐富,經(jīng)過長時間的(de)研(yán)究,精(jīng)度越(yuè)來越高，所(suǒ)以應用非(fēi)常廣泛”。其中雙(shuāng)向内外管壓差(chà)流量(liàng)計 具有(yǒu)對(duì)流體的(de)擾動小(xiǎo)和獲(huò)得壓差信(xìn)号大的優點田(tián),但需要對(duì)雙向内外(wài)管壓差流(liú)量計(jì)的結(jié)構參數進行進(jìn)yi 步的(de)優化(huà)。影響(xiǎng)雙向内外管(guǎn)壓差流(liú)量計性能的參(cān)數有很(hěn)多，以往(wǎng)的研究(jiū)大部分(fèn)是對(duì)節(jiē)流件的(de)1個(gè)或2個結(jié)構參數進行同時(shí)優化,不夠(gòu)全(quán)面印(yìn),如果(guǒ)對3個(gè)及以(yǐ)上結構(gòu)參數同(tóng)時(shí)優化，便需要(yào)進行大量(liàng)的仿真工作，爲提高(gāo)效率，對仿(páng)真軟(ruǎn)件進(jìn)行二(èr)次開(kāi)發。傳統的(de)仿真(zhēn)軟件(jiàn)fluent難以滿足(zú)需求(qiú)，而comsolmultiphys-ics仿(páng)真軟(ruǎn)件可以(yǐ)導出m文(wén)件,在(zài)matlab中(zhōng)運(yùn)行程(chéng)序可以(yǐ)自(zì)動仿(páng)真并提(tí)取(qǔ)數據，二次(cì)開發難度(dù)低甲(jiǎ)。如果comsol的仿(páng)真效果達到要(yào)求,那麽在雙向(xiàng)内外(wài)管壓差流(liú)量計的仿真中,comsol仿真軟(ruǎn)件便可(kě)取代fluent.
1流量(liàng)計原(yuán)理
　　雙向内(nèi)外管(guǎn)壓差流量(liàng)計的基本(běn)結構如圖(tú)1所示。安(ān)裝(zhuāng)節流件的(de)管道直徑選爲32mm。雙向(xiàng)内外(wài)管壓(yā)差流(liú)量計(jì)節流件的(de)長度(dù)對流量(liàng)計的性(xìng)能影響可(kě)忽略(luè),爲了方便測量(liàng),将節流件大管(guǎn)長度(dù)定(dìng)爲30mm,節流(liú)件的厚(hòu)度定爲(wèi)2mm。

　　根據(jù)連續(xù)方程(chéng)和伯努(nǔ)利方程(chéng)5的原理可(kě)知，流(liú)體在通過節流件時,在i-i平(píng)面，外(wài)流道流體體積(jī)壓縮,流速增大,流體壓力(lì)減小(xiǎo),而内流道(dào)流體擴散,流速減小，流體壓力增大(dà);在ii-ii平面(miàn),内外流(liú)道比較平(píng)穩，流速和壓(yā)力都趨(qū)于穩定:在(zài)亞一(yī)i平面,與i-i平面情(qíng)況相反，外流道(dào)擴散,流速減小(xiǎo)，流體壓(yā)力增大，而内(nèi)流道流體壓縮,流速(sù)增大(dà)，流體(tǐ)壓力減小(xiǎo)。如此--來,在(zài)ii-ii段節流件(jiàn)内外就會(huì)形成最大的壓(yā)差(chà):
△p=p内(nèi)一p外(1)
式中(zhōng):△p爲内外壓差;p内爲内測(cè)點的水(shuǐ)壓;p外爲(wèi)外(wài)測點(diǎn)的水(shuǐ)壓(yā)。
與傳統(tǒng)壓差(chà)類流量計(jì)的測(cè)量公式(shì)類(lèi)似,流量q的(de)計算公式爲(wèi):

　　式(shì)中:c爲(wèi)流出(chū)系數(shù);a爲流(liú)道截面積,m2;λ爲等(děng)效直徑(jìng)比;ρ爲流(liú)體密度(dù),kg/m3。
　　影響流(liú)量計測量jingdu 的主(zhǔ)要因素是水頭(tóu)損失。水頭(tóu)損失(shī)包括(kuò)沿程水(shuǐ)頭損失和局(jú)部水(shuǐ)頭損(sǔn)失。局(jú)部水(shuǐ)頭損(sǔn)失是(shì)指因(yīn)局部(bù)邊界急劇(jù)改變導緻水流結構(gòu)改變、流速(sù)分布改變(biàn)并産(chǎn)生旋渦(wō)區(qū)而引(yǐn)起的水頭損失。沿程水頭損(sǔn)失是指在固(gù)體邊界平直的水道(dào)中，單位質量的(de)液體自一斷面(miàn)流至(zhì)另(lìng)一斷面(miàn)所損(sǔn)失的(de)機械能，這種(zhǒng)水頭損(sǔn)失是(shì)沿程都有(yǒu),并且随沿程長度而(ér)增加。影響(xiǎng)局部水頭(tóu)損失(shī)的因素主要是(shì)節流件異徑比h、節流件的大管(guǎn)半徑(jìng)r,影響沿程(chéng)水頭損失的因(yīn)素主(zhǔ)要是(shì)擴散角θ。
2二(èr)次回歸正(zhèng)交試驗設計.
　　回(huí)歸正交試驗是(shì)在因(yīn)素的(de)合理變化範(fàn)圍内選(xuǎn)取有限個(gè)試驗(yàn)點安排模拟計(jì)算統計,根據有(yǒu)限個試(shì)驗點建(jiàn)立具有(yǒu)一定可(kě)信度的(de)回(huí)歸方(fāng)程，當各個(gè)結構(gòu)參數(shù)确(què)定之後(hòu)，可利(lì)用回歸方(fāng)程進行估算見,。選擇優化(huà)的主要參數(shù)是異徑(jìng)比k、擴散角θ和節流件(jiàn)的大(dà)管半(bàn)徑r.采(cǎi)用二次正(zhèng)交回(huí)歸組合設(shè)計的試(shì)驗方法(fǎ)，首先設定3個控(kòng)制參數的變化範圍(wéi):異(yì)徑比k爲(wèi)0.5~0.9;擴散角θ爲4°~10°;節流(liú)件(jiàn)的大管(guǎn)半徑(jìng)r爲5~9mm。依據二次回(huí)歸正(zhèng)交試驗的(de)設計原(yuán)則(zé)，可以(yǐ)得到(dào)各組試驗(yàn)的結構(gòu)參(cān)數見(jiàn)表1。

3comsol與(yǔ)fluent仿真對比(bǐ)
　　利用solidworks建(jiàn)立(lì)三維模型(xíng),導(dǎo)入仿真(zhēn)軟件進行網格(gé)劃(huà)分。按照網格(gé)劃分(fèn)的原(yuán)則,參(cān)數變(biàn)量變(biàn)化梯(tī)度大的區(qū)域需要采用較爲密(mì)集的網格(gé)劃分(fèn)方法以(yǐ)提高(gāo)精(jīng)度,變(biàn)化梯(tī)度小的區域采用較(jiào)爲稀疏(shū)的(de)網格(gé)劃分(fèn)方法以節(jiē)省計(jì)算資源。節流件前後(hòu)的流(liú)場劃分(fèn)的網格稀疏,節流件周(zhōu)圍的(de)流場(chǎng)劃分(fèn)的網格密集回。fluent仿真軟件(jiàn)劃分(fèn)的網格爲(wèi)非結(jié)構四面體，将整個流(liú)場進行網(wǎng)格劃分後(hòu),網格數量(liàng)在30000左右,如圖2所示。comsol仿真軟(ruǎn)件劃分的(de)網格(gé)在(zài)靠近邊界的(de)流場(chǎng)爲六面體(tǐ),其他(tā)區域的網(wǎng)格爲(wèi)非結構四(sì)面體(tǐ),将整(zhěng)個流場進行網格劃(huà)分後，網(wǎng)格(gé)數(shù)量在100000左右，如(rú)圖3所(suǒ)示。兩種(zhǒng)軟(ruǎn)件的(de)網格劃分(fèn)方法相(xiàng)比較,comsol對流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分更(gèng)加正确。

　　雙向内外管(guǎn)壓(yā)差流量(liàng)計的(de)節(jiē)流件采(cǎi)用對稱結構,流(liú)場雖然被分爲(wèi)内外兩個部分，但在節(jiē)流件中(zhōng)部有一-段穩定(dìng)流态的直(zhí)管段,當流(liú)體流過(guò)節(jiē)流件後(hòu)，内外兩(liǎng)流道又(yòu)合并爲一個流道,其中流體(tǐ)的(de)流.速和(hé)壓力(lì)逐漸穩定，在流場中并沒(méi)有過大(dà)的壓力(lì)梯度(dù),所以(yǐ)湍流(liú)模型(xíng)選擇k-ε模型(xíng)。标準的(de)k-ε模(mó)型現(xiàn)已經過許多改(gǎi)進,其(qí)中(zhōng)rngk-ε模(mó)型來(lái)源于嚴格的統(tǒng)計(jì)技術,提高了(le)精度(dù)和可信度(dù),在flu-ent仿真中可以(yǐ)選擇(zé)rngk-ε模型[10),但是在comsol仿(páng)真中隻能(néng)籠統地選(xuǎn)擇k-ε模(mó)型。
　　仿真介質選(xuǎn)擇液(yè)态水(shuǐ)，溫度(dù)20c,爲不(bú)可(kě)壓縮流體，出(chū)口(kǒu)條件爲(wèi)outflow,試驗均在入口(kǒu)流速2m/s.的條件下進行仿真(zhēn)。在求(qiú)解器的(de)設(shè)置方(fāng)面,兩(liǎng)種(zhǒng)軟件均(jun1)選(xuǎn)擇“叠代或容(róng)差”的(de)終(zhōng)止條件(jiàn)。
　　由于(yú)fluent與(yǔ)comsol軟(ruǎn)件中(zhōng)均可設置對稱(chēng)面，因(yīn)此在構建(jiàn)三維模型時可(kě)以僅構建(jiàn)半個流場區域(yù),以方(fāng)便觀察截面.上(shàng)的壓(yā)力(lì)分(fèn)布。在(zài)仿真的後處理(lǐ)中,壓力(lì)測量點(diǎn)需要(yào)設置在流場穩定(dìng)的區域(yù)，故計算壓損的前(qián)後壓力測量(liàng)點設置在(zài)節流(liú)件的前後1個管徑距離的位置(zhì),計算(suàn)壓差信号(hào)的兩個壓力測(cè)量點(diǎn)設置(zhì)在節(jiē)流件中心(xīn)和外(wài)流道(dào)中(zhōng)心0。
4仿真結果(guǒ)和(hé)數(shù)據分析
　　對(duì)于雙向内(nèi)外管壓差流量計而(ér)言(yán),内(nèi)外壓(yā)差信号大的條(tiáo)件下(xià),壓損越小(xiǎo)越(yuè)好,故(gù)選取内(nèi)外壓差信号與壓損的(de)差(chà)值，即壓損差,作爲雙(shuāng)向内外(wài)管壓差流量計的評價(jià)指标。按照(zhào)前文(wén)設置的結構參(cān)數建立15組(zǔ)三維(wéi)模型,分别利用(yòng)fluent與comsol進(jìn)行(háng)仿真,根(gēn)據仿真結果,記(jì)錄内外壓(yā)差信(xìn)号,将(jiāng)comsol和(hé)fluent仿真數(shù)據的(de)差的絕對(duì)值與(yǔ)fluent數據(jù)的比(bǐ)值定義爲(wèi)誤差比，内外壓差信(xìn)号數(shù)據對(duì)比見(jiàn)表2,用(yòng)同(tóng)樣的方(fāng)法(fǎ)記錄兩種軟件仿(páng)真(zhēn)結果的(de)前後(hòu)壓損和壓(yā)損差,并(bìng)計算出(chū)誤差比,數據對(duì)比見(jiàn)表3、表4。繪制(zhì)的誤差比(bǐ)折線圖如圖4所(suǒ)示。




　　通(tōng)過觀(guān)察(chá)表(biǎo)中數據可得(dé)到(dào)規律(lǜ):comsol仿真數據與fluent仿(páng)真數據的誤差(chà)随着fluent仿真數據的增大(dà)而增大。同時對比折線圖可發(fā)現(xiàn)各組(zǔ)數據的誤差(chà)比均維持在(zài)較低(dī)且穩定(dìng)的水平。這樣的誤(wù)差比(bǐ)對(duì)于後(hòu)續(xù)拟合(hé)二次回歸方程(chéng)以及計(jì)算(suàn)方程(chéng)的最(zuì)優(yōu)解影響(xiǎng)很小(xiǎo)。
　　分(fèn)别導出一(yī)組(zǔ)試(shì)驗的仿(páng)真壓力雲圖進行對(duì)比，如圖5、圖(tú)6所示。由(yóu)圖(tú)可知，壓力(lì)分布基本(běn)相同，comsol的壓力雲(yún)圖更(gèng)加立體直(zhí)觀，視覺效(xiào)果比fluent更好(hǎo)。


5結束(shù)語
　　以(yǐ)雙向(xiàng)内(nèi)外管壓差流(liú)量計(jì)節流(liú)件的(de)異(yì)徑(jìng).比h:擴散角θ和節流件(jiàn)的大管半(bàn)徑r3個結構參.數爲優(yōu)化目标(biāo)，設(shè)計了二次回歸正交(jiāo)試驗，分别用fluent和(hé)comsol進行(háng)仿(páng)真、記錄數據。通過comsol仿真(zhēn)所得的數據與(yǔ)通過(guò)fluent仿(páng)真所得(dé)的數據相比,雖(suī)然有(yǒu)浮(fú)動,但是(shì)誤差比卻(què)維持(chí)在一個較(jiào)低且(qiě)穩定的(de)水平,因此，使用comsol代(dài)替fluent進(jìn)行雙向(xiàng)内外管(guǎn)壓差(chà)流(liú)量(liàng)計的仿真。comsol的(de)仿真過(guò)程可保存爲m文(wén)件,方便利(lì)用matlab對(duì)comsol進行二次(cì)開發，對雙(shuāng)向内外管(guǎn)壓差流(liú)量計更(gèng)多結構參數進(jìn)一步優化。

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