摘要:多(duō)孔孔(kǒng)闆差壓(yā)式流量(liàng)計 因(yīn)其快速平(píng)衡調整(zhěng)流場和(hé)有效(xiào)降(jiàng)低壓力(lì)損失等能力得(dé)到廣(guǎng)泛(fàn)應(yīng)用,但(dàn)其尚缺乏(fá)完整(zhěng)的結構參數設(shè)計和性(xìng)能優化(huà)設計(jì)準則(zé)。針對(duì)提出(chū)的對(duì)稱多孔孔闆(pǎn)差壓式(shì)流(liú)量(liàng)計進(jìn)行實(shí)流試驗,研究其(qí)計量性能(néng)并與(yǔ)數值模拟結果(guǒ)進行對比分析(xī),結果表(biǎo)明,對稱(chēng)多孔孔闆(pǎn)差壓式流(liú)量計可有(yǒu)效提高(gāo)計量精(jīng)度(+0.5%)、降低壓(yā)力損(sǔn)失,具有更(gèng)好的(de)适應性(xìng),試(shì)驗結(jié)果與(yǔ)數值模拟(nǐ)結果具有一緻(zhì)性,驗(yàn)證了數值模拟(nǐ)的正(zhèng)确性(xìng)并對(duì)新(xīn)型(xíng)流量計進(jìn)行了标定(dìng)，研究結果可有(yǒu)效拓寬 多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計 的應(yīng)用範圍。
0引言
　　流(liú)量計量是(shì)工業生産的眼(yǎn)睛,廣(guǎng)泛應用(yòng)于(yú)科學(xué)研究、工農(nóng)業生(shēng)産、國防建設以(yǐ)及人(rén)民生活等(děng)領域，諸多流量(liàng)計中(zhōng),傳統差壓(yā)式流(liú)量計因其(qí)結構(gòu)簡單、成本(běn)低、實驗數據豐(fēng)富、标(biāo)準化程度(dù)高等優點,應用(yòng)最爲(wèi)廣泛。但在(zài)實際應用中很多工(gōng)況(kuàng)條件無(wú)法滿足(zú)測量要求(如(rú)低于标準(zhǔn)中推薦的雷諾(nuò)數範圍、測量介(jiè)質中(zhōng)混(hùn)有泥沙(shā)等),進而(ér)限制了(le)其應(yīng)用範圍。
　　在(zài)這(zhè)些(xiē)情況(kuàng)下,非(fēi)标準 差壓式流量計 得到(dào)快速(sù)發展和(hé)進一步(bù)的應用，目(mù)前最(zuì)具代表性(xìng)的非(fēi)标準(zhǔn)差壓式流(liú)量計主(zhǔ)要有錐形流量(liàng)計和多(duō)孔孔闆流量計多孔孔闆流量(liàng)計不但(dàn)繼承了(le)标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計的優(yōu)點，而且(qiě)能夠(gòu)快(kuài)速平衡調整流場(chǎng)，明顯(xiǎn)減少渦流(liú)、降低(dī)死區效應(yīng)、減少(shǎo)流體動能(néng)損失(shī),在國(guó)際(jì)上引起廣泛關注，自2006年(nián)被引進我國市(shì)場以來,得到廣(guǎng)泛應用。但(dàn)因涉(shè)及商(shāng)業機(jī)密,多孔孔闆流(liú)量計(jì)的結(jié)構參數與流出(chū)系數(shù)等計(jì)算公式(shì)未曾公(gōng)開。爲了(le)掌(zhǎng)握該(gāi)流量(liàng)計的核心(xīn)技術,國内(nèi)科研(yán)技術人員對其(qí)進行了(le)大量研(yán)究，主要集中于(yú)孔闆結構參數(shù)優化(huà)及計量性(xìng)能等方面.[448。目前,實際應用中要根據不同測量條件來設計流(liú)量計，缺乏完整(zhěng)的結(jié)構參(cān)數設(shè)計和性能(néng)優化(huà)設計(jì)準則指導(dǎo)。
　　對多孔孔闆流(liú)量計進行了大(dà)量的研究(jiū)工作(zuò),結合多孔(kǒng)整流(liú)器和标準(zhǔn)孔闆(pǎn)聯合使用的測(cè)量原理,提出了一種(zhǒng)對(duì)稱多孔孔闆差壓式流(liú)量計的設計方(fāng)法(即(jí)在中心節流孔周(zhōu)圍均(jun1)勻環形(xíng)分布(bù)若幹孔),采用cfd數值模(mó)拟預測了其内部(bù)流場,并研究(jiū)了孔(kǒng)數量(liàng)對(duì)多孔孔闆流量計(jì)流場特(tè)性的影(yǐng)響規(guī)律[920但數值(zhí)模拟隻能爲研(yán)究提供方向(xiàng)性(xìng)的指導(dǎo)，并不能很好的(de)指導實(shí)際生産。本(běn)文基于數值模拟結(jié)果搭建對(duì)稱多(duō)孔孔闆差(chà)壓式(shì)流量(liàng)計實流标校試(shì)驗(yàn)平台,對(duì)其計(jì)量性(xìng)能進(jìn)行試驗研究，檢(jiǎn)驗了(le)cfd設計(jì)成果的有效性,并對新型(xíng)流量計進行了标定。
1多孔(kǒng)孔闆(pǎn)流量(liàng)計
　　課(kè)題組(zǔ)提出(chū)并設(shè)計的多孔孔闆(pǎn)流量計結合了多孔(kǒng)整流器和标準(zhǔn)孔闆的測量原理,基(jī)本結構爲在(zài)節流闆(pǎn)中心一個圓孔(kǒng)的基礎(chǔ)上,對稱(chēng)分布數量不等的圓(yuán)孔,如(rú)圖1所示,均勻分布的(de)圓孔(kǒng)的(de)總面積(jī)和(hé)标準孔闆的(de)開孔面積相等。流量計(jì)整(zhěng)體結(jié)構如圖2所示。

　　多孔孔闆(pǎn)流量(liàng)計的測量(liàng)原理(lǐ)是以能量守恒(héng)定律和質(zhì)量守恒定律爲基礎(chǔ)的,即在流量檢測時(shí),所測介質(zhì)流過圓(yuán)孔(kǒng)的同時進行(háng)流體整(zhěng)流，減(jiǎn)小節流裝(zhuāng)置後(hòu)形成的渦(wō)流,形(xíng)成(chéng)較穩定的紊(wěn)流(近似理想流(liú)體),從而獲(huò)得穩定的差壓(yā)信号(hào),根據伯努(nǔ)利方程(chéng)計算出(chū)流體的流(liú)量:

式(shì)中:q爲介質流量(liàng);k爲儀表系(xì)數;y爲(wèi)膨脹系數(shù);△p爲差(chà)壓值(pa);ρ爲(wèi)介(jiè)質工況密度。
2數值模(mó)拟
　　針(zhēn)對設(shè)計的(de)對稱多孔孔(kǒng)闆(pǎn)差壓(yā)式(shì)流(liú)量計,分别對開孔數量爲1.4、5.7(孔的(de)分布(bù)位置如圖3所示(shì),參數如表1所示)的流量計采用(yòng)cfd數值模拟技術(shù)分析了其内部(bù)流場(chǎng)情(qíng)況(kuàng),如圖(tú)4所示，研究了孔(kǒng)數量(liàng)對多(duō)孔孔闆流量計流場(chǎng)特性的(de)影(yǐng)響規(guī)律,得出(chū)對稱多(duō)孔孔闆(pǎn)差壓式(shì)流量(liàng)計(jì)具有可(kě)降低節流件前(qián)後渦(wō)流、快速平衡内部流場(前(qián)後直管段要(yào)求(qiú):前1d~3d,後0.5d~1d,其中(zhōng)d爲通(tōng)流直徑)、提高測(cè)量精(jīng)度、降低壓力損(sǔn)失、适應性(xìng)更好(hǎo)的優(yōu)點，随(suí)着孔數量(liàng)的增(zēng)加壓力損(sǔn)失逐(zhú)漸降低、流出系(xì)數提高的(de)結論(lùn)。
3試驗标校平台(tái)的組成(chéng)
　　爲了驗證數(shù)值模(mó)拟的正确(què)性,搭建對稱多(duō)孔孔闆差(chà)壓式(shì)流量(liàng)計試(shì)驗标(biāo)校(xiào)平(píng)台,由(yóu)對稱(chēng)多孔(kǒng)孔闆(pǎn)差壓(yā)式流量計(jì)、截止(zhǐ)閥、 差(chà)壓變(biàn)送器 、流量(liàng)調節(jiē)閥、 電(diàn)磁流(liú)量計(jì) 、水泵和水槽及(jí)管路(lù)系統(tǒng)組成(chéng),如(rú)圖5所示,其中(zhōng)對稱多孔(kǒng)孔闆(pǎn)差壓式流(liú)量計(jì)和電磁(cí)流量計(jì)與試(shì)驗管道均(jun1)通過法蘭連接(jiē)。試驗(yàn)過程(chéng)中,流(liú)量計工裝(zhuāng)示意圖如圖(tú)6所示。
　　工作原理(lǐ)如(rú)下:通過試驗(yàn)管路變(biàn)頻調速水泵及上遊側流(liú)量調(diào)節閥開度(dù)的适當調(diào)節,獲得流速0~7m/s連續可調的(de)流體介質,并采(cǎi)用高精度電磁(cí)流量(liàng)計(作爲标(biāo)準器具(jù),精度+0.2%r)測量實際(jì)流(liú)量(流(liú)速),利用高準.确(què)度差壓變送器(qì)(eja110e系列、量程(chéng)0~100kpa、精度(dù)+0.065%fs)測量壓(yā)差(chà)值及(jí)壓(yā)力(lì)損失(shī)值。
　　爲(wèi)了與數(shù)值模拟(nǐ)結果進行比較(jiào),相應設置保持(chí)一緻(zhì)性:介質采(cǎi)用水(環境溫度(dù)5℃~45℃)、濕度35%rh~95%rh、大氣壓(yā)力(lì)86kpa~106kpa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管路規格(gé)dn80(節流元件(jiàn)上下(xià)側直管(guǎn)段長度(dù)約(yuē)爲5m,充(chōng)分(fèn)保證(zhèng)了多(duō)孔平衡流量計測量(liàng)中對前後直(zhí)管(guǎn)段研(yán)究的(de)要求(qiú)),取壓(yā)方式(shì)爲法蘭取(qǔ)壓(上(shàng)下遊取壓孔軸線(xiàn)距離多(duō)孔流(liú)量計節流(liú)件上(shàng)下遊端面(miàn)均(jun1)爲(wèi)25.4+0.5mm)。其(qí)他參數爲介(jiè)質水密度(dù)ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mpa.s、流東膨脹(zhàng)系(xì)數e=1。實流(liú)試驗現(xiàn)場如圖(tú)7所示，試驗(yàn)用對(duì)稱多孔孔(kǒng)闆(pǎn)差(chà)壓式流量計如圖8所示。

4試驗結果分析
　　按要求(qiú)搭建試(shì)驗标校平台(tái),進行(háng)實流試驗,獲得(dé)流量計試驗的差壓(yā)與壓力損失值,如(rú)表2所(suǒ)示(shì)，并與(yǔ)數值模拟(nǐ)結果(guǒ)進行對比,爲了(le)更爲直(zhí)觀和分(fèn)析的方便(biàn),将不(bú)同開(kāi)口數(shù)量流(liú)量計的壓(yā)力損(sǔn)失值繪(huì)制(zhì)成曲(qǔ)線,如(rú)圖9所示。

　　由(yóu)圖(tú)9可以看出，對稱多(duō)孔孔(kǒng)闆差(chà)壓式(shì)流量(liàng)計的壓力損失(shī)比标準孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的(de)要小一些，并且随(suí)着孔數的增(zēng)加(jiā)壓力損失呈現(xiàn)逐漸(jiàn)減小的(de)趨勢。
　　流(liú)出系(xì)數是(shì)評價節流(liú)式(shì)儀表性能的最(zuì)重(zhòng)要參數之(zhī)

　　爲實際流(liú)量與理(lǐ)論(lùn)流量(liàng)的比(bǐ)值,是統計(jì)量,受(shòu)設計(jì)、制造、安裝(zhuāng)及(jí)使用條(tiáo)件的(de)影響。根據不可壓縮流體(tǐ)的連續性(xìng)方程(chéng)和伯努(nǔ)利方程,定常流(liú)體(tǐ)的體(tǐ)積流(liú)量(liàng)爲:


注:每(měi)點标準表(biǎo)數值(zhí)q、差壓值(zhí)△p、壓損值δ記錄3次(cì),爲了節省篇幅,取其平(píng)均值進行表格相應欄的填寫(xiě)
　　式中(zhōng):c爲流(liú)出系數,無(wú)量綱(gāng);β爲等(děng)效直徑(jìng)比(bǐ)，無量(liàng)綱(β2=a0/a,其中a0爲孔闆(pǎn)節流孔開(kāi)孔面(miàn)積,a爲管道截面(miàn)面積(jī));d爲(wèi)孔(kǒng)闆節流孔等(děng)效(xiào)直徑(jìng);△p爲壓差(chà);q,爲體積流量;ρ爲流體介(jiè)質密度。
依(yī)據式(shì)(2)，确定流(liú)出系數(shù)c的數值(zhí):

　　結合實驗數(shù)據和式(3)得(dé)不(bú)同開口數量(liàng)流量計的流出(chū)系數,如表(biǎo)3所示,爲了與數值模拟結果(guǒ)進行直(zhí)觀對(duì)比(bǐ)，将不同(tóng)開口數(shù)量流量計的(de)流(liú)出系數(shù)繪制(zhì)成曲(qǔ)線,如(rú)圖10所示。
　　由(yóu)圖10可(kě)以看(kàn)出,對稱多(duō)孔孔闆(pǎn)差(chà)壓式(shì)流量計的(de)流出(chū)系數比标準孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)的要(yào)大一些(對于标(biāo)準孔闆,其(qí)試驗(yàn)範圍(wéi)内流(liú)出系(xì)數平均(jun1)值爲0.6140,對(duì)于多(duō)孔孔(kǒng)闆流量計(jì)其(qí)試(shì)驗範(fàn)圍内流(liú)出(chū)系數(shù)平均值爲(wèi)4孔孔(kǒng)闆0.6221、

5孔孔闆0.6268.7孔孔闆0.6346),随着(zhe)孔(kǒng)數增加流(liú)出系數呈(chéng)現逐漸增(zēng)大的(de)趨勢(shì)。
　　結合(hé)圖9和(hé)10,試驗結果和數值模拟計(jì)算的(de)結果相比,壓力(lì)損失與流出(chū)系(xì)數的(de)變化趨勢完全一緻,但在(zài)數值上存在一(yī)定偏差,誤差在(zài)8%。
流出系(xì)數的(de)系(xì)統誤(wù)差e爲(wèi):

　　式中(zhōng):c0爲理論流(liú)出系(xì)數，計(jì)算方法依(yī)據國(guó)際标準is05167--2003的(de)規定;ci爲實際流出系數的(de)平均(jun1)值。
　　若忽略管道制造(zào)和安裝誤差(chà)以(yǐ)及溫度、流(liú)體密度的影響(xiǎng),依據(jù)式(3)可以得到:

　　對于電(diàn)磁流(liú)量計(标準表)精度爲0.2級,eja110e高精度(dù)壓差(chà)傳感器(變送器)的(de)精(jīng)度爲+0.065%,經計算,流出系(xì)數的不(bú)确(què)定度(dù)爲4孔+0.467%、5孔(kǒng)士.0.439%.7孔+0.446%,即(jí)流出(chū)系數的誤(wù)差均(jun1)不超(chāo)過士0.5%,由此并基(jī)于流(liú)出系數定義可(kě)見(jiàn)流量(liàng)計的計(jì)量精(jīng)度(dù)爲0.5%。
5結論(lùn)
　　本文對多孔孔(kǒng)闆差壓式流量(liàng)計進行了實流試驗,分析了标(biāo)準孔闆(pǎn)與對稱多孔孔闆流量(liàng)計的(de)計量性能并與數值模拟(nǐ)結果進行(háng)對比(bǐ),結論(lùn)如下(xià)。
1)實流(liú)試驗結果(guǒ)與cfd數(shù)值模拟結果在(zài)趨勢上體現出(chū)完全(quán)的一緻性(xìng),但在數值(zhí)上存(cún)在一定的偏差,因此cfd計(jì)算結果(guǒ)并不(bú)能完全代(dài)替試驗(yàn)研究的(de)成果。但是這種(zhǒng)偏差并(bìng)不是很(hěn)大，作(zuò)爲工程上(shàng)的估算其精度(dù)能夠滿足要求(qiú)。
2)通過對稱(chēng)多孔(kǒng)孔闆(pǎn)差(chà)壓(yā)式流量計的實流标(biāo)定,結(jié)果顯示流(liú)出系數c相對于(yú)标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計有較大(dà)的提(tí)高,量程(chéng)範圍大(dà)大拓(tuò)寬,是一種可以(yǐ)應用于實(shí)際測(cè)量(liàng)的(de)新型(xíng)流量計(jì)産品。具(jù)體性能(néng)指标如(rú)下:精(jīng)度+0.5%;前後直(zhí)管段要(yào)求爲前1d~3d,後0.5d~1d。
3)對稱多孔孔(kǒng)闆差壓式流量計具(jù)有(yǒu)壓力損(sǔn)失小、流(liú)出系數高、适應(yīng)性(xìng)好等(děng)特點(diǎn)，完全可(kě)以(yǐ)直接應用于工(gōng)程中目(mù)前該流(liú)量計已經在市場得到應用,一定程度上拓(tuò)寬(kuān)了其(qí)應用範圍(wéi)

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