摘要:多孔(kǒng)孔闆流量計 是(shì)一種比傳(chuán)統的(de)差壓(yā)測量裝(zhuāng)置(zhì)更優良的(de)新型差壓式(shì)流量測(cè)量裝(zhuāng)置,但(dàn)其函(hán)數(shù)孔(kǒng)的确定目(mù)前沒有統(tǒng)一(yī)的(de)标準(zhǔn)。針對(duì)該問(wèn)題,采(cǎi)用cfd仿(páng)真軟(ruǎn)件,在相同(tóng)等效(xiào)直徑比的情況(kuàng)下,針對多孔孔(kǒng)闆的函數(shù)孔結(jié)構,研(yán)究了開孔(kǒng)數目、孔分布以及倒(dǎo)角等因素(sù)對于減少壓(yā)力(lì)損失所起到的(de)影響(xiǎng)和(hé)作用。根(gēn)據仿(páng)真研究結(jié)果,制(zhì)作了一種多孔(kǒng)孔(kǒng)闆流量(liàng)計進(jìn)行流體試驗，試驗結(jié)果表(biǎo)明該(gāi)方法(fǎ)的正(zhèng)确率。.
0引言
　　孔闆(pǎn)流量(liàng)計 因(yīn)其結(jié)構簡單、耐(nài)用而成爲目前國際(jì)上标準(zhǔn)化程度(dù)高、應用最爲廣(guǎng)泛的一種流量(liàng)計,但也存在着流出(chū)系數不.穩定、線(xiàn)性差、重複(fú)性不高、永久壓(yā)力損失大等缺(quē)點“。美國馬歇爾(ěr)航空飛行中心設計(jì)發明(míng)的一(yī)-種新型差壓式(shì)流量測量裝置(zhì)，即多孔孔(kǒng)闆流量計(jì)(又(yòu)稱(chēng)爲平衡流(liú)量(liàng)計)田。多(duō)孔孔闆流(liú)量計(jì)對傳統節流(liú)裝置有(yǒu)着極大的(de)突破,與傳統差(chà)壓式(shì)流.量計相(xiàng)比較,具(jù)有永久壓力損(sǔn)失(shī)小、精(jīng)密度高、量(liàng)程比大、直管段(duàn)短等(děng)優點。
　　多孔孔闆流量計測量原(yuán)理圖(tú)如(rú)圖(tú)1所示。雖然多孔(kǒng)孔闆(pǎn)的結構與(yǔ)标準孔闆不同,其測(cè)量原理(lǐ)還(hái)是節(jiē)流測(cè)量(liàng),因此在(zài)流量(liàng)計算(suàn)時仍(réng)可采(cǎi)用标(biāo)準孔闆的(de)經典計算(suàn)公(gōng)式(shì)國:
 
　　式(shì)中:q爲(wèi)管道中流體的流量(liàng);k爲無量綱(gāng)系數;△p爲(wèi)孔闆節(jiē)流前(qián)後(hòu)的壓力(lì)差;ρ爲流體密度。
 
　　多孔孔闆流(liú)量計每個孔的尺(chǐ)寸(cùn)和(hé)分布基(jī)于獨特的公(gōng)式(shì)和國測試(shì)數據(jù)定制，稱(chēng)爲(wèi)函數(shù)孔。至于函數孔(kǒng)是如何定制,與(yǔ)哪些(xiē)因素有關,主要由什(shí)麽參數來決(jué)定的，目(mù)前還沒(méi)有相關的文(wén)獻可(kě)以查(chá)閱。對于如何定(dìng)制函數(shù)孔，缺少(shǎo)一個統--的标準(zhǔn)。以因節(jiē)流而産(chǎn)生的(de)壓力損失(shī)作爲(wèi)對比參照(zhào)，通過仿真對函(hán)數孔(kǒng)結構的研(yán)究，主要包(bāo)括多(duō)孔孔(kǒng)闆開孔數(shù)量、孔的分布以及倒(dǎo)角(jiǎo)等因素(sù)對減小壓(yā)力損失所起到的影(yǐng)響和作用,對于(yú)函數孔的制定(dìng)有一(yī)定(dìng)的指導意義(yì);爲(wèi)函(hán)數孔(kǒng)制定标(biāo)準(zhǔn)化奠(diàn)定基礎,将有助(zhù)于推動(dòng)多孔孔闆的孔函(hán)數的(de)研究與應用進(jìn)展。
1函數孔結構的研究
　　以内徑(jìng)d爲50mm、等效直(zhí)徑比(bǐ)β=0.35的孔闆中(zhōng),流動(dòng)介質純(chún)水(shuǐ)爲研(yán)究對象,參考标準孔闆(pǎn)在實際(jì)工業應用和本(běn)次仿真模拟，爲保證(zhèng)流(liú)體能夠(gòu)以充(chōng)分(fèn)發展、理(lǐ)想(xiǎng)的湍流(liú)狀态進入(rù)流量計,設(shè)計有長(zhǎng)度(dù)分别爲10d、14d的上(shàng)下(xià)遊直(zhí)管段5。在(zài)此基礎(chǔ)上做了3組不同(tóng)的仿真(zhēn)模拟,并(bìng)且選定其中一(yī)個模(mó)拟(nǐ)結果的設計(jì)方(fāng)案進行(háng)實(shí)流(liú)實驗(yàn),通過(guò)對比實流實驗(yàn)結果與(yǔ)模拟仿真結(jié)果(guǒ)從而驗(yàn)證仿(páng)真結果的(de)正确率。
1.1對開孔(kǒng)數量的研(yán)究
　　在(zài)此先研究(jiū)孔的(de)結構爲(wèi)無倒角(jiǎo)的情況,對數量研究的時(shí)候要(yào)求其(qí)他參數均(jun1)是相同(tóng)的(de)，包括(kuò)有孔分布以及(jí)孔的結構(gòu)。設計(jì)時在(zài)-一個多孔(kǒng)孔闆.上(shàng)每個小(xiǎo)孔的(de)直徑(jìng)是一(yī)樣的，由(yóu)等(děng)效直(zhí)徑比(bǐ)的定義可(kě)知開孔直徑爲(wèi)
 
數;an爲(wèi)每個小孔(kǒng)的面積;a2爲是管(guǎn)道的截(jié)面積。
　　設計原則爲(wèi):把孔隻分布在以孔(kǒng)闆的中心(xīn)爲圓(yuán)心的一個(gè)圓周(zhōu)上(孔在這個圓周，上(shàng)分布的時(shí)候不(bú)能(néng)夠(gòu)出現(xiàn)相交的情況,初(chū)步選(xuǎn)定圓(yuán)周的半徑(jìng)爲(wèi)12mm)。受條件(jiàn)的限(xiàn)制,本次研(yán)究對象(xiàng)的開孔(kǒng)數最小爲(wèi)1個,最(zuì)大爲(wèi)16個。無倒角(jiǎo)說明(míng)節流孔的厚度與孔闆的(de)厚度相同,其示意圖(tú)如圖(tú)2所示(shì)。
 
1.2對節流孔分布的研(yán)究
　　将節流(liú)孔(無倒(dǎo)角)均勻分布在兩(liǎng)個同(tóng)心圓或者兩個同心圓(yuán)以及孔(kǒng)闆的中心(xīn)上。調整同(tóng)心圓的大小(xiǎo),即改(gǎi)變的同心圓(yuán)大小(xiǎo)d1;d2示意(yì)圖如圖3所示。
 
1.3對倒(dǎo)角的(de)研究
　　參考(kǎo)流量測量節(jiē)流(liú)裝置設計手冊(cè)回可知标準孔(kǒng)闆傾(qīng)斜角是在(zài)下遊(yóu)端面,其大(dà)小可以爲45°±15°，文中(zhōng)将分2種情(qíng)況研(yán).究:下(xià)遊端面有(yǒu)45°倒角(jiǎo);上下遊端面(miàn)均有45°倒角。
2模(mó)拟仿真
　　模(mó)拟仿(páng)真是(shì)通過(guò)cfd軟件(jiàn)包fluent來(lái)完成(chéng)的。
2.1建模與劃(huà)分網格(gé)
　　建模與(yǔ)劃分網(wǎng)格都(dōu)是在cfd前置(zhì)處理器(qì)gambit中(zhōng)完成的。圖(tú)4爲上遊直(zhí)管段10d,下遊直管(guǎn)段(duàn)14d的(de)多孔(kǒng)孔闆(pǎn)流量計的(de)仿(páng)真(zhēn)模型(xíng)。
 
　　文中直接(jiē)選用體(tǐ)網格來(lái)劃分(fèn)網格。選用(yòng)體網格的element爲tet/hybrid即四面(miàn)體(tǐ)/混合，同(tóng)時選(xuǎn)定tgrid作爲element的(de)type。爲了提高計算(suàn)精度(dù)，需對網(wǎng)格做局(jú)部(bù)加密,考(kǎo)慮到(dào)在節流前後壓(yā)力會急劇變化,因此對節(jiē)流前(qián)後的直管段以及(jí)多孔孔(kǒng)闆做局部加密(mì)處理(lǐ)。該文在對(duì)多孔(kǒng)孔(kǒng)闆劃分(fèn)網格時(shí)候選用(yòng)的節點間(jiān)距爲(wèi)0.5,在多孔(kǒng)孔闆前(qián)後4d的直管段劃(huà)分網(wǎng)格時候選用節點間(jiān)距爲(wèi)3,其餘部分(fèn)的節點間(jiān)距爲6。網格(gé)單元的數(shù)量爲(wèi)398642萬。網格劃分結(jié)果如圖5所(suǒ)示。
 
2.2模型的求解(jiě)
　　在本文中選用(yòng)壓力(lì)基(jī)求解器就能滿足(zú)要求(qiú)們。
　　本(běn)文(wén)中入口的雷諾數較大,流(liú)動爲湍流,需(xū)要設置湍(tuān)流(liú)模(mó)型，采(cǎi)用realizablekε模(mó)型。
　　邊界條件的(de)設定:入口邊界類型(xíng)設定爲速(sù)度入(rù)口,即(jí)veloc-ity-inlet入口的湍(tuān)流參(cān)數(shù)指(zhǐ)定方(fāng)式選(xuǎn)用kandepsilon,出(chū)口邊(biān)界類型:設定爲自由(yóu)出流outflow,孔闆(pǎn)處爲默(mò)認内部(bù)邊界條件inte-rior,其餘(yú)爲均爲無滑移(yí)外部(bù)壁面,熱傳(chuán)輸模型爲(wèi)絕熱(rè)。
2.3仿真結(jié)果(guǒ)
　　本文(wén)主要是研(yán)究因(yīn)節流而産生的(de)壓力損失(即節流(liú)前(qián)後的靜壓(yā)差),爲此以節(jiē)流(liú)前後的壓差作(zuò)對比研究。
2.3.1對多(duō)孔孔(kǒng)闆開孔數量的研(yán)究
　　給定(dìng)的速(sù)度入口的(de)初始速(sù)度(dù)爲1m/s。對一段長爲1.2m(等于(yú)前後直管(guǎn)段長度24d)的直管道進(jìn)行模拟仿真,參數設(shè)置以及湍(tuān)流模型的(de)選擇(zé)與上述模拟相(xiàng)同，結果可(kě)得直(zhí)管段(duàn)的沿程壓(yā)力損失爲(wèi)314pa。由，上述仿(páng)真計算結(jié)果的進出口壓(yā)力(lì)差減去直管(guǎn)道的沿程壓力損失，即(jí)可(kě)得到(dào)節流前後(hòu)的差(chà)壓。開孔數(shù)量和(hé)差壓的關系如(rú)圖6所(suǒ)示，開孔數(shù)量和差壓(yā)信号的關系如(rú)表1所(suǒ)示。
 
　　由圖6可知,随(suí)着開(kāi)孔數量的(de)增加(jiā),在開(kāi)始階段壓損(sǔn)能夠明顯減少，當開孔(kǒng)數達到(dào)12時(shí)壓損(sǔn)達到最小值，随後壓(yā)損又增大(dà)。
 
　　由表1可以看出，等效直(zhí)徑(jìng)比爲(wèi)0.35的多孔孔(kǒng)闆最(zuì)佳(jiā)的.開(kāi)孔數是(shì)12,與開孔數爲1的(de)孔闆相比較減(jiǎn)小約29.4%的壓力損(sǔn)失。
2.3.2對(duì)節流孔分(fèn)布(bù)的(de)研究
　　由方(fāng)案設(shè)計可知,本(běn)階段研究主要(yào)有2種情(qíng)況:
(1)同心(xīn)圓沒有中(zhōng)心孔(kǒng)，以(yǐ)開(kāi)孔數12爲研(yán)究對象;
(2)同(tóng)心圓(yuán)有中(zhōng)心孔(kǒng)，以開孔數(shù)13爲(wèi)研究對(duì)象。
孔(kǒng)的分布與差壓信号(hào)關系(xì)如表(biǎo)2所示。
 
　　從表(biǎo)2可以看出(chū),對于相同的開孔數(shù),在山不變的情況下，随着d1的增(zēng)大,壓差減(jiǎn)小。對(duì)比開孔數(shù)爲12,有(yǒu)中心孔，開孔數(shù)爲13的(de)差(chà)壓信号(hào)隻大0.5%。
2.3.3對倒角的(de)研究
　　在試驗測(cè)量的(de)時候(hòu)，希望(wàng)在減(jiǎn)小壓(yā)損的(de)同時(shí)又能(néng)夠得(dé)到較(jiào)大的測量(liàng)信号,因此選取開孔數爲13,有中(zhōng)心孔(kǒng)的多(duō)孔孔闆做進一步的(de)研究。由以上方(fāng)案的設計可(kě)知(zhī),倒角的研究有(yǒu)2種情況(kuàng):
(1)隻有1個(gè)倒角,在節(jiē)流闆(pǎn)的下(xià)遊端(duān)面;
(2)2個(gè)倒角,在節流(liú)闆(pǎn)的上下遊(yóu)端面(miàn)均有倒角。
　　以流量測(cè)量節流設(shè)計手冊作爲參(cān)考,設(shè)計節流孔的厚(hòu)度爲(wèi)0.02d,倒角(jiǎo)爲45°。由此(cǐ)可得如(rú)表3所(suǒ)示的模拟結果。
 
　　由(yóu)表3可以(yǐ)看出倒角的(de)存在對于減(jiǎn)小壓(yā)力損失有(yǒu)着巨大的(de)影(yǐng)響,對比(bǐ)開孔數爲(wèi)13、上下(xià)遊都有倒角的(de)與上(shàng)下(xià)遊都無(wú)倒角,壓力損失(shī)降低42.3%。綜合(hé).上述(shù)3種(zhǒng)情況,在直徑(jìng)比都(dōu)是0.35,開(kāi)孔數爲13,上下遊均有(yǒu)45°倒角(jiǎo)的多孔孔(kǒng)闆與(yǔ)标(biāo)準孔闆(pǎn)相比，壓力損失(shī)減小59.8%。
3試(shì)驗測量(liàng)
　　試驗是在(zài)現有的液體(tǐ)流量标(biāo)準裝置(裝置主(zhǔ)要由穩壓罐、法(fǎ)蘭、直管段(duàn)、标定容器構(gòu)成(chéng)。其中穩壓罐能夠讓(ràng)流體以恒(héng)定的(de)速度(dù)進(jìn)入直管(guǎn)段;法蘭用于孔(kǒng)闆的安裝(zhuāng);标定(dìng)容器(qì)用(yòng)于測量(liàng)流體的(de)流量。).上(shàng)使用自(zì)己設計(jì)的多孔孔(kǒng)闆(pǎn)完(wán)成的。所(suǒ)選用的(de)孔闆即前文仿(páng)真部(bù)分(fèn)開孔數(shù)爲13,d;=8、d2=13,上下遊端面(miàn)均有(yǒu)倒角的多孔孔(kǒng)闆。多(duō)孔孔(kǒng)闆如圖(tú)7所示。
 
3.1試驗方法
　　取(qǔ)5個不同大(dà)小的(de)流量(liàng)按流速從小到大，再(zài)從大到小(xiǎo),反複(fú)測量差壓(yā)值,測(cè)量次數爲3,測量結果取平均值對試驗測(cè):量時得到(dào)的流速進行模拟仿(páng)真,并(bìng)與試(shì)驗結(jié)果相(xiàng)比(bǐ)較。由此(cǐ)可得到如(rú)圖8流(liú)量與差壓(yā)關系圖。
 
　　由(yóu)圖8看出試(shì)驗結(jié)果與(yǔ)仿真(zhēn)結果的誤差較(jiào)小(誤差能夠控(kòng)制在(zài)7%左右(yòu)),說明(míng)本次(cì)模拟仿真(zhēn)所選用的(de)計算(suàn)模型、方法是可(kě)信賴的。
4結(jié)論
　　以内徑(jìng)是50mnm,等效直(zhí)徑比(bǐ)0.35的(de)多(duō)孔孔(kǒng)闆作爲研(yán)究對(duì)象,用仿真(zhēn)軟件(jiàn)fluent6.3模拟(nǐ)研究多孔(kǒng)孔闆函數孔結構,主要是開孔(kǒng)數量、孔的(de)分布以及(jí)倒角對于(yú)減小壓力損失所起(qǐ)到的(de)作用(yòng)，并對仿真結果進行(háng)實流試驗(yàn)驗證(zhèng),得到(dào):.
(1)在相(xiàng)同等(děng)效直(zhí)徑比(bǐ)的情況下,增加開孔(kǒng)數以及倒(dǎo)角的存(cún)在能有(yǒu)效減小壓力損(sǔn)失;在孔的(de)數量和結構都(dōu)确定的前(qián)提(tí)下(xià)均勻而有(yǒu)序地分布(bù)孔對(duì)測量的影響可忽(hū)略;
(2)試驗(yàn)結果與仿(páng)真模拟結果(guǒ)基本吻(wěn)合,說明(míng)隻要使(shǐ)用(yòng)正(zhèng)确(què)的計算(suàn)模型、精密的網(wǎng)格劃(huà)分以及準确的計算方法(fǎ)，在沒有試驗的(de)條件下(xià)也可以(yǐ)使模(mó)拟(nǐ)仿真對多孔孔(kǒng)闆進行(háng)研究。

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