摘要:本文分(fèn)析了孔(kǒng)闆流量計的結構,其工作原理屬(shǔ)差壓(yā)流量計範疇,從(cóng)仿真(zhēn)角度對孔(kǒng)闆流(liú)量計進(jìn)行(háng)瞬态(tài)分析(xī),得出“壓差-流量點”、“壓(yā)差開方(fāng)根(gēn)-流量(liàng)點"的拟合方程(chéng),流量值x;與(yǔ)壓差開方(fāng)根yi的(de)線性(xìng)關系;随(suí)着流量(liàng)的逐(zhú)漸增大,壓(yā)差差值呈(chéng)增大(dà)的趨(qū)勢(shì).且流體介質的分子量越大(dà),k系數越小(xiǎo);相較(jiào)于對稱偏(piān)離,偏離程度的(de)大小對(duì)h系數的影響不穩(wěn)定,呈先增大後(hòu)減小(xiǎo)、再增大波(bō)浪線上升的(de)趨(qū)勢,沒(méi)有嚴格的規律(lǜ)而言。
0引言(yán)
　　孔闆(pǎn)流量計(jì)是根據(jù)伯努(nǔ)利(lì)公(gōng)式,利用(yòng)流體在流動(dòng)過程中遵守能量守恒定(dìng)律,即(jí)動能和靜壓能之和不變(biàn),以流體(tǐ)通(tōng)過節流作(zuò)用的(de)孔(kǒng)闆時(shí)産生壓差(chà)的(de)原理(lǐ)而進行測量,廣(guǎng)泛應(yīng)用(yòng)于(yú)石油、化工、冶金、電力(lì)、供熱供水(shuǐ)等領域的過程(chéng)控制(zhì)和測量。”
　　目前,cfd仿真手(shǒu)段是比較(jiào)熱門的(de)方(fāng)法,廣(guǎng)泛應用于産品(pǐn)設計、優化(huà)參數(shù)。采用solidworks軟件(jiàn)建立(lì)dn150标準孔闆流量計幾何模型,基(jī)于cfd軟件對此(cǐ)狀态下(xià)孔(kǒng)闆(pǎn)流量(liàng)計内(nèi)部流場進行數值模拟分(fèn)析;等應用(yòng)fluent流體(tǐ)仿真(zhēn)軟件(jiàn),對空(kōng)氣經過孔(kǒng)闆前(qián)後的壓力和速(sù)度進(jìn)行仿真研究;'應(yīng)用計算流(liú)體力學(xué)軟件,對(duì)不同結構(gòu)參數(shù)的孔闆(pǎn)流量計(jì)進行(háng)數值模拟(nǐ);運用cfd方法(fǎ),在fluent軟件中采用(yòng)标(biāo)準(zhǔn)k-e模型和離散相(xiàng)模型對(duì)孔(kǒng)闆内(nèi)濕天(tiān)然氣(qì)流動(dòng)進行模(mó)拟，将模(mó)拟結果與(yǔ)nel實驗數據(jù)進(jìn)行(háng)驗證;(5]趙奇等(děng)以(yǐ)計算流體力學(cfd)爲工(gōng)具,模拟了标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計與(yǔ)一類兩通(tōng)道非标準(zhǔn)孔闆(pǎn)流量(liàng)計的(de)内(nèi)部流場(chǎng);[6]李過房自(zì)主開(kāi)發了孔闆(pǎn)流星(xīng)計流(liú)場的數值(zhí)模拟軟件,詳細分析(xī)軟件收斂的條(tiáo)件,并(bìng)給出了在(zài)層流(liú)和湍(tuān)流條件(jiàn)下流出系數的計算結(jié)果;采(cǎi)用計(jì)算流(liú)體力(lì)學(xué)(cfd)模拟方(fāng)法對孔闆(pǎn)流動(dòng)進行(háng)了較準确(què)的預測(cè);等采用(yòng)cfd模拟方法,确定(dìng)了單相非牛頓(dùn)流體的流(liú)量(liàng)系(xì)數與雷諾數(比(bǐ)0.4.0.6和0.8)的關系,并對(duì)不同濃(nóng)度的非(fēi)牛頓(dùn)流體的流(liú)量系數進行了(le)分析(xī)。
　　此外(wài),孔闆流量計(jì)作(zuò)爲差壓流量(liàng)計(jì)範疇(chóu),流經(jīng)孔闆的流(liú)量與(yǔ)節流件前(qián)後壓(yā)差開(kāi)方根(gēn)成一定的線性(xìng)關系,存在h系數(shù),但(dàn)很少(shǎo)有人對(duì)k系數的影響因(yīn)子進(jìn)行分析,本(běn)文将從(cóng)以(yǐ)下幾個方(fāng)面去探讨(tǎo)不(bú)同楔(xiē)角大小(xiǎo)、不同流體介，質(zhì)不同偏離(lí)情況對壓(yā)差及k系數(shù)的影響,爲在實(shí)際檢(jiǎn)測、使用及(jí)産品設計(jì)等領(lǐng)域提供參(cān)考。
1孔(kǒng)闆流量計結構(gòu)與工作(zuò)原(yuán)理
1.1孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)結構(gòu)
　　孔闆流量計屬(shǔ)于差壓(yā)流(liú)量計範疇(chóu),作爲(wèi)一個(gè)節流(liú)件,使上下遊(yóu)産生壓力差(chà)，主要分(fèn)爲(wèi)标準(zhǔn)孔闆和非(fēi)标準(zhǔn)孔闆(錐形人口(kǒu)孔闆、1/4圓(yuán)孔闆、偏心(xīn)孔闆(pǎn)、圓缺孔(kǒng)闆、多(duō)孔孔闆等(děng))。其結構簡(jiǎn)單,如圖1所(suǒ)示:d爲管道(dào)内徑,d爲孔闆内徑,e爲(wèi)孔(kǒng)闆(pǎn)厚度(dù),e爲節流孔厚度。其中(zhōng)d≥12.5mm,出口(kǒu)楔角(jiǎo)φ在30°~60°之(zhī)間(jiān)，e在(zài)(0.005~0.02)d之間(jiān),e在e~0.05d之(zhī)間。
 
1.2工作(zuò)原理
　　孔闆流量計工(gōng)作時，是将孔闆與多(duō)參數差壓變送(sòng)器(或差壓(yā)變送(sòng)器、溫度變送器(qì)及壓(yā)力變(biàn)送器(qì))配套組成的差壓流(liú)量裝置,可測量氣體(tǐ)、蒸汽、液體等介質(zhì)的(de)流量,孔闆(pǎn)流量計的流量公式(shì)爲:
 
式中:qv---流(liú)過孔闆流量計的體(tǐ)積流(liú)量,m³/h;
c---流出系數,通過标準流(liú)量實驗裝(zhuāng)置檢(jiǎn)定.得(dé)到;
ε---膨脹系(xì)數,當(dāng)被(bèi)測(cè)介質(zhì)爲液(yè)體(tǐ)時(shí),ε=1可忽(hū)略,當被測(cè)介質(zhì)爲氣體時,因介(jiè)質可壓(yā)縮(suō),ε爲小(xiǎo)于1的數值,需要(yào)經過研究(jiū)方能(néng)得到;
m---流通截面(miàn)與管(guǎn)道(dào)截面之(zhī)比,僅與孔闆流(liú)量(liàng)計相關(guān)幾何(hé)參數有關;
d--管道(dào)内徑,m;
△p---孔闆(pǎn)節流(liú)件前後(hòu)産生的(de)差壓，由(yóu)差壓變送器測量得到(dào),pa;
ρ---被測(cè)流體(tǐ)密度,kg/m³。
因此c、ε、m、d、ρ爲常數,設(shè):
 
　　由式(3)可(kě)知(zhī),流過(guò)孔闆流量計的體積流量與節(jiē)流件前後壓差(chà)的開方(fāng)根呈線性關系,且經過(guò)原點(diǎn)。
2仿真理論與試驗方案設(shè)計
2.1模型建立
　　本文三維模(mó)型建(jiàn)立由(yóu)solidworks2020完成(chéng),根據(jù)上文(wén)1.1中有關要(yào)求,初步設(shè)計:d=200mm、d=100mm.e=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學模型。
2.2仿真理(lǐ)論分析[2]
　　計算流(liú)體(tǐ)動力學(xué)基本(běn)思想是把(bǎ)原來在時(shí)間域(yù)及空間域(yù)上連(lián)續的物理(lǐ)量的(de)場(速度場、壓力(lì)場等),用一系列(liè)有限個(gè)離散點上的(de)變量(liàng)值的集合來代替,通(tōng)過一定的(de)原則(zé)和方(fāng)式建(jiàn)立起關于(yú)這(zhè)些離散(sàn)點上場(chǎng)變(biàn)量之間關系的代數(shù)方程組,然後求(qiú)解方(fāng)程組獲得場變量的近似(sì)值。
2.3試(shì)驗思路(lù)
　　通(tōng)過仿真分析:一(yī)是研究(jiū)流體介(jiè)質在(zài)管道内的(de)流(liú)動狀态,根據(jù)2.1相關參數建立(lì)模型(xíng),滿足“前十(shí)後五”直(zhí)管(guǎn)段要求,進(jìn)行瞬時動(dòng)态(tài)分析,研究壓(yā)力、流速的(de)分布及變化規律;二是研究(jiū)不同楔(xiē)角φ對k系數及節流件(jiàn)前後(hòu)壓差(chà)的影(yǐng)響(xiǎng),分(fèn)别取(qǔ)ψ爲30°、40°、45°、50°,60°條(tiáo)件下(xià)k系數的變(biàn)化規(guī)律;三是研(yán)究(jiū)不同流(liú)體(tǐ)介質對(duì)h系數(shù)的影響,分(fèn)别取(qǔ)流體介質(zhì)爲空氣、水(shuǐ)、天(tiān)然氣等對k系(xì)數(shù)的(de)影響(xiǎng);四是(shì)根據上下(xià)遊管道夾持孔(kǒng)闆形(xíng)成(chéng)偏心狀态,研究孔闆對中性對h系數的(de)影響等。
3仿真分(fèn)析
3.1瞬(shùn)态分析(xī)
　　根(gēn)據2.1參數(shù)設(shè)計,建(jiàn)立模型(xíng);分析類(lèi)型選擇内部,排出(chū)内部不具備(bèi)流動條件的(de)腔(qiāng),物理特征選擇(zé)瞬态分(fèn)析(xī),分析(xī)總時間(jiān)設定爲(wèi)2s,輸出時間步長(zhǎng)設定爲0.02s;進行瞬(shùn)态分(fèn)析選擇流體介(jiè)質(zhì)爲(wèi)空氣(qì),入口(kǒu)流(liú)量分别選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等16個流量(liàng)點;如圖2所示,上、下遊取壓口壓差随着(zhe)人口流(liú)量的增大呈增大趨(qū)勢;設x爲各(gè)流量點.單位爲(wèi)m³/h,yw爲各流量點對(duì)應的(de)上/下遊取壓口壓差值、單位爲(wèi)pa,y爲xix0.5、單位爲(wèi)pa0.5。
 
　　瞬态分析如(rú)圖(tú)3所示(shì),以了解孔闆流量計在進(jìn)行工作(zuò)時,介質(zhì)的流動狀态及(jí)壓力、速度(dù)實時分别情況(kuàng)。設定進口流(liú)量爲100m³/h,出(chū)口壓力條件爲(wèi)标準大氣壓、溫(wēn)度爲20℃;孔闆流量(liàng)計的(de)結構(gòu)設計(jì)造成氣流通道變窄(zhǎi)(管道突然(rán)變徑),氣流進入管道(dào)短時間(0.005s)内(nèi)上遊取壓口壓(yā)力突然增大,空氣流動加(jiā)劇,下(xià)遊管(guǎn)道壓(yā)力突(tū)然間變小(xiǎo)形成(chéng)負壓區,但壓力分布不(bú)明(míng)顯,僅(jǐn)在孔(kǒng)闆口周圍形成不(bú)同(tóng)壓力(lì)分層(céng);下遊(yóu)管(guǎn)道壓力出現明顯(xiǎn)分層(céng)、且(qiě)逐漸趨(qū)于穩定。
 
　　根據仿(páng)真數據得出“壓(yā)差-流(liú)量點”、“壓差開方根-流量點(diǎn)”的拟合方(fāng)程,分(fèn)别爲:
yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,r2=1
yi=0.0409xi-0.065,r2=1
　　由于孔闆(pǎn)流量計工(gōng)作原理屬差壓流(liú)量(liàng)計範疇(chóu),流(liú)量值xi與壓差開方根(gēn)yi存在(zài)線(xiàn)性(xìng)關系,通過變形(xíng)可得(dé):
xi=24.46yi+1.5926,r2=1
　　則通過自定義(yì)設置截距爲0,xi=24.533yi,即(jí)系數k=24.533。
3.2不(bú)同(tóng)楔角(jiǎo)φ對h系(xì)數、壓(yā)差差(chà)值(zhí)的影響(xiǎng)
　　根據(jù)2.1參數設計，建立(lì)模型,其他條件不變，隻改變楔(xiē)角的大小，分别取φ爲30°、40°.45°、50°、60°條件下k系(xì)數的變化(huà)規律(lǜ);仿真流程(chéng)如3.1所(suǒ)述。得(dé)到結果如(rú)圖4所(suǒ)示,不同楔(xiē)角下(xià)，“壓差開方(fāng)根-流量點(diǎn)”均呈(chéng)理想線性(xìng)關系(xì)(r2=1),圖像幾乎是重(zhòng)合的(de),說(shuō)明(míng)楔角(jiǎo)對h系(xì)數(shù)影響較(jiào)小;線性(xìng)關系分别爲(wèi):
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令截(jié)距均(jun1)爲零(líng),則(zé)楔角30°、40°、45°、.50°.60°對(duì)應的系數k分别(bié)爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通過(guò)計算,不(bú)同楔角(jiǎo)條(tiáo)件下(xià),仿真壓差與計算壓差(chà)基本一(yī)緻,如圖5所(suǒ)示，
 
　　不(bú)難發現:整體來(lái)看,不論(lùn)楔角是哪一種情(qíng)況，在(zài)50m³/h以内的流量下,差值基本--緻,且(qiě)均接近于(yú)0;随着(zhe)流量的逐(zhú)漸(jiàn)增大,壓差差值呈(chéng)增大(dà)的(de)趨(qū)勢;楔(xiē)角40°和(hé)楔角45°條件下，差值變(biàn)化趨(qū)勢基本(běn)緻(zhì),且偏(piān)離方(fāng)向(xiàng)一緻;楔(xiē)角50°與楔角(jiǎo)60°條件(jiàn)下，差(chà)值基本重(zhòng)合,且偏離方向(xiàng)一緻;楔角30°對(duì)差(chà)值的影響(xiǎng)最大(dà),在流量爲500m³/h時,達(dá)到最大值1.94pa。流量400m³/h是差值的(de)“拐點(diǎn)”，當楔(xiē)角爲40°、45°時,差(chà)值最大,之後差值開始降低;當(dāng)楔角爲(wèi)30°、50°、60°時，差值(zhí)開始(shǐ)突然(rán)變大(dà)。
3.3不同(tóng)流體介質(zhì)對h系數(shù)的影響
　　爲了(le)研(yán)究不同(tóng)介質(zhì)對k系(xì)數的(de)影響,本文選擇(zé)氣态(tài)水(shuǐ)、空氣、甲(jiǎ)烷等三種氣體作爲(wèi)流(liú)體(tǐ)介質進行單(dān)因(yīn)素試(shì)驗仿真，取楔角(jiǎo)爲45°等(děng)其(qí)他參數因素(sù)不變進行(háng)仿真,結果如圖(tú)6所示(shì);三種不同(tóng)介質(zhì)條件(jiàn)下，壓(yā)差與流量的關系分别爲:
 
　　由于(yú)孔闆(pǎn)流量(liàng)計工(gōng)作原理(lǐ)屬(shǔ)差壓(yā)流量計範(fàn)疇，流(liú)量值xi與壓(yā)差(chà)開(kāi)方根(gēn)yi存在(zài)線性(xìng)關系(xì),根據3.1分析(xī),氣态水、空(kōng)氣、甲(jiǎ)烷等三(sān)種氣體(tǐ)作爲流體(tǐ)介(jiè)質(zhì)對應(yīng)的(de)系(xì)數h:分别爲(wèi)31.407、24.533.33.304;綜(zōng)上所述(shù),流體介(jiè)質不同(tóng),壓差與流量、壓(yā)差開方根與流(liú)量的變化(huà)趨勢(shì)一緻,但不同流(liú)體介質對(duì)應的(de)k系數卻相差很(hěn)大。
 
　　根據三種氣(qì)體介質的分子(zǐ)量分别爲18(h20)、29(空氣)、16(ch4),與k系數的對應(yīng)關(guān)系如圖(tú)7所示(shì);流體(tǐ)介質的分(fèn)子量(liàng)越大(dà),h系數(shù)越小;随着分子(zǐ)量的增大、h:系數逐漸(jiàn)減小。
3.4孔闆(pǎn)對中性對(duì)k系數的影響
　　本(běn)文孔闆對中性是指(zhǐ)在安裝孔闆或實驗室檢定孔(kǒng)闆時,孔闆孔口(kǒu)的中心線(xiàn)與管(guǎn)道中心線--緻程度,将(jiāng)上述(shù)中心線的(de)偏離(lí)距離(lí)作爲試驗因子;如圖(tú)8所示,偏離(lí)分爲對(duì)稱(chēng)偏離(lí)(dcpl)和偏(piān)離(lí)(pl)兩種;分(fèn)别取(qǔ)偏(piān)離(lí)距離(lí)△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔(xiē)角爲45°,介質(zhì)爲空(kōng)氣進(jìn)行仿(páng)真實驗等(děng)。
 
　　如圖(tú)9所示,仿真結果顯(xiǎn)示:不論(lùn)哪種(zhǒng)偏離(lí)情況壓差(chà)與流(liú)量(liàng)的關系(xì)曲線(變(biàn)化(huà)趨勢(shì))是一(yī)緻的(de),且幾(jǐ)乎是(shì)重合的,并随着流量的不(bú)斷增大,壓差也(yě)不斷(duàn)成增大趨(qū)勢;根(gēn)據(jù)3.3中(zhōng)流量值xi與壓差開方(fāng)根yi存在線性(xìng)關(guān)系,得(dé)出不(bú)同偏(piān)離情況(kuàng)下(xià)對應的k系數(shù),對(duì)稱偏(piān)離(lí)的(de)情況(kuàng)下,随(suí)着偏離程度的(de)增大h系數(shù)呈增大趨(qū)勢(shì);相(xiàng)較于(yú)對稱偏(piān)離,偏離(lí)程度(dù)的大小對(duì)h系數的影(yǐng)響(xiǎng)不穩定(dìng),先增大後(hòu)減小再(zài)增(zēng)大波(bō)浪線(xiàn)上升的趨(qū)勢,沒有嚴格的(de)規律而言(yán);因此(cǐ),在使用或(huò)檢定(dìng)孔闆(pǎn)流(liú)量計時(shí),--定要保證對中(zhōng)性，這樣檢(jiǎn)出來(lái)的數(shù)據才有意(yì)義。
4結論
　　通(tōng)過建(jiàn)模進行仿真實驗得出以(yǐ)下結(jié)論:
(1)分析了孔闆(pǎn)流量(liàng)計(jì)的(de)結構(gòu),其工(gōng)作(zuò)原(yuán)理屬差壓流(liú)量計範疇，推導出流量(liàng)值(zhí)xi與(yǔ)壓(yā)差(chà)開方(fāng)根yi之間(jiān)存在線(xiàn)性關(guān)系,且通過(guò)原點。
 
(2)完成對孔(kǒng)闆流量計瞬态(tài)分析,得(dé)出(chū)“壓差(chà)-流量(liàng)點”、“壓差開(kāi)方根(gēn)-流(liú)量(liàng)點”的拟合(hé)方(fāng)程,根據(jù).流量值xi與壓差開方(fāng)根(gēn)yi的線性(xìng)關系(xì),通過(guò)自(zì)定(dìng)義設置截距爲0,得出h系數。
(3)不同楔角(jiǎo)φ對(duì)h系數、壓(yā)差差值(zhí)的影響(xiǎng):楔.角30°、40°、45°、50°、60°對應的系數k分别(bié)爲(wèi):24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不論(lùn)楔角是哪一種(zhǒng)情況,在50m³/h以(yǐ)内的(de)流(liú)量(liàng)下,差(chà)值基(jī)本一(yī)緻(zhì),且(qiě)均(jun1)接近于0;随(suí)着流量(liàng)的逐漸增(zēng)大,壓(yā)差差值呈增大(dà)的(de)趨勢。
(4)氣(qì)态水(shuǐ)、空氣、甲烷等(děng)三種氣體作爲流(liú)體介質(zhì)對應的系數k分别爲31.407、24.533.33.304;且(qiě)流體(tǐ)介質的分(fèn)子量(liàng)越大,k系數越小(xiǎo);随着分子(zǐ)量的增(zēng)大(dà).h系數(shù)逐漸減小。
(5)不論(lùn)哪(nǎ)種偏離(lí)情況(kuàng),壓差(chà)與流(liú)量的(de)關系(xì)曲線(xiàn)(變化(huà)趨勢(shì))是一.緻的(de),且幾乎是(shì)重合(hé)的，并随着流量(liàng)的不斷增(zēng)大(dà),壓(yā)差也不斷(duàn)成增(zēng)大趨勢;但在對(duì)稱偏(piān)離的情況(kuàng)下,随着(zhe)偏離程(chéng)度的(de)增大(dà)k系數(shù)呈增大趨勢;相較于(yú)對稱(chēng)偏離(lí),偏離程度(dù)的大(dà)小對(duì)h系數的影(yǐng)響不穩定,先增(zēng)大後(hòu)減小(xiǎo)再增(zēng)大波浪(làng)線(xiàn)上升(shēng)的趨(qū)勢(shì),沒有嚴(yán)格的(de)規律而言。
　　綜上所述,在設(shè)計孔(kǒng)闆流(liú)量計時,一定(dìng)要考慮(lǜ)流量範圍及楔角大(dà)小的選擇(zé)兩個重要因素(sù);在使(shǐ)用(yòng)時,-定要(yào)保證對中(zhōng)性,這(zhè)樣得(dé)出的數據(jù)才有意義。另外,在對孔闆(pǎn)流(liú)量(liàng)計(差(chà)壓流(liú)量計)進行檢測時,出.具證書一(yī)定要(yào)給出檢定介質(zhì),用戶在(zài)使(shǐ)用時(shí)，一定要注意檢(jiǎn)定用介質與實(shí)際流體(tǐ)介(jiè)質的(de)差别,适時(shí)進行(háng)修正(zhèng),才能保證(zhèng)流量計的性能準确結算科學(xué),以免帶來(lái)不必要的麻煩等。

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