摘(zhāi)要:爲(wèi)了研究孔闆流量計 在動态非(fēi)穩定流态(tài)或振(zhèn)蕩流态下的瞬(shùn)時壓力-流量特性，理(lǐ)論(lùn)分析了(le)孔闆前後的旋渦城大小随流(liú)速變化(huà)是引起孔闆(pǎn)進(jìn)出口瞬(shùn)時流量(liàng)差的主(zhǔ)要原因(yīn).借助(zhù)cfd數(shù)值解析方(fāng)法,建(jiàn)立孔闆(pǎn)模(mó)型,并(bìng)在模型入(rù)口加載某(mǒu)一頻(pín)率下(xià)的正弦流速，對(duì)孔闆流量(liàng)計在振蕩流态下的瞬時(shí)壓力-流量(liàng)特性進行分析(xī).結果(guǒ)表明:當(dāng)孔(kǒng)闆流量計(jì)處于(yú)低頻振蕩流動狀态時,孔闆兩端(duān)差壓也處于(yú)周期振蕩(dàng)狀态(tài),差壓(yā)與節(jiē)流孔瞬時(shí)流量同頻(pín)不同(tóng)相，差壓幅(fú)值随入口流速(sù)振幅增大而線性增(zēng)大，且(qiě)線性(xìng)增長系數與振蕩頻(pín)率(lǜ)相(xiàng)關;孔(kǒng)闆的入口與出(chū)口存在周(zhōu)期(qī)波(bō)動的瞬時流量差,振蕩頻率越(yuè)大或(huò)入口(kǒu)流速峰值越小,瞬時(shí)流量(liàng)差的(de)波動(dòng)越小(xiǎo)，由于(yú)相位(wèi)滞後和(hé)瞬時流(liú)量差的存(cún)在，使(shǐ)孔闆流量(liàng)計的(de)測量流量(liàng)與實(shí)際出(chū)口流量之(zhī)間存在偏差.振蕩頻(pín)率(lǜ)越大，偏差也越大.
　　孔闆流量(liàng)計因其結(jié)構簡單、耐(nài)用而(ér)成爲(wèi)目(mù)前國際上标(biāo)準化程度(dù)最高(gāo)、應用最爲(wèi)廣泛的一種流量計,因(yīn)此(cǐ)研究(jiū)節流孔(kǒng)的流量特性,對提(tí)高孔(kǒng)闆流量計測量(liàng)不确(què)定度的(de)認(rèn)識具有很重要的意義(yì).孔闆流量計(jì)通過測量(liàng)壓差進而(ér)獲得(dé)流量.當(dāng)液(yè)流經(jīng)過節(jiē)流孔,流束(shù)縮小,流速變大并伴(bàn)随(suí)着較大(dà)的(de)壓力降.流束(shù)的最小橫斷面(miàn)出現(xiàn)在實際縮(suō)口的下遊,稱爲(wèi)縮流(liú)斷面.在縮(suō)流斷面處(chù),壓力(lì)最低(dī).壓(yā)降的産(chǎn)生是(shì)由于(yú)在孔(kǒng)闆的兩側(cè)側面(miàn)出現(xiàn)回流區及(jí)旋渦域(yù),造(zào)成較(jiào)大的内部紊流(liú)和能量損(sǔn)耗的結果[1-2].旋渦域的(de)大小取決(jué)于流動雷(léi)諾數,随着(zhe)雷諾數的增大(dà),渦旋強度(dù)增加(jiā)[3].
　　流體(tǐ)力(lì)學中對(duì)孔口恒定出流(liú)的描述爲(wèi)孔闆結構(gòu)的設計提(tí)供了(le)理論依據.但實(shí)際(jì)應用中，由于外界(jiè)激勵引起(qǐ)的壓(yā)力波(bō)動,圓管内流(liú)體(tǐ)常處于動态非(fēi)穩定流态(tài)或振(zhèn)蕩流(liú)态(tài)[4],孔闆流(liú)量計内部流場(chǎng)結構變(biàn)化極爲(wèi)複雜，因(yīn)此(cǐ),計量孔闆(pǎn)的瞬時流(liú)量特(tè)性往往與(yǔ)理論分析結果(guǒ)存在偏差因此(cǐ),有必(bì)要(yào)對(duì)孔闆(pǎn)在非(fēi)穩定(dìng)流态下的(de)流量特性(xìng)進行研究(jiū).
　　通過(guò)fluent流體(tǐ)仿真程序(xù),對不同(tóng)節流孔直徑比的孔闆(pǎn),以水爲介質在(zài)振(zhèn)蕩(dàng)流态(tài)下的(de)流動(dòng)過(guò)程(chéng)進行(háng)仿真(zhēn),對其(qí)瞬時(shí)壓力-流(liú)量(liàng)特性(xìng)進行(háng)分析(xī).
1理論(lùn)分析
　　通常在特定測(cè)壓位置和(hé)特定流體(tǐ)參數(shù)情況下,根據流(liú)體流動的連續(xù)性(xìng)方(fāng)程和伯努(nǔ)利方程可推(tuī)導出孔(kǒng)闆前(qián)後差(chà)壓△p與流經節流孔的體積流量(liàng)qy滿足以下(xià)函數關系(xì)[5],即(jí)
 
　　式(shì)中:c爲(wèi)流出系數(shù);ρ爲流(liú)體密(mì)度;β爲(wèi)節流(liú)孔的直徑(jìng)比(β爲節流孔直徑d與(yǔ)圓管内徑d的比值,即β=d/d);sign爲符(fú)号函(hán)數*.
圓管進口流量可(kě)計算公式(shì)爲
 
　　孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)通過(guò)測量節流(liú)孔兩端差壓進而獲得節流孔(kǒng)流量(liàng)qv.對(duì)于不可(kě)壓縮的定(dìng)常流(liú)，圓管進口(kǒu)流量(liàng)qin和出口流(liú)量qout與(yǔ)節流(liú)孔流量qy相(xiàng)等,聯(lián)立以上方(fāng)程可得節流孔(kǒng)兩端(duān)差壓與人(rén)口流速的(de)關系表達式爲(wèi)
 
　　由式(shì)(3)可知(zhī),孔闆兩端(duān)差壓(yā)也呈周期(qī)性波(bō)動(dòng),.其(qí)振蕩頻率與孔闆人(rén)口流速(sù)振(zhèn)蕩頻率相(xiàng)同.
　　孔闆前(qián)後(hòu)存在旋(xuán)渦域.旋渦域的大小(xiǎo)占據圓管空間(jiān),液體在(zài)旋渦域(yù)停留(liú),不流向下(xià)遊管(guǎn)道.旋渦域(yù)增大(dà),則流(liú)向(xiàng)圓(yuán)管出(chū)口的液流(liú)減少(shǎo).由于(yú)孔闆(pǎn)前後(hòu)遊渦旋強(qiáng)度(dù)随(suí)流動雷諾(nuò)數增大(dà)而增大(dà),即随流速(sù)增加(jiā)旋渦域變大3]，.在(zài)振蕩流态下,旋(xuán)渦(wō)域(yù)大小(xiǎo)随入(rù)口流(liú)速變化(huà)也(yě)表現爲周(zhōu)期性(xìng)變化狀态(tài),變化(huà)頻率(lǜ)與(yǔ)流速振(zhèn)蕩(dàng)頻率相同.因(yīn)此，在(zài)某一極短(duǎn)時間段内(nèi),旋渦域的體積(jī)變化(huà)量表現(xiàn)爲(wèi)圓管(guǎn)進、出口的瞬時(shí)流量之差.對于不可(kě)壓(yā)縮的非(fēi)定常流(liú),人(rén)口瞬(shùn)時流(liú)量(liàng)qin與出口(kǒu)瞬時(shí)流量(liàng)qout和節(jiē)流孔瞬時流量(liàng)qy滿足(zú)以下(xià)關系(xì),即
 
　　式中:△q表示圓(yuán)管進出(chū)口瞬時(shí)流量(liàng)差.瞬時流(liú)量差的存(cún)在，使(shǐ)孔闆流量計實(shí)際測量流量qv與(yǔ)出口瞬時(shí)流量(liàng)qout之間不可(kě)避免(miǎn)存在偏差.
　　事實(shí)上,由于節流孔的壓(yā)降作用,當(dāng)孔闆(pǎn)下遊壓力(lì)低于液(yè)體飽和(hé)蒸氣壓(yā)以(yǐ)下，氣泡将在下遊管(guǎn)道産生,形成閃蒸現(xiàn)象.當(dāng)壓力(lì)上升,氣泡破裂(liè)瞬間産生局(jú)部(bù)空穴,高壓(yā)液體(tǐ)重新(xīn)流向(xiàng)這些空間(jiān).顯然,氣泡(pào)和空(kōng)穴占據了(le)下遊(yóu)管(guǎn)道(dào)空(kōng)間(jiān),使進、出口流
量(liàng)qm與qout,存在差異,出(chū)現瞬時流量差實際(jì)孔闆流量計使(shǐ)用過程(chéng)中(zhōng)避免(miǎn)閃蒸和空(kōng)穴現象(xiàng)的出現,故文中對(duì)其影(yǐng)響(xiǎng)不(bú)做(zuò)表述.
爲(wèi)進一步(bù)探究孔(kǒng)闆的(de)瞬時壓力(lì)流量特(tè)性,文中(zhōng)以上(shàng)述(shù)理論分(fèn)析爲基礎，結合有限(xiàn)元分析思(sī)想,對(duì)孔闆流量計在低頻微幅(fú)振蕩流(liú)态下的壓(yā)力(lì)流(liú)量特性(xìng)進行(háng)了分(fèn)析.
2期(qī)修仿真(zhēn)
2.1控(kòng)基文圖
　　文(wén)中(zhōng)選用rngk-ε湍流模型對孔闆(pǎn)的(de)流量特性進(jìn)行模拟(nǐ).該模型(xíng)的控制方(fāng)程分(fèn)别爲(wèi)連(lián)續(xù)性方(fāng)程
 
　　上(shàng)述(shù)式(shì)中:xi,xj分别爲縱向和橫(héng)向坐标;ui,uj分(fèn)别(bié)爲縱向(xiàng)和想象的速度(dù)分量;p爲流(liú)體壓(yā)力(lì);v爲流體(tǐ)運動(dòng)黏度;vt爲流體渦流黏度,vt=cμk²/Ɛ,其(qí)中k爲湍動能,Ɛ爲(wèi)湍動(dòng)耗散(sàn)率,cμ=0.085.
　　模(mó)型邊(biān)界(jiè)條件包括速(sù)度人口、壓(yā)力出(chū)口(kǒu)、無(wú)滑移壁面(miàn)邊界,在近(jìn)壁面區(qū)域(yù)采用(yòng)标準(zhǔn)壁面(miàn)麗數(shù)進行處理.采用(yòng)軸對(duì)稱(chēng)邊界,即(jí)模型(xíng)對(duì)稱(chēng)軸的徑向速(sù)度爲0.在(zài)求解離散方程(chéng)組和壓力速度(dù)耦合(hé)時(shí)選擇(zé)了sim-ple算法(fǎ),動量(liàng)和湍(tuān)流動(dòng)能(néng)分(fèn)别采(cǎi)用的是二階迎(yíng)風與一階迎風(fēng)差分格(gé)式.
2.2仿真(zhēn)文收
　　利用(yòng)孔闆模型的(de)軸對稱(chēng)性的特征,在圓(yuán)柱坐标系(xì)下建(jiàn)立它們的1/2實體(tǐ)模型,取壓方式(shì)采用(yòng)d-d/2取(qǔ)壓其計(jì)算域(yù)如(rú)圖1所示.孔(kǒng)闆.上遊直管(guǎn)段長度(dù)爲20d,充足(zú)的上遊管長能(néng)夠确保(bǎo)液流在(zài)孔闆(pǎn)上(shàng)遊(yóu)爲充(chōng)分發(fā)展(zhǎn)的湍流(liú)流動(dòng).模(mó)型具體尺寸,其中(zhōng)d=12.3mm,β=0.247,lu=246mm,lt=494mm,t=2mm.
　　爲了(le)表現孔(kǒng)闆(pǎn)前後(hòu)的流(liú)場變(biàn)化情(qíng)況,首先在(zài)壁面(miàn)附近劃分邊(biān)界(jiè)層網格,邊(biān)界層(céng)第一次厚度爲0.1mm,共10層(céng),高度增長因子(zǐ)1.1.其次,爲了(le)提高孔闆(pǎn)附近(jìn)的計(jì)算精度,對(duì)靠近孔(kǒng)闆部分的網格進行局(jú)部加密,離(lí)節流孔越(yuè)遠,網(wǎng)格越稀疏最後(hòu),利用(yòng)結構化(huà)網格生(shēng)成方(fāng)式劃(huà)分其(qí)餘部分網格.
 
　　文(wén)中所選用(yòng)的流(liú)體介質爲常溫(wēn)狀态(tài)下的(de)水.人口流(liú)速設定爲(wèi)某一-頻率(lǜ)下的(de)正弦流(liú)動u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選擇(zé)不同平均(jun1)流速(sù)uarg、流速振(zhèn)幅(fú)uamp和振(zhèn)蕩頻率ƒ參數作(zuò)爲節流孔的人(rén)口流(liú)速,具體參(cān)數見(jiàn)表1.利用udf功(gōng)能将該(gāi)自(zì)定義(yì)速度函數加載(zǎi)在模型的速度(dù)人口.
 
3網(wǎng)出第日(rì)
3.1振蕩差絡
　　通過(guò)後處理後可以(yǐ)觀察(chá)到(dào),當(dāng)人口(kǒu)流(liú)速爲(wèi)某(mǒu)一頻(pín)率下的正弦流(liú)動時,孔闆(pǎn)兩端(duān)将出現與人口(kǒu)流速(sù)頻率相同的振蕩差(chà)壓.如(rú)圖2所示，節流(liú)孔(kǒng)瞬時流(liú)量與差壓振(zhèn)蕩頻(pín)率相(xiàng)等且具有(yǒu)固定的(de)相位滞後.相(xiàng)位滞後(hòu)意(yì)味着(zhe)測量(liàng)壓差不能反映當時的流(liú)量情況.此外，由(yóu)于壓(yā)差測(cè)量裝(zhuāng)置的動作時限(xiàn),測量壓差(chà)滞後(hòu),不能及(jí)時反映(yìng)瞬時(shí)壓差(chà)的變(biàn)化因此(cǐ)，在振蕩(dàng)流态下(xià),孔闆流量計對瞬時流(liú)量的測(cè)量存在(zài)不确(què)定(dìng)性(xìng).
　　圖3爲(wèi)人口流速振幅(fú)與差壓幅值的(de)關系.對于(yú)同一振蕩頻(pín)率(lǜ)的入(rù)口流(liú)速,孔(kǒng)闆兩(liǎng)端差(chà)壓幅值随(suí)人口流速振幅(fú)增大(dà)而線性增(zēng)大,但其線(xiàn)性增(zēng)長系數與振蕩(dàng)頻率有關(guān).
 
　　從圖(tú)4中可以看出當(dāng)人口流(liú)速振幅(fú)一定(dìng)時,節流孔(kǒng)兩端差(chà)壓(yā)的振(zhèn)蕩(dàng)幅(fú)值随振蕩(dàng)頻率的增(zēng)大(dà)而(ér)增大(dà).差壓(yā)幅值(zhí)與振蕩(dàng)頻率存在近似一次線性關系.
　　在孔口(kǒu)恒定(dìng)出流情況(kuàng)下,測量流量與實際(jì)節流孔流(liú)量qv相同.而(ér)在振(zhèn)蕩流态下,差壓(yā)幅值(zhí)随振蕩(dàng)頻率線性(xìng)增大,則測量流量(liàng)幅值越大(dà),與實際節(jiē)流孔流量(liàng)的偏(piān)差也(yě)越大.
　　從圖5中可以(yǐ)看(kàn)出,平(píng)均入(rù)口流速的變化,對壓力幅(fú)值的影(yǐng)響幾乎(hū)可以忽(hū)略.
3.2瞬時流量差
　　在(zài)振蕩(dàng)流态下,孔(kǒng)闆前(qián)後回(huí)流區和旋(xuán)渦域的(de)大(dà)小随(suí)人口流速變化不斷改(gǎi)變(biàn)，導緻(zhì)進出口流量存在.瞬時(shí)流量差(chà)△q,如(rú)圖6所示.瞬時(shí)流量差表(biǎo)現爲複雜(zá)的周期性(xìng)波動,其波動周期與(yǔ)差(chà)壓振蕩(dàng)周(zhōu)期相同,相位(wèi)介于(yú)瞬時流量和差壓(yā)兩者之(zhī)間,且稍滞後于(yú)振蕩差壓.當差(chà)壓(yā)增(zēng)大至峰值(zhí)點時，瞬時流(liú)量(liàng)差趨向其(qí)波峰(fēng),并在到達(dá)峰值點後(hòu)反向階躍(yuè).
 
　　爲研究人(rén)口流(liú)速各(gè)參(cān)數對瞬(shùn)時流量差(chà)的波(bō)動特(tè)性(xìng)影響,對(duì)仿真記錄的瞬(shùn)時(shí)流量差數據(jù)作方差(chà)分析和(hé)極差分析,以此(cǐ)描述瞬時流量(liàng)差的波動情況(kuàng).瞬時流量(liàng)差的極差和方(fāng)差與(yǔ)振蕩頻率(lǜ)關系(xì)如圖7所(suǒ)示.當入口平(píng)均流(liú)速和(hé)流速振幅不變(biàn)時,瞬時(shí)流量(liàng)差(chà)的極差和方差(chà)随人口流(liú)速的振蕩(dàng)頻(pín)率增大(dà)而(ér)減(jiǎn)小(xiǎo)也(yě)即人(rén)口流(liú)速頻(pín)率越(yuè)大,瞬時流(liú)量差的波動(dòng)程度越(yuè)小，同(tóng)時波動的(de)峰值也越小.
　　圖(tú)8爲入(rù)口平均流(liú)速與(yǔ)瞬時流量(liàng)方差及(jí)極差的(de)關系(xì).當(dāng)振蕩頻(pín)率和流速振幅(fú)相同(tóng)時,人口平(píng)均流速(sù)越(yuè)大,瞬時流量差的方(fāng)差和極差(chà)越大(dà).圖9爲瞬時(shí)流量(liàng)差方(fāng)差和(hé)極差(chà)與流速振(zhèn)幅關(guān)系.從(cóng)圖(tú)中可以(yǐ)看出，當人口平(píng)均流速相(xiàng)同時,對于給定(dìng)的振(zhèn)蕩頻(pín)率(lǜ),瞬(shùn)時流(liú)量差的(de)方差和(hé)極差随着流速振幅增大而增(zēng)大.因此,當人(rén)口(kǒu)流速峰值(zhí)越大(dà),瞬時(shí)流量(liàng)差波(bō)動也(yě)越大,瞬時流量差就越不(bú)穩定(dìng).
 
4結(jié)論
　　當孔(kǒng)闆流量計所計量不可(kě)壓(yā)縮流體爲低頻(pín)振蕩(dàng)流動狀态時，通(tōng)過前述(shù)cfd分(fèn)析,得(dé)到如下結論:
1)孔(kǒng)闆兩端(duān)差(chà)壓爲(wèi)周期(qī)振蕩(dàng)狀态(tài),差壓與節(jiē)流孔(kǒng)瞬時(shí)流量同頻(pín)不同相.差(chà)壓幅值随(suí)人口流速(sù)振幅增大而線性增(zēng)大，且線性(xìng)增長系數與振(zhèn)蕩頻率相關.
2)圓(yuán)管人口與出口存在(zài)周期波動(dòng)的(de)瞬時流(liú)量差(chà),振蕩頻率越大(dà)或人口流(liú)速峰(fēng)值越(yuè)小，則瞬時流量差(chà)的波動也越(yuè)小
3)在振蕩(dàng)流态下(xià),由于(yú)相位滞後和(hé)瞬時(shí)流量差(chà)的(de)存在,使孔闆流(liú)量計(jì)的測量(liàng)流量與(yǔ)實際出口流量之間存在偏差(chà)振蕩(dàng)頻率(lǜ)越大,偏差(chà)也越(yuè)大..
4)孔闆流量計作爲(wèi)的流量(liàng)計量的常用(yòng)元件,該分(fèn)析結果對(duì)孔闆的結構(gòu)設計及(jí)系統的整(zhěng)體動(dòng)态特性研究具(jù)有重要意(yì)義. 本(běn)文來(lái)源于(yú)網絡(luò),如有(yǒu)侵權聯系即删(shān)除！