摘要(yào):超臨(lín)界二氧化(huà)碳循環發(fā)電技術采用超臨界狀态(tài)下的(de)二氧(yǎng)化碳代(dài)替(tì)傳統(tǒng)水蒸(zhēng)氣工質(zhì),由(yóu)于物(wù)性發(fā)生巨(jù)大變化(huà),質量流(liú)量測(cè)量與計算方法(fǎ)需重新構(gòu)建。本文開展了(le)孔闆(pǎn)流(liú)量計 數(shù)值模拟(nǐ)研究,使用fluent軟(ruǎn)件模拟計(jì)算了孔闆直徑(jìng)比、節(jiē)流孔厚度(dù)、孔闆厚度等結(jié)構參(cān)數對流量(liàng)系數(shù)的影響,結果(guǒ)表明(míng)現行标(biāo)準對超臨界二氧化(huà)碳并不适(shì)用。本文提出了(le)針對(duì)超臨(lín)界二(èr)氧化碳(tàn)工(gōng)質的(de)孔闆流(liú)量計結(jié)構參數推薦範(fàn)圍,在(zài)該範圍内(nèi)絕大多數計算結果(guǒ)相對(duì)誤差(chà)小于2%,并針對(duì)入(rù)口邊(biān)緣鈍(dùn)化提(tí)出了新(xīn)修(xiū)正系(xì)數,修(xiū)正(zhèng)後計算(suàn)結果相對誤差(chà)爲0.11%~1.85%,滿足(zú)測(cè)量精(jīng)度要求。
　　伴(bàn)随着(zhe)經濟(jì)社會的不斷發展(zhǎn),我(wǒ)國發(fā)電機(jī)組在發電(diàn)效率、能源結構、環境(jìng)效益等多(duō)方面都(dōu)面臨着(zhe)轉型(xíng)升級的嚴(yán)峻挑戰。中國在(zài)2007年已(yǐ)經(jīng)成爲全(quán)球溫室氣體第一大排放國家川。習(xí)近(jìn)平總書記在聯合(hé)國-般(bān)性辯論會.上承諾[2],中國碳(tàn)排放(fàng)量力争(zhēng)分(fèn)别于2030年和2060年前實現(xiàn)達峰和中和,作(zuò)爲一種變革性(xìng)火力發電(diàn)技術超臨界(jiè)二氧化(huà)碳循環是實現(xiàn)能源(yuán)結構轉型(xíng)進程中的重要(yào)手段。
　　随着(zhe)“雙碳(tàn)”目标的(de)逐(zhú)步落(luò)實，超(chāo)臨界二氧(yǎng)化碳(溫度(dù)高于(yú)303.98k、壓力高于7.38mpa)被廣(guǎng)泛應用,其作爲工質(zhì)的(de)布雷頓(dùn)循環(huán)具有極高(gāo)的熱源适(shì)用性(xìng),可應用于(yú)太陽(yáng)能、核能、餘熱等多種(zhǒng)場(chǎng)景。且由(yóu)于超(chāo)臨(lín)界二氧(yǎng)化碳密度大、黏(nián)性小、壓縮性好、循環(huán)過(guò)程(chéng)無相(xiàng)變，相(xiàng)比于傳統(tǒng)水工質,超(chāo)臨界(jiè)二氧(yǎng)化碳循環(huán)珂以實現(xiàn)更高(gāo)的循(xún)環(huán)效(xiào)率,dostal等(děng)[3]指出在(zài)透平人(rén)口工(gōng)質溫度高(gāo)于550℃條件下,超臨(lín)界二氧化碳(tàn)循(xún)環發電系(xì)統性能顯(xiǎn)著(zhe)高于水(shuǐ)循環系統。此外，配合間歇性、随(suí)機性強的可(kě)再(zài)生能源供電以(yǐ)保障(zhàng)社會(huì)用電穩定是未(wèi)來火(huǒ)力發電重要任(rèn)務,超臨(lín)界二氧(yǎng)化碳系統(tǒng)靈活性高(gāo)、能(néng)實現完(wán)全熱(rè)電解耦的(de)特點也使其更(gèng)能滿足未(wèi)來火(huǒ)力發(fā)電的(de)深度(dù)調峰需(xū)求。
　　系統内部(bù)流(liú)動工質(zhì)流量(liàng)的正(zhèng)确測(cè)量是其(qí)得以應用的基礎。當前超臨界(jiè)二(èr)氧化(huà)碳主(zhǔ)要用于藥物/化(huà)學試劑萃(cuì)取、油田驅油等(děng)溫度、壓力相對較低的(de)場景,而(ér)超臨界二氧化(huà)碳(tàn)循(xún)環系統需(xū)要二(èr)氧化碳工(gōng)質達到極高的溫度(dù)與壓力,二(èr)氧化(huà)碳的(de)密度(dù)、比熱(rè)、黏度等物(wù)性參(cān)數發生了(le)顯著變化,對于(yú)該條件(jiàn)下(xià)二氧(yǎng)化碳(tàn)流量(liàng)測量(liàng),傳統(tǒng)流量測量(liàng)方法将不再(zài)适(shì)用。孔闆流量計(jì)是--種技術成熟(shú)且适合于高溫(wēn)高壓流體流量(liàng)測:量的方法(fǎ),經過多(duō)年(nián)發(fā)展孔(kǒng)闆流量計(jì)已形(xíng)成标(biāo)準化(huà)形式,主要包括兩部(bù)分,分别是具有直角邊(biān)緣(yuán)的-段節流孔(kǒng),以(yǐ)及在(zài)節流(liú)孔(kǒng)後具有(yǒu)一(yī)斜角的(de)錐形(xíng)擴流段(duàn),其結構如圖1所示(shì)。然而(ér)有關測量超臨界二氧(yǎng)化碳循(xún)環中工質(zhì)流量的孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計(jì)設計(jì)方案(àn),國内(nèi)外并無經驗借(jiè)鑒。因(yīn)此需(xū)要針(zhēn)對(duì)超(chāo)臨界二氧(yǎng)化碳工質(zhì)的全新特(tè)性,探究孔闆結構參數的變化(huà)對于流量(liàng)系(xì)數的(de)影(yǐng)響,同(tóng)時驗(yàn)證現有(yǒu)标(biāo)準中的相關規定對(duì)于(yú)超臨界二氧化碳工質是否适用(yòng)。.
　　我國(guó)學者采用(yòng)數值(zhí)模拟爲主,實驗(yàn)驗證爲(wèi)輔的研究方(fāng)式,以(yǐ)水或(huò)天然氣爲研究(jiū)對象,開(kāi)展了管(guǎn)徑、孔徑厚(hòu)度等結構(gòu)參(cān)數對孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計的影(yǐng)響(xiǎng)研究(jiū)。孔闆直(zhí)徑比、厚度等參(cān)數會顯著影響(xiǎng)孔闆的節(jiē)流特(tè)性,從而影響流量計的(de)計量性能。當直徑(jìng)比小(xiǎo)于0.3時,流量(liàng)系數(shù)随直徑比增加(jiā)而快(kuài)速下降,當直徑(jìng)比大于0.3時(shí)，流量系數逐漸(jiàn)遞增(zēng),但(dàn)增速較緩;直徑比(bǐ)在0.2~0.8範圍内(nèi)時，流量系(xì)數随β增大呈先(xiān)減小後增(zēng)大的(de)趨勢,并以(yǐ)0.55爲分界點(diǎn),其(qí)中β在0.45~0.65之(zhī)間時可(kě)控制誤差在3%以内。與直(zhí)徑比不同,流量(liàng)系數随孔(kǒng)闆厚度的變化(huà)特性較--緻。厚度e增加，流出系數直線(xiàn)上升(shēng);林棋(qí)等人(rén)[4-5]也認爲(wèi)流出系數随(suí)縮(suō)徑孔厚(hòu)度增大而增大;在模(mó)型中(zhōng)考慮(lǜ)了引壓管的存(cún)在,結果顯示,e變(biàn)化0.15mm時，流(liú)出系數變化(huà)1.56%;e變化1mm時，流(liú)出系數(shù)變化2.125%。
 
　　近年來的理論知(zhī)識、不斷(duàn)優(yōu)化的算法(fǎ)以及不斷(duàn)更新擴充的實驗數據庫等都(dōu)保證了(le)數值模拟研究的(de)正确率與精(jīng)度,因而逐漸(jiàn)成爲主流(liú)研究方法之一。孔闆(pǎn)流(liú)量計管(guǎn)道内部(bù)介質流動複(fú)雜,參數變化劇(jù)烈,采用數(shù)值模拟方法可(kě)以有(yǒu)效(xiào)捕(bǔ)捉(zhuō)到(dào)管道内部的細微變化,因此是(shì)孔闆流量計研(yán)究的有力工具。部分(fèn)學者利用(yòng)數值(zhí)模(mó)拟對孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計結構(gòu)進行了優化設計(jì)。利(lì)用(yòng)fluent模拟了(le)一種半雙(shuāng)曲線(xiàn)型的新式孔闆(pǎn)流量計,并同時(shí)利用牛頓流體(tǐ)和非牛頓流體(tǐ)進行驗證，發現這種流量計可(kě)使内(nèi)部介質近(jìn)似無剪切(qiē)流動,大(dà)大消除了渦(wō)流和(hé)停(tíng)滞區(qū)等流動(dòng)結(jié)構;研究(jiū)發現在孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)下遊插入(rù)-個環可以(yǐ)有效(xiào)減少(shǎo)壓力損失(shī),并利用數(shù)值模拟和(hé)遺傳(chuán)算法(fǎ)優化(huà)結構,可減少(shǎo)33.5%的(de)壓(yā)力損失(shī),極大(dà)的降(jiàng)低了(le)能耗(hào)和成本。
　　因(yīn)此,本文(wén)進行了孔闆流量計結(jié)構參(cān)數對于流(liú)量系數影響的(de)模拟研究(jiū),包括直徑(jìng)比、節流孔厚度、孔闆(pǎn)厚度(dù)等結(jié)構參(cān)數,明(míng)确了在超臨界二氧(yǎng)化碳工質典型工況(kuàng)下不同結(jié)構參數對(duì)流量(liàng)系(xì)數(shù)的影(yǐng)響,同(tóng)時将(jiāng)通(tōng)過現行孔闆流量計國際标(biāo)準文(wén)件中經驗(yàn)公式計算得到的結(jié)果與數值(zhí)模拟結果進行(háng)比較(jiào),提出了針(zhēn)對超(chāo)臨界(jiè)二氧化碳(tàn)工質(zhì)的(de)孔闆流(liú)量計結構(gòu)參數(shù)推薦範圍(wéi)與推薦設計(jì)值(zhí),提升(shēng)了其(qí)測量精度。除(chú)此(cǐ)之外(wài)，還探(tàn)究了(le)孔(kǒng)闆人口直角(jiǎo)邊緣鈍化(huà)對孔(kǒng)闆流量計(jì)測量(liàng)精(jīng)度的影(yǐng)響,并據此提出(chū)了新(xīn)的針對(duì)現(xiàn)行孔闆流量計(jì)國際标準文件中經驗公式計(jì)算得(dé)到(dào)的流量(liàng)系數的(de)修正系(xì)數。
1.計(jì)算模型與(yǔ)模拟方法
1.1模型(xíng)建立與(yǔ)網(wǎng)格劃(huà)分
　　根據标準文件[1]規定的孔闆(pǎn)流量計結構設(shè)計與(yǔ)參數要求，本文分别(bié)建立了dn25和dn200兩種管徑(jìng)的孔闆流(liú)量計(jì),結構(gòu)參數如表(biǎo)1所示,在後(hòu)文進行相(xiàng)關研究時(shí)均以(yǐ)該表中的(de)結構(gòu)參數爲基(jī)礎參(cān)數,依(yī)據該(gāi)參數使用(yòng)solidworks軟件(jiàn)建立(lì)了孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)及(jí)其前後(hòu)一定長度管道的幾(jǐ)何模(mó)型,如(rú)圖2所示。
 
 
　　本文采(cǎi)用非結構化網(wǎng)格(gé)進行模拟計(jì)算,利(lì)用(yòng)ansysmeshing軟件将(jiāng)孔闆流量計管(guǎn)道劃分爲四面體網(wǎng)格和(hé)六面體網格相結合(hé)的混合(hé)形式。除此之外,爲了準(zhǔn)确捕捉到流場(chǎng)内的細微變化(huà),在介(jiè)質(zhì)與(yǔ)管道(dào)内壁(bì)接觸(chù)處進(jìn)行邊界(jiè)層的網(wǎng)格劃分(fèn)，采用平(píng)滑過渡(dù)法(fǎ),第一(yī)層(céng)高度(dù)根據面(miàn)網格和過渡(dù)比(bǐ)進行(háng)确定,最大(dà)層數爲(wèi)5層(céng)，增長率爲1.2,這時邊界(jiè)層總厚度是變化的,對(duì)于複雜(zá)流動更有(yǒu)效，結(jié)果如(rú)圖3所示。
 
　　爲(wèi)提高(gāo)節流孔闆(pǎn)内部(bù)及其(qí)到前(qián)後取壓截面處(chù)的模(mó)拟精度,利(lì)用影響球(qiú)對孔闆前(qián)後長度爲(wèi)d的(de)流場範(fàn)圍内(nèi)進行(háng)了局部網(wǎng)格加密,網(wǎng)格數(shù)量過少(shǎo)會導緻(zhì)計算(suàn)精度(dù)不足(zú),而(ér)過(guò)多(duō)的網格(gé)數量則會無謂(wèi)地加(jiā)大計(jì)算工作量,降低計算速度(dù)。本文對dn25和(hé)dn200兩種管徑不同(tóng)的管(guǎn)道進行網(wǎng)格數量與計算(suàn)結果(guǒ)無關性的驗證(zhèng)，綜(zōng)合(hé)計算(suàn)精度與計算速(sù)度考慮,對于dn25管道,選(xuǎn)取網(wǎng)格數分别爲956036和1190483時,在(zài)各點(diǎn)測(cè)出的壓(yā)力相(xiàng)差均(jun1)小于0.01%，因此選擇劃分網格數(shù)爲(wèi)956036;對于(yú)dn200管道,選取網格(gé)數分(fèn)别爲2308874與4328293時,在各點測出的(de)壓力相(xiàng)差均(jun1)小于0.01%，因(yīn)此(cǐ)選(xuǎn)擇劃(huà)分網(wǎng)格數(shù)爲2308874。
1.2模(mó)拟程序(xù)參數設置
1.2.1物性參數設(shè)置
　　refprop軟件由nist開發(fā)，該軟(ruǎn)件(jiàn)含(hán)有豐富的數據庫以及适用于超臨(lín)界(jiè)co,的多(duō)個狀态(tài)方程。本文通過在fluent軟件中激活(huó)nistrealgas模型(xíng)[川(chuān)進行調用,計(jì)算超(chāo)臨界(jiè)二氧化碳流體(tǐ)的物性參數。其(qí)中物性參(cān)數采(cǎi)用fek狀态方程模(mó)型計算，黏度采用vs1模型,導熱系(xì)數采用tc1模型,各(gè)模型(xíng)的(de)相關參(cān)數如表2所(suǒ)示。
 
1.2.2邊(biān)界條件設置
　　本文針對超臨界(jiè)二氧(yǎng)化碳鍋爐(lú)人口處的循環(huán)工質(zhì)進行流量(liàng)系數測量(liàng)的數(shù)值模拟研究,設(shè)置了質(zhì)量流量人口與(yǔ)壓力出(chū)口,溫度、壓(yā)力等參數的(de)選取爲(wèi)超臨界二氧化碳鍋爐入(rù)口(kǒu)處(chù)工質典型參數(shù),即750k、21mpa。由于循環系統運行于高壓環境，管(guǎn)道的壓(yā)力損失(shī)相(xiàng)較(jiào)而(ér)言很小，因此可認爲管道壓力爲恒(héng)定(dìng).值,壓力出(chū)口(kǒu)參數設置與人口(kǒu)相同,其(qí)餘參數(shù)保(bǎo)持默認不變;由于超(chāo)臨界二氧(yǎng)化碳鍋爐人口處管(guǎn)道一般采取嚴(yán)格保(bǎo)溫措(cuò)施,因(yīn)此可忽略壁面(miàn)與工(gōng)質(zhì)間的換(huàn)熱,設(shè)置(zhì)爲絕熱(rè)邊界。
1.2.3數值模型(xíng)設置
　　本(běn)文(wén)主要模拟超臨界二氧化碳工(gōng)質流經孔(kǒng)闆流量計(jì)的流動(dòng)過程,基本方程包(bāo)含質(zhì)量、動量(liàng)和(hé)能量輸運方程,由雷(léi)諾數的定(dìng)義公(gōng)式
 
　　計算可知本(běn)文針對的(de)超臨(lín)界二氧化碳工(gōng)況下(xià)雷諾(nuò)數均遠大于(yú)4000,因此管(guǎn)道内的(de)流(liú)動(dòng)均(jun1)處于湍流狀态(tài),在進行數值模拟時需(xū)進(jìn)行湍(tuān)流模型的設置(zhì),本文選擇ssth-ɷ湍流(liú)模型。
1.2.4求解(jiě)參數(shù)設置
　　fluent中的(de)亞松(sōng)弛因子主要控(kòng)制計(jì)算(suàn)過(guò)程中(zhōng)每次(cì)叠(dié)代的變(biàn)化量(liàng),可(kě)以通過(guò)減少兩(liǎng)層(céng)次之間計(jì)算.結果的(de)差值從而促進(jìn)收斂。本(běn)文設置(zhì)的亞松(sōng)弛(chí)因子如表3所示。
 
1.3模型(xíng)的驗(yàn)證
　　基于上(shàng)述設(shè)置，本文針(zhēn)對溫度(dù)爲(wèi)535.1~642.5k、壓力爲19mpa、質量流(liú)量爲(wèi)1.28kg/s的實驗工況進行了(le)模拟研究(jiū),模拟的孔闆結(jié)構參(cān)數、溫度、壓(yā)力、流(liú)量等(děng)參數(shù)以及(jí)數(shù)據處理(lǐ)方法均與實驗(yàn)保(bǎo)持--緻,得到了(le)超臨界二(èr)氧化碳工質的流量(liàng)系數。将模(mó)拟計算得(dé)到的流量系(xì)數(shù)與實流測(cè)量結(jié)果進行對(duì)比,結果如(rú)圖4所示。,通過數值模拟得到的流量系數(shù)與實驗數(shù)據總體趨勢相(xiàng)似,在數(shù)值上均(jun1)高于實(shí)驗數據(jù),但相對于實驗(yàn)數據的偏差較(jiào)小,偏差爲(wèi)1.62%~2.69%。
 
　　造(zào)成偏差(chà)的原(yuán)因可(kě)能有多(duō)種,如實(shí)驗選用測(cè)量儀(yí)表具有一定的(de)不确定度(dù)、模(mó)拟參數的設(shè)置無(wú)法與真實情況(kuàng)完全對應、收斂(liǎn)判(pàn)據設置不嚴(yán)格等等。爲了降(jiàng)低模(mó)拟結(jié)果與(yǔ)實驗(yàn)數據的偏(piān)差,本(běn)文(wén)分别按(àn)各模(mó)拟結果相(xiàng)對同工況(kuàng)下實驗數據的偏差(chà)平均值進行修(xiū)正。模(mó)拟(nǐ)得到流量系數相對實(shí)驗數據(jù)平均增(zēng)大0.013,因此對(duì)模拟結果減去該修(xiū)正值(zhí),修(xiū)正後相對(duì)偏差爲0.016%~0.674%。
上述(shù)結果說明數值模拟(nǐ)方法(fǎ)與實(shí)驗結果(guǒ)的一緻(zhì)性較好,因(yīn)此本(běn)文(wén)建立的數值模拟(nǐ)方(fāng)法可(kě)用于後(hòu)續進一步(bù)的研(yán)究(jiū)。
2孔闆結(jié)構參(cān)數對流量系數影響
2.1直徑(jìng)比的(de)影(yǐng)響(xiǎng)
　　直(zhí)徑(jìng)比會顯著影響(xiǎng)孔闆對(duì)于(yú)介質流過的(de)節流效(xiào)果(guǒ),改變(biàn)介質流(liú)過的速(sù)度、壓力(lì)等參數,是(shì)影響(xiǎng)孔闆流量計測(cè)量性(xìng)能的(de)首要因素。iso國際标準(zhǔn)中規定,孔闆流(liú)量計的直(zhí)徑比(bǐ)一般在(zài)0.1~0.75内(nèi)變化(huà),本文(wén)分(fèn)别(bié)選取(qǔ)直(zhí)徑比在(zài)0.3~0.9之内的7個工況(kuàng)進(jìn)行(háng)了模(mó)拟(nǐ)計算,探(tàn)究孔(kǒng)闆流量計(jì)直徑(jìng)比對流量(liàng)系數的影響，得(dé)到的結果如圖(tú)5所示。
對(duì)數(shù)據進(jìn)行分析可(kě)知:
(1)孔闆流量(liàng)系數随(suí)直徑比的(de)變化(huà)趨勢與(yǔ)管(guǎn)徑無(wú)關。随(suí)着孔(kǒng)闆直(zhí)徑比(bǐ)增(zēng)大,dn25和dn200管(guǎn)道内孔(kǒng)闆(pǎn)流量系數呈現(xiàn)近似(sì)相同變化(huà)趨勢(shì);上升-平(píng)穩(wěn)-.上升(shēng),主要區别在于前者在(zài)β爲0.4~0.8範圍(wéi)内較(jiào)平穩、而後(hòu)者在0.5~0.8範圍内較(jiào)平穩;
(2)标準文件[10]中經驗(yàn)計算公(gōng)式的結果(guǒ)随直(zhí)徑比增(zēng)加而逐(zhú)漸下降,其中(zhōng)直徑比在(zài)0.3~0.6範圍内(nèi)時下降趨勢較(jiào)平緩,當超過0.6時(shí)下(xià)降值(zhí)逐(zhú)漸增(zēng)大;
(3)孔闆流(liú)量系(xì)數在β爲0.3~0.6時(shí)小于(yú)經驗公式(shì)計算值,此範圍内使(shǐ)用經(jīng)驗計(jì)算公(gōng)式會使測量結(jié)果較真(zhēn)實值大(dà)2.45%~47.03%;β在0.7~0.9時孔闆流量(liàng)系數大于經驗(yàn)公式計算值，此(cǐ)時使用經驗計算公(gōng)式(shì)會(huì)使測(cè)量值比實際值(zhí)小0.5%~60.19%;
(4)當直徑(jìng)比在(zài)标準(zhǔn)文件[10]規定(dìng)的0.1~0.75範圍(wéi)内時,孔(kǒng)闆流量(liàng)系數的(de)模拟(nǐ)結(jié)果(guǒ)與經(jīng)驗公(gōng)式計(jì)算結果的相對(duì)誤差(chà)波動較大,如對(duì)dn25管道(dào)而言(yán),β爲0.3時相對偏(piān)差(chà)達到(dào)47.03%,而β爲0.7時相(xiàng)對偏(piān)差僅爲0.5%。因(yīn)此對(duì)于超臨界(jiè)二氧(yǎng)化碳工質而言(yán)，孔闆直(zhí)徑(jìng)比的(de)選擇(zé)範圍應較(jiào)标準規定範圍(wéi)縮小(xiǎo);對(duì)于超臨(lín)界二氧化碳工質而言,直徑比(bǐ)在0.6~0.7範圍内時孔(kǒng)闆流(liú)量系數的(de)模拟(nǐ)結果(guǒ)與經(jīng)驗公式計算結(jié)果的相對誤差(chà)較小(xiǎo)，其中dn25管道(dào)相對(duì)誤差爲0.5%~2.45%,dn200管(guǎn)道相對誤差爲2.27%~3.6%。
 
2.2節流孔厚度的(de)影響
　　孔闆節流(liú)孔厚度決(jué)定了(le)超臨(lín)界二氧化(huà)碳工(gōng)質流過(guò)收(shōu)縮管道的(de)長度,是影響孔闆節(jiē)流能(néng)力的(de)主要(yào)參數之一，會對(duì)工質流過孔闆(pǎn)的流速(sù)、壓(yā)力等(děng)參數産生影響(xiǎng),進而影響(xiǎng)測量(liàng)結果。标準文件(jiàn)[10]規定标(biāo)準孔(kǒng)闆節流(liú)孔厚(hòu)度應(yīng)在0.005d~0.02d之間(jiān),對應dn25管道的e應在0.115~0.46mm,dn200管道的e應在0.695~2.78,本(běn)文分(fèn)别模拟了dn25管道e爲0.1~0.7mm、dn200管道(dào)e爲0.2~4.2mm時超臨界二氧化碳(tàn)工質流過節流(liú)孔(kǒng)闆的流量系(xì)數變化,爲便于(yú)對比,以e/d爲(wèi)橫坐(zuò)标将結(jié)果表示在圖6中。
 
對數據(jù)進行分析可知(zhī):
(1)孔闆(pǎn)流量系(xì)數(shù)随e/d的(de)變化(huà)趨勢(shì)與管(guǎn)徑(jìng)無關。随(suí)着e/d逐漸增加,dn25和dn200管道(dào)内孔(kǒng)闆的(de)流量系數(shù)均呈現先減小後增大的趨(qū)勢，分别(bié)在e/d爲(wèi)0.017和(hé)0.023時達到(dào)最小值，此後流(liú)量系數(shù)先急劇(jù)增大,随後(hòu)保持(chí)平緩(huǎn)增(zēng)長;
(2)标準(zhǔn)文件[i0]中經(jīng)驗計算(suàn)公(gōng)式(shì)的結果(guǒ)不随節流(liú)孔厚度而發生改變,其中(zhōng)dn25管道的經(jīng)驗公式計算結(jié)果略大-一些,模(mó)拟得到的(de)dn25和(hé)dn200管(guǎn)道的流量系數均小于(yú)經驗公式計(jì)算結果,其中前者的相對(duì)誤差(chà)爲0.18%~1.84%,後(hòu)者的(de)相對誤差爲0.31%~2.05%;
(3)在(zài)标準文件(jiàn)[10]規定(dìng)孔闆節流孔厚度(dù)範圍内(nèi),孔闆(pǎn)流量系數(shù)模(mó)拟(nǐ)結果與經(jīng)驗公式的(de)相(xiàng)對誤差(chà)均在2%以下(xià),因此(cǐ)标準(zhǔn)中規定的(de)孔闆節流(liú)孔(kǒng)厚(hòu)度範(fàn)圍可以接(jiē)受;同時(shí)還(hái)發現(xiàn)當節流孔(kǒng)厚度超過規定(dìng)範圍(wéi)一定值(zhí)後,相對(duì)誤差仍可接受,甚至相對誤差(chà)還可(kě)能減(jiǎn)少，如dn25管(guǎn)道的(de)e爲0.6mm、0.7mm時,均(jun1)超出了(le)規定上(shàng)限0.46mm,但相對誤差(chà)分别達到(dào)了0.3%和(hé)0.18%，因此标準(zhǔn)中規(guī)定(dìng)的(de)節流孔厚度範(fàn)圍(wéi)在針對(duì)超臨界二(èr)氧化(huà)碳工(gōng)質時可以(yǐ)适當擴大(dà),推薦(jiàn)dn25管道(dào)孔闆節流(liú)孔厚度可(kě)在(zài)0.004d~0.03d内(nèi)變化，dn200管(guǎn)道(dào)在0.005d~0.03d範圍内;
(4)基(jī)于(yú)模拟(nǐ)結果(guǒ)給出相對(duì)誤差更小(xiǎo)時對(duì)應孔(kǒng)闆節流孔厚度的推(tuī)薦值(zhí),其中(zhōng)dn25管(guǎn)道孔闆在e/d爲(wèi)0.004~0.008及0.02~0.03之間,即(jí)e爲0.1~0.2mm.0.5~0.7mm時(shí)，相對誤差(chà)小于1.5%;dn200管道孔闆(pǎn)在e/d爲0.005~0.012及(jí)0.027~0.03時,對應(yīng)e爲0.7~1.7mm及3.7~4.2mm時(shí)，相對誤(wù)差小(xiǎo)于等于1.5%。
2.3孔闆厚度的(de)影響(xiǎng)
　　由圖1可(kě)知，标準(zhǔn)孔闆在節(jiē)流孔之後(hòu)還(hái)設置一定長度的錐形(xíng)擴流段,與節流(liú)孔段共同組成孔闆的節流段(duàn),該擴流段長度(dù)也會(huì)對孔(kǒng)闆的(de)節流能(néng)力産生(shēng)影響,從而改變(biàn)工質(zhì)流過(guò)孔闆(pǎn)後的(de)速(sù)度、壓力等參數,對(duì)測量(liàng)精度(dù)産生影響(xiǎng)。标準文件(jiàn)[10]規(guī)定孔闆厚度e應在(zài)e~0.05d之間,對(duì)應(yīng)dn25管道的e應不(bú)大(dà)于1.15mm,dn200管(guǎn)道的e不超過6.95mm。
　　本(běn)文在(zài)保持(chí)節流(liú)孔厚度不(bú)變的情況(kuàng)下，分别設(shè)置了(le)不(bú)同的孔(kǒng)闆(pǎn)厚度(dù)用以探(tàn)究流量系(xì)數的(de)變化,其中(zhōng)dn25管道(dào)孔闆(pǎn)厚(hòu)度(dù)e爲0.5~1.4mm,dn200管道孔闆厚度e爲(wèi)3~8mm,模拟結果如圖(tú)7所示。
 
對數據進(jìn)行分析可(kě)知:
(1)孔闆流量(liàng)系數随(suí)e/d的變化趨(qū)勢與(yǔ)管徑(jìng)無關(guān)。随着(zhe)e/d逐漸增(zēng)加(jiā),dn25管(guǎn)道(dào)和dn200管道内(nèi)孔闆(pǎn)流量系數呈現(xiàn)近似相同的變(biàn)化趨勢:即下降(jiàng)上升-平穩(wěn)-下(xià)降,主要(yào)區(qū)别在于(yú)dn200管道(dào)内孔闆流(liú)量系(xì)數下降和(hé)上升的趨勢更(gèng)加明顯;
(2)流量(liàng)系(xì)數經驗計算公(gōng)式的(de)結(jié)果不随(suí)孔闆(pǎn)厚.度而發(fā)生變化，其中dn25管道的(de)經(jīng)驗公式(shì)計算(suàn)結果偏大(dà)--些,dn25和dn200管道的流(liú)量系數均(jun1)小于經驗公式計算(suàn)值,因(yīn)此當使(shǐ)用經驗(yàn)公式(shì)進行(háng)工質流量(liàng)計算(suàn)時會造成計算(suàn)結果偏(piān)大;
(3)在标(biāo)準文件[10]規定孔(kǒng)闆厚度範(fàn)圍内,dn25和dn200管(guǎn)道内(nèi)孔闆(pǎn)流量系數(shù)與經(jīng)驗計算(suàn)公式的(de)相對誤差均在2%以下，因此(cǐ)标準(zhǔn)中的(de)規定範圍可以接受,但該(gāi)規(guī)定範(fàn)圍對于超臨界(jiè)二氧化碳工質可适當擴充,如(rú)模(mó)拟結(jié)果所示，當dn25和dn200兩種管徑(jìng)的孔闆(pǎn)厚度e達到(dào)0.06d左右時，雖然已經超出了規定的0.05d這一限值(zhí),但相對(duì)誤差(chà)仍小于2%，處(chù)于可(kě)接受的範(fàn)圍,但(dàn)依據(jù)變化趨勢可以合理預測，當孔(kǒng)闆厚(hòu)度繼續(xù)增加時(shí)，相對誤差(chà)将大(dà)于2%，因此建議對(duì)于超(chāo)臨界二氧化碳工(gōng)質而言,孔闆.厚度可設(shè)置在0.02d~0.06d之間。
2.4孔闆流量計結(jié)構參數設計(jì)建(jiàn)議
　　通過對孔闆流量計各結(jié)構參數(shù)的模拟(nǐ)研(yán)究,明(míng)确了在進(jìn)行超(chāo)臨界二(èr)氧化碳(tàn)工質(zhì)質量流量測量時,孔(kǒng)闆流(liú)量系(xì)數(shù)随各結(jié)構參數的(de)變化(huà)趨勢與相對誤(wù)差,本(běn)節主(zhǔ)要對(duì)以上(shàng)模拟結果(guǒ)進行總(zǒng)結(jié)分(fèn)析,參考《用能單位(wèi)能源計(jì)量器具配備和管理通(tōng)則》中(zhōng)的(de)精(jīng)度規(guī)定，，給(gěi)出了針(zhēn)對(duì)超臨界二(èr)氧化(huà)碳工質的(de)孔闆(pǎn)流量(liàng)計結構參數推薦設(shè)計範(fàn)圍,在該範圍(wéi)内(nèi)經驗(yàn)計算公式(shì)的計(jì)算結果可(kě)滿足(zú)2.5精度等級(jí)要求,還進一步提出(chū)了該範圍(wéi)内精度(dù)相(xiàng)對更高的結(jié)構參數(shù)推薦值，将以上(shàng)結果(guǒ)與(yǔ)現行國(guó)際标準(zhǔn)iso5167-2:2003中标準孔闆流量計各(gè)結構參(cān)數(shù)的規定範(fàn)圍進行對(duì)比,如表4所示。
 
　　可以看(kàn)出,對于超(chāo)臨界二(èr)氧化碳(tàn)工質(zhì)而言(yán),标準(zhǔn)文件[10]規定的孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計各結(jié)構參數的設計(jì)範圍并(bìng)不完全(quán)适用,其(qí)中直徑(jìng)比的規定範圍過大,對應的流(liú)量系(xì)數的相對(duì)誤差(chà)也波(bō)動較大,從0.5%到47.03%不(bú)等,而當直(zhí)徑比在0.6~0.7範(fàn)圍(wéi)内(nèi)時,可将相(xiàng)對誤差有效降(jiàng)低至0.5%~3.6%;在标準文(wén)件[10]規(guī)定的(de)節流(liú)孔厚(hòu)度、孔闆厚(hòu)度等(děng)參數(shù)範圍内,絕大多數(shù)流(liú)量系數的相對(duì)誤差(chà)可控制在(zài)2%以下，因此其規定(dìng)範圍可以繼(jì)續使用,同時本文的數(shù)值模拟(nǐ)結果(guǒ)顯(xiǎn)示(shì)，當孔(kǒng)闆的以，上幾個(gè)結構參(cān)數的數(shù)值超.出其規定(dìng)範圍時,最(zuì)大相(xiàng)對誤差也僅爲(wèi)2%左右(yòu)，因(yīn)此對于(yú)超臨界二氧化(huà)碳工質而言，孔闆的節流孔厚(hòu)度、孔闆(pǎn)厚度等參數均(jun1)可一定程(chéng)度(dù)上超(chāo)出标(biāo)準中的規定範(fàn)圍，相對(duì)誤差也(yě)可接受(shòu)。
3入口直(zhí)角邊緣(yuán)尖銳度(dù)及其(qí)修(xiū)正系數(shù)的模拟研(yán)究
　　一(yī)般而言,孔(kǒng)闆人(rén)口邊緣應該是(shì)尖銳的,其與超(chāo)臨界二(èr)氧化碳(tàn)工質首先直接(jiē)接觸,如果(guǒ)其尖(jiān)銳度(dù)不夠的話(huà)則無法(fǎ)保(bǎo)證對于(yú)工(gōng)質的(de)節流(liú)作用(yòng)達到預期(qī),因而(ér)會對測量(liàng)精度産(chǎn)生影響(xiǎng)。在孔(kǒng)闆實際工(gōng)作過程:中,可能(néng)存在(zài)加工(gōng)精度(dù)不足(zú)、工(gōng)質(zhì)磨損(sǔn)、腐蝕等問題的(de)存在,造(zào)成直角(jiǎo)邊(biān)緣變鈍,故标(biāo)準文件(jiàn)[10]規(guī)定,孔(kǒng)闆人口(kǒu)邊(biān)緣的(de)圓弧半(bàn)徑(jìng)應小(xiǎo)于等于(yú)0.0004d,在此限值(zhí)之内的誤差是可以接受的(de),若超(chāo)過這(zhè)一-限值,則(zé)無法保證測量精度,應進行相(xiàng)應(yīng)的維修(xiū)、更換或修(xiū)正(zhèng)等(děng)。本文模拟了孔(kǒng)闆人口邊(biān)緣圓(yuán)弧半徑爲0~0.015d時孔(kǒng)闆的流量系數(shù)變化趨(qū)勢,結果(guǒ)如圖(tú)8所(suǒ)示。
 
分析結果(guǒ)可(kě)以得出(chū):
(1)孔闆人口邊緣(yuán)尖銳度對(duì)于孔(kǒng)闆流量系數的影響趨勢與管(guǎn)徑無關。随着孔(kǒng)闆人(rén)口邊緣逐(zhú)漸(jiàn)變鈍,dn25和dn200兩種(zhǒng)管道(dào)的孔(kǒng)闆流(liú)量系數呈(chéng)現近(jìn)似相(xiàng)同的變化(huà)趨勢(shì)，均随(suí)着人(rén)口圓(yuán)弧半徑的(de)增大而先(xiān)增(zēng)大(dà)後減(jiǎn)小,分别在(zài)r達到0.01d和(hé)0.008d時(shí)流量(liàng)系數達到最大(dà);
(2)孔闆人(rén)口邊緣(yuán)開始(shǐ)鈍(dùn)化時,流(liú)量系數顯著增加,遠大于經驗(yàn)計算公式結果(guǒ),因此(cǐ)造(zào)成使用(yòng)經驗(yàn)計算公(gōng)式(shì)時得(dé)到的(de)工質(zhì)質量流(liú)量相對真實值很小，其(qí)中dn25管道内相對(duì)誤差爲5.16%~12.61%,dn200管(guǎn)道(dào)的(de)相對誤差(chà)爲5.13%~11.96%;
(3)對(duì)于超臨界二氧(yǎng)化碳工質(zhì)而言,當孔闆人(rén)口直(zhí)角邊緣變鈍後,應立即(jí)進(jìn)行相應的處理或流(liú)量系數的(de)修正(zhèng),否則誤差将會(huì)變得(dé)很大。
　　當使用标準(zhǔn)文(wén)件[10]給(gěi)出的不(bú)同邊緣(yuán)尖銳(ruì)度對應的(de)修(xiū)正系數b進行(háng)孔闆流量系數(shù)的修正時,可以(yǐ)--定程度(dù)上(shàng)減少(shǎo)流量系數的相(xiàng)對誤差。本(běn)文使(shǐ)用表(biǎo)5中(zhōng)的(de)修(xiū)正(zhèng)系數b對經驗公式計算結果進(jìn)行修正,結(jié)果如(rú)圖9所示。
 
 
　　結果顯(xiǎn)示，對于超臨界二氧化(huà)碳(tàn)工質(zhì)而言(yán),當使用修正系(xì)數(shù)b進行孔(kǒng)闆流量系數的(de)修正後,僅可使部分邊(biān)緣圓弧(hú)半徑對應的孔(kǒng)闆流量系(xì)數相(xiàng)對誤(wù)差降低到(dào)可以(yǐ)接受的程(chéng)度,而(ér)大部(bù)分情況下相對(duì)誤差(chà)仍比(bǐ)較大(dà),如dn25管(guǎn)道多數情(qíng)況下(xià)的流(liú)量系數(shù)相(xiàng)對誤(wù)差在(zài)4.41%~6.94%之間(jiān),dn200管道(dào)的相對誤(wù)差多(duō)數(shù)在3.74%~7.11%,因此(cǐ)該修(xiū)正系數b對(duì)于超臨界二氧(yǎng)化碳工質(zhì)并不(bú)适用。
　　對(duì)dn25和(hé)dn200管道(dào)的模(mó)拟流量系數及經驗公式(shì)計算結果求平(píng)均,得到針(zhēn)對超臨界二(èr)氧化碳工質(zhì)的不同孔(kǒng)闆邊(biān)緣尖銳度(dù)對應的修正系(xì)數b,如表(biǎo)6所示。将(jiāng)更正的(de)修(xiū)正系(xì)數應(yīng)用于模拟(nǐ)數據(jù)，結果(guǒ)如圖(tú)10所示。
 
　　可以(yǐ)看(kàn)出,當使用(yòng)更(gèng)正後的修正(zhèng)系(xì)數b進行孔(kǒng)闆的流量(liàng)系數經(jīng)驗公式(shì)計算(suàn)結果的修(xiū)正後,得到的流(liú)量系數與(yǔ)模拟結果拟合較好(hǎo),其中(zhōng)dn25管道相對誤差爲0.11%~1.21%,dn200管道(dào)相對誤差爲0.11%~1.85%。
4結論(lùn)
　　本文開展(zhǎn)了孔(kǒng)闆流(liú)量計的數(shù)值模(mó)拟研究，探(tàn)究了孔(kǒng)闆的各(gè)結構參數對超(chāo)臨:界二(èr)氧化磯(jī)工質(zhì)流(liú)量系數(shù)的影響,基(jī)于此(cǐ)給出了孔闆流(liú)量計結構參數(shù)的設計(jì)建議,并(bìng)且探(tàn)究了人口(kǒu)直角(jiǎo)邊緣尖銳(ruì)度對(duì)流量系數(shù)的影(yǐng)響,得(dé)到的主要結論如下:
(1)現行(háng)标準文件(jiàn)中的孔(kǒng)闆流量(liàng)計結構參數的(de)規定(dìng)範圍測量(liàng)相對誤差在0.5%~47%的(de)較大範圍内波動,對(duì)于超臨界(jiè)二氧化碳(tàn)工質并不(bú)适用。
(2)本文針對超臨(lín)界二氧化碳工質提(tí)出了孔(kǒng)闆.流量計結構(gòu)參數(shù)推(tuī)薦設(shè)計範(fàn)圍,其(qí)中直徑比應爲(wèi)0.6~0.7,節流孔厚度應爲0.004~0.03倍(bèi)的(de)管道内(nèi)徑,孔闆厚(hòu)度應(yīng)爲0.02~0.06倍(bèi)的(de)管道内(nèi)徑,在該範圍内(nèi)絕大多數工況(kuàng)下流(liú)量(liàng)系(xì)數的(de)相對誤(wù)差可控制在2%以下(xià);
(3)孔闆(pǎn)人口(kǒu)邊緣鈍化(huà)會使流(liú)量系數(shù)顯著增加(jiā),且修(xiū)正系數b并不能(néng)使相對(duì)誤(wù)差降(jiàng)低至可(kě)以接受的範圍,修正後(hòu)相(xiàng)對誤(wù)差仍有(yǒu)約3.74%-7.11%,本(běn)文(wén)針對不(bú)同工況提出不(bú)同修正(zhèng)參(cān)數,修(xiū)正後經(jīng)驗(yàn)公式(shì)的相(xiàng)對誤差降(jiàng)低爲0.11%~1.85%。

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