在流體(ti)機械瞬态(tai)流動的過(guo)程中,需要(yao)對瞬時流(liu)量進行測(ce)試．電磁流(liu)量計在測(ce)量快速變(bian)化的流量(liang)時,其轉換(huan)器的信号(hao)處理🔴時間(jian)普遍超過(guo)0．２s,需要經過(guo)特殊設計(ji)才能達到(dao)要求[5];渦輪(lun)流量計在(zai)測試小流(liu)量的瞬時(shi)變化時,存(cun)在強烈的(de)非線性🔞問(wen)🈚題．而在許(xu)多場合,孔(kong)闆流量計(ji)能較好地(di)用于瞬态(tai)流👈量的測(ce)試．
　　基于CFD技(ji)術,通過改(gai)變流量﹑直(zhi)徑比﹑孔闆(pan)厚度和流(liu)體介質🛀🏻等(deng),對孔🔞闆内(nei)部穩定流(liu)動進行了(le)研究．采用(yong)CFD技💃術研究(jiu)了方形孔(kong)和圓形孔(kong)闆流量計(ji)在測量濕(shi)夭然氣時(shi)的異同;對(dui)錐體流量(liang)計的孔流(liu)系數進行(hang)💜數值模拟(ni);對周期性(xing)波動的流(liu)量流經孔(kong)闆進行了(le)實驗和理(li)論分❓析後(hou)指出,孔闆(pan)前後壓差(cha)呈現非線(xian)性,且❄️滞後(hou)于流量的(de)變化,稱之(zhi)爲“渦慣性(xing)”．
　　鑒于目前(qian)未見有對(dui)孔闆流量(liang)計在測量(liang)流量加速(su)瞬态過程(cheng)的相關研(yan)究,爲了從(cong)内流角度(du)揭示壓差(cha)滞後于流(liu)量變化的(de)原因,考妞(niu)到采用試(shi)驗測量較(jiao)爲困難,文(wen)中采用CFD方(fang)法分别對(dui)穩态和加(jia)速過程的(de)孔流系數(shu)進行數值(zhi)預測,重點(dian)分析孔流(liu)系數與流(liu)動狀态瞬(shun)時轉變間(jian)的聯系,爲(wei)實現采用(yong)孔闆流量(liang)計測量瞬(shun)時流量提(ti)供參考。
1物(wu)理模型和(he)數值方法(fa)
1.1基本理論(lun)
　　孔闆流量(liang)計是一種(zhong)差壓式流(liu)量計．對于(yu)不可壓流(liu)體的水平(ping)管🐕流動,忽(hu)略管壁摩(mo)擦阻力損(sun)失,根據流(liu)體的連續(xu)性和機械(xie)能的相互(hu)轉化可得(de)

1.2模型﹑網格(ge)和邊界條(tiao)件
　　圖1爲孔(kong)闆流量計(ji)的物理模(mo)型示意.根(gen)據标準孔(kong)闆🈲流量計(ji)的安裝,圖(tu)1a中,上下遊(you)直管段長(zhang)分别取10D和(he)5D作爲穩定(ding)直管段.其(qi)中上下遊(you)管内徑D取(qu)100mm,孔闆厚度(du)δ取3mm.
　　流量從(cong)0以恒定加(jia)速度增長(zhang),如圖1b所示(shi);測壓點的(de)位🐪置示于(yu)圖1c.

　　爲了準(zhun)确捕捉孔(kong)闆前後流(liu)場的變化(hua)情況,首先(xian)在壁面附(fu)近🚶劃分了(le)邊界層網(wang)格,邊界層(ceng)第1層厚度(du)爲0.1mm,共10層,高(gao)度增長因(yin)子爲1.1;其次(ci),用與孔闆(pan)等孔徑的(de)圓柱面作(zuo)爲分界👈面(mian),對内👈部流(liu)域進行切(qie)割,并對該(gai)邊界面附(fu)近劃分同(tong)上的邊界(jie)層網格,其(qi)内部區域(yu)采用蝶形(xing)網格劃分(fen);最後,在🌈邊(bian)界層設置(zhi)好的基礎(chu)上,采用結(jie)構化網格(ge)生成方式(shi)完成其餘(yu)部分的網(wang)格🌈劃分.
　　圖(tu)２給出了孔(kong)闆附近的(de)網格分布(bu).以常溫狀(zhuang)态下液态(tai)水作爲流(liu)⭐體介質,動(dong)量﹑湍動能(neng)和湍流耗(hao)散率方程(cheng)的離散選(xuan)擇💘二階迎(ying)風格式,壓(ya)力和速度(du)耦合選用(yong)SＩMＰLＥ算法,穩态(tai)和加速條(tiao)件下的湍(tuan)流模型分(fen)别采用Realizablek－ε和(he)RealizableDＥS模型.穩👈态(tai)和加速過(guo)程的進口(kou)均采用速(su)度進口☂️邊(bian)界條件,流(liu)體加速曲(qu)線見圖1b,管(guan)壁爲無滑(hua)移壁面🏃🏻邊(bian)界條件.

　　由(you)于流速不(bu)斷增大,考(kao)妞采用變(bian)時間步長(zhang)的方式🌈以(yi)提高叠代(dai)過程的經(jing)濟性,時間(jian)步長△t與時(shi)刻t采用📞式(shi)(1)的🏃🏻關系式(shi):

　　流場求解(jie)軟件爲Liｎux平(ping)台下的Flueｎｔ6．3,采(cai)用曙光1800工(gong)作站上的(de)8個ＩｎｔelXeoｎ處理器(qi)(3．２GHz)進行并行(hang)計算,穩态(tai)叠代4000次約(yue)需２h,瞬态叠(die)代２50個㊙️時間(jian)步約需２２h．
2結(jie)果分析
2.1孔(kong)流系數和(he)壓降
　　圖3給(gei)出了孔流(liu)系數的數(shu)值模拟結(jie)果,Realiza-blek－ε模拟的(de)穩态孔流(liu)❗系‼️數C0與ＩSO試(shi)驗回歸曲(qu)線[10]的最大(da)誤差在3％以(yi)内,标準k－ε的(de)最大誤差(cha)🈲達6％[6]．
　　對于流(liu)量Q≤0．6m3/h,C0随流量(liang)的增加緩(huan)慢下降,之(zhi)後保持在(zai)0．63左右．與🚩C0不(bu)同的是,C從(cong)0開始随流(liu)量的增大(da)而增大,并(bing)逐漸向C0靠(kao)近😍,直至Q≥3．5m3/h後(hou)才達到C0的(de)水平．C在時(shi)間上滞後(hou)于C0．圖4中△p－Q曲(qu)線顯示,Q≤3．0m3/h時(shi),加速過程(cheng)孔闆前後(hou)壓降高于(yu)同等流量(liang)下穩态壓(ya)降;Q≥3．0m3/h後,瞬态(tai)壓降才降(jiang)爲穩态水(shui)平．

2.2速度和(he)壓力場分(fen)析
　　從内流(liu)角度分析(xi)導緻第２．1節(jie)中C和C0不同(tong)的原因,圖(tu)5和圖6分别(bie)🌈給出并對(dui)比了相同(tong)流量下穩(wen)态和加速(su)過程中流(liu)經☔孔闆前(qian)後流體的(de)速度和壓(ya)力場．對于(yu)Q≤3．0m3/h穩态條件(jian),孔闆後方(fang)始終🈲可觀(guan)察到一個(ge)被拉長的(de)主渦和孔(kong)闆右上方(fang)的小渦,流(liu)動🌏的損失(shi)較大,同時(shi)表♈明流場(chang)中已形成(cheng)穩定的流(liu)動通道,動(dong)能和壓能(neng)的🈲轉化已(yi)達到平衡(heng),流動的損(sun)失(長漩渦(wo))也趨于穩(wen)定,并且壓(ya)差随流量(liang)🌈的增大💘而(er)穩定增㊙️大(da)．
　　加速過程(cheng)中孔闆後(hou)方的漩渦(wo)是逐漸形(xing)成的:小流(liu)🙇🏻量時流動(dong)🔆較爲平穩(wen),流體不斷(duan)被加速的(de)流體向下(xia)遊推動,漩(xuan)渦來不及(ji)形成,流動(dong)的損失較(jiao)小;随着流(liu)量的不斷(duan)加大🏒,孔闆(pan)後方開始(shi)出現流動(dong)分離(約在(zai)Q＞1．1m3/h時);當流量(liang)進一步加(jia)大,孔闆後(hou)方出現了(le)較大的漩(xuan)渦．加速前(qian)期,壓力沿(yan)整個管道(dao)逐漸向下(xia)遊傳播,壓(ya)能傳播的(de)距離較長(zhang),沒有在短(duan)距離内快(kuai)速轉換爲(wei)動能．
經上(shang)述分析可(ke)以認爲,導(dao)緻加速前(qian)期C和C0之間(jian)差異的内(nei)流原因是(shi),漩渦形成(cheng)的滞後以(yi)及加速前(qian)期壓力能(neng)沒有在短(duan)距離内全(quan)部轉化爲(wei)動能．
　　随着(zhe)流量的增(zeng)大,孔闆後(hou)方出現了(le)明顯的漩(xuan)渦,漩渦中(zhong)心附近區(qu)域即爲低(di)壓區．雖然(ran)孔流系數(shu)和壓降的(de)瞬态和穩(wen)态值分别(bie)相互接近(jin),然而由于(yu)流體仍然(ran)處于加速(su)階段,因☁️此(ci)流動狀态(tai)(漩渦的形(xing)狀和位置(zhi))和壓力分(fen)布與穩态(tai)條件相比(bi),仍然存在(zai)較大🏃🏻‍♂️差異(yi)．


3結論
　　通過(guo)CFD技術,實現(xian)了穩态和(he)加速流體(ti)流經孔闆(pan)後流場的(de)數值模拟(ni),得到了孔(kong)流系數﹑流(liu)場和壓力(li)的模拟結(jie)果,主💚要概(gai)括爲:
1)穩态(tai)孔流系數(shu)C0的數值預(yu)測值與ＩSO試(shi)驗回歸曲(qu)線十分接(jie)近,Realizablek－ε比标準(zhun)k－ε的C0預測值(zhi)更接近ＩSO試(shi)驗回歸曲(qu)線,誤㊙️差分(fen)别爲3％和6％;
２)加(jia)速過程,C随(sui)流量的增(zeng)大逐漸增(zeng)大并靠近(jin)穩态C0;加速(su)🤩前期⭐,壓差(cha)高于穩态(tai)水平,随着(zhe)流量的不(bu)斷增大,瞬(shun)态和穩态(tai)壓差相互(hu)接🔞近．3)導緻(zhi)加速前期(qi)C和C0之間💛差(cha)異的内流(liu)原因是,漩(xuan)渦形成的(de)滞後以及(ji)加速前🔴期(qi)壓力能沒(mei)有在短距(ju)離内全部(bu)轉化爲動(dong)能．文中内(nei)容可爲利(li)用孔闆流(liu)量✍️計測量(liang)瞬時流量(liang)提供參考(kao)依據,爲流(liu)體機械内(nei)部非定常(chang)流動等特(te)殊問題的(de)提供基本(ben)保障．今後(hou)的工作将(jiang)圍繞流量(liang)波動﹑階躍(yue)和突減等(deng)其他瞬态(tai)狀況．

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