孔(kong)闆流(liu)量計(ji)由于(yu)結構(gou)簡單(dan)、工作(zuo)可靠(kao)、成本(ben)低、又(you)具有(you)一定(ding)精度(du)，能✏️滿(man)足工(gong)程測(ce)量的(de)需要(yao)，而且(qie)設計(ji)加工(gong)已經(jing)标準(zhun)化目(mu)前已(yi)成爲(wei)天然(ran)🐉氣計(ji)量中(zhong)使用(yong)廣泛(fan)的流(liu)量計(ji)🥰。但是(shi)其正(zheng)确測(ce)量是(shi)以🏃🏻流(liu)體的(de)平穩(wen)流🏒動(dong)爲基(ji)本條(tiao)件的(de)，當流(liu)體處(chu)于脈(mo)👅動流(liu)的情(qing)形下(xia)，流量(liang)計計(ji)量會(hui)産生(sheng)很大(da)誤差(cha)，嚴重(zhong)時會(hui)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼使流(liu)量測(ce)量值(zhi)失真(zhen)[1]。根據(ju)🌈部分(fen)參考(kao)文💘獻(xian)，其影(ying)響值(zhi)可達(da)🌈 12 %以上(shang)[2]。長期(qi)的計(ji)量不(bu)準确(que)可能(neng)會導(dao)緻經(jing)濟損(sun)失、計(ji)量糾(jiu)紛。
　　近(jin)年來(lai)，随着(zhe)各種(zhong) CFD 軟件(jian)功能(neng)的日(ri)益強(qiang)大，許(xu)多研(yan)究者(zhe)将這(zhe)些商(shang)🔴用軟(ruan)件應(ying)用于(yu)孔闆(pan)等節(jie)流元(yuan)件相(xiang)關流(liu)場的(de)研究(jiu)中，但(dan)專門(men)針對(dui)孔闆(pan)流量(liang)計内(nei)部回(hui)流流(liu)場進(jin)💜行系(xi)統分(fen)析還(hai)很少(shao)[3-8]。本文(wen)通過(guo)流體(ti)仿真(zhen)軟件(jian) Fluent 建立(li)了孔(kong)闆三(san)維穩(wen)定流(liu)動模(mo)型，計(ji)算了(le)孔闆(pan)流🔱量(liang)計内(nei)部的(de)流場(chang)分布(bu)，分🔴析(xi)了彙(hui)管較(jiao)小流(liu)量出(chu)口💘孔(kong)闆流(liu)量計(ji)計量(liang)誤差(cha)産生(sheng)的原(yuan)因，爲(wei)孔闆(pan)流量(liang)計計(ji)量誤(wu)差分(fen)析提(ti)♋供了(le)新的(de)思路(lu)。
1模型(xing)建立(li)及求(qiu)解
1.1理(li)論基(ji)礎
　　孔(kong)闆流(liu)量計(ji)是以(yi)伯努(nu)利方(fang)程和(he)流體(ti)連續(xu)性方(fang)程爲(wei)依據(ju)，根據(ju)🔱節流(liu)原理(li)，當流(liu)體流(liu)經節(jie)流件(jian)時在(zai)其前(qian)後産(chan)生❄️壓(ya)差，此(ci)差壓(ya)值與(yu)該流(liu)量的(de)平方(fang)成正(zheng)比，從(cong)而計(ji)算出(chu)流☂️體(ti)流量(liang)。其取(qu)壓方(fang)式有(you) D 和D/2 取(qu)壓、角(jiao)接取(qu)壓和(he)法蘭(lan)取壓(ya)等多(duo)種，其(qi)中 D 和(he) D/2 取壓(ya)法的(de)結構(gou)如📱圖(tu) 1 所示(shi)。
孔闆(pan)流量(liang)計理(li)論計(ji)算公(gong)式爲(wei)：

其中(zhong)：
qυ—工況(kuang)下的(de)流體(ti)流量(liang)，m3/s；
C—流出(chu)系數(shu)，無量(liang)綱；
β—直(zhi)徑比(bi)，β=d/D，無量(liang)綱；
ε—可(ke)膨脹(zhang)系數(shu)，無量(liang)綱；
D—工(gong)況下(xia)孔闆(pan)内徑(jing)，mm；
ΔP—孔闆(pan)前後(hou)的壓(ya)差值(zhi)，Pa；
ρ—工況(kuang)下流(liu)體密(mi)度，kg/m3；

　　孔(kong)闆流(liu)量計(ji)在出(chu)廠前(qian)都會(hui)通過(guo)建立(li)的實(shi)驗裝(zhuang)置實(shi)測标(biao)定出(chu)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)流出(chu)系數(shu) C，工程(cheng)應用(yong)中隻(zhi)需💛測(ce)定實(shi)際🈲的(de)ΔP值，将(jiang)C、ΔP代入(ru)(1)式即(ji)可得(de)實際(ji)體積(ji)流量(liang)qυ[9]。
　　采用(yong)數值(zhi)模拟(ni)方法(fa)标定(ding)孔闆(pan)流量(liang)計時(shi)，可以(yi)先通(tong)🏒過孔(kong)闆穩(wen)定流(liu)動計(ji)算得(de)到流(liu)出系(xi)數C，然(ran)後取(qu)孔闆(pan)📱前後(hou)D和D/2截(jie)面上(shang)的壓(ya)力差(cha)ΔP，根據(ju)壓差(cha)ΔP及流(liu)出系(xi)數C可(ke)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼得孔(kong)闆🍓計(ji)量流(liu)量qυ，對(dui)比計(ji)量流(liu)量qυ和(he)實際(ji)流量(liang)qυ’即可(ke)🔴得到(dao)孔闆(pan)計量(liang)的相(xiang)🏃‍♀️對誤(wu)差。
1.2模(mo)型建(jian)立
　　天(tian)然氣(qi)在孔(kong)闆中(zhong)的流(liu)動，雷(lei)諾數(shu)遠遠(yuan)大于(yu)臨界(jie)值💘，流(liu)動處(chu)于😄湍(tuan)流狀(zhuang)态。湍(tuan)流是(shi)一種(zhong)三維(wei)非穩(wen)态、有(you)旋的(de)高度(du)複♊雜(za)不規(gui)則流(liu)動。在(zai)湍流(liu)中流(liu)體的(de)各種(zhong)物理(li)參數(shu)📐，如速(su)度、壓(ya)力、溫(wen)度等(deng)都随(sui)時間(jian)和空(kong)間發(fa)生随(sui)機的(de)變☔化(hua)，但仍(reng)然滿(man)足N-S方(fang)程組(zu)，既流(liu)動參(can)數滿(man)足質(zhi)量守(shou)恒，動(dong)量守(shou)恒，能(neng)量🌈守(shou)恒三(san)大基(ji)本定(ding)律。爲(wei)了考(kao)察脈(mo)動的(de)影♉響(xiang)，目前(qian)廣泛(fan)采💃🏻用(yong)的是(shi)Reynolds時均(jun)N-S方程(cheng)[11-27]。
　　關于(yu)湍流(liu)運動(dong)與換(huan)熱的(de)數值(zhi)計算(suan)，是目(mu)前計(ji)算流(liu)體力(li)學與(yu)計算(suan)傳熱(re)學中(zhong)困難(nan)最多(duo)因而(er)研究(jiu)最活(huo)躍的(de)領域(yu)之一(yi)。RNGκ-ε模型(xing)☁️是針(zhen)♈對充(chong)分發(fa)展的(de)湍流(liu)有效(xiao)🈚的，即(ji)高雷(lei)諾數(shu)的湍(tuan)流計(ji)算模(mo)型。近(jin)來👌對(dui)κ-ε模型(xing)的各(ge)🈲種改(gai)進取(qu)🌈得了(le)更好(hao)的應(ying)用效(xiao)果，特(te)别是(shi)RNGκ-ε模型(xing)被廣(guang)🏃‍♂️泛的(de)應用(yong)于😍模(mo)拟各(ge)種工(gong)程實(shi)際問(wen)題。該(gai)模型(xing)已被(bei)廣泛(fan)的應(ying)用于(yu)邊界(jie)層型(xing)流動(dong)、管内(nei)流動(dong)、剪切(qie)🔞流動(dong)、平面(mian)斜沖(chong)擊流(liu)動、有(you)回流(liu)的流(liu)動、三(san)維邊(bian)界層(ceng)流動(dong)、漸擴(kuo)、漸縮(suo)管道(dao)内的(de)📞流動(dong)及換(huan)熱并(bing)取得(de)了相(xiang)當的(de)成功(gong)，因此(ci)分析(xi)孔闆(pan)内流(liu)場時(shi)采用(yong)RNGκ-ε模型(xing)[11-27]。
　　在CFD計(ji)算時(shi)，爲了(le)獲得(de)較高(gao)的精(jing)度，需(xu)要加(jia)密計(ji)算網(wang)格☂️，在(zai)近壁(bi)❄️面處(chu)爲快(kuai)速得(de)到解(jie)，就必(bi)須将(jiang)κ-ε模型(xing)與結(jie)合準(zhun)确經(jing)驗數(shu)據的(de)壁面(mian)函數(shu)法一(yi)起使(shi)用，且(qie)将離(li)壁面(mian)最近(jin)的一(yi)内節(jie)點⭐位(wei)于湍(tuan)流的(de)對數(shu)律層(ceng)之中(zhong)，如圖(tu)2所示(shi)[14]。

1.3模型(xing)求解(jie)
1.3.1方程(cheng)離散(san)
　　對于(yu)控制(zhi)孔闆(pan)中氣(qi)體流(liu)動的(de)偏微(wei)分方(fang)程組(zu)及湍(tuan)流模(mo)👄型，由(you)⛷️于其(qi)解析(xi)解目(mu)前還(hai)不能(neng)解出(chu)，因而(er)必須(xu)✍️采用(yong)數值(zhi)計算(suan)才能(neng)分析(xi)🔆孔闆(pan)中的(de)氣體(ti)流動(dong)。要進(jin)行數(shu)值🌏模(mo)拟首(shou)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼先要(yao)将控(kong)制方(fang)程離(li)散成(cheng)節點(dian)上的(de)😄代數(shu)方程(cheng)。
　　在對(dui)孔闆(pan)内流(liu)場模(mo)拟中(zhong)，爲減(jian)少計(ji)算量(liang)同時(shi)提高(gao)計算(suan)🔞的精(jing)🌍度，對(dui)流項(xiang)采用(yong)二階(jie)迎風(feng)格式(shi)離散(san)。擴散(san)項采(cai)用中(zhong)心差(cha)分格(ge)式離(li)散[15-16]。
　　控(kong)制方(fang)程離(li)散格(ge)式采(cai)用全(quan)隐式(shi)耦合(he)求解(jie)，同時(shi)求解(jie)連續(xu)♍性方(fang)程、動(dong)量方(fang)程、能(neng)量方(fang)程、狀(zhuang)态方(fang)程的(de)耦☂️合(he)方🏃🏻程(cheng)組✌️，然(ran)後🔞再(zai)逐一(yi)求解(jie)湍流(liu)κ方程(cheng)、ε方程(cheng)等标(biao)量方(fang)程。
1.3.2數(shu)值計(ji)算算(suan)法

　　采(cai)用時(shi)間相(xiang)關法(fa)求解(jie)三維(wei)的孔(kong)闆流(liu)場。将(jiang)偏微(wei)分🤩方(fang)💯程用(yong)控制(zhi)體積(ji)法離(li)散爲(wei)代數(shu)方程(cheng)後，求(qiu)解數(shu)值解(jie)有兩(liang)種方(fang)法：分(fen)離求(qiu)解👉法(fa)和耦(ou)合求(qiu)解法(fa)。由于(yu)分離(li)求解(jie)法常(chang)用㊙️于(yu)不可(ke)壓、Ma＜2的(de)流動(dong)問題(ti)，本文(wen)在數(shu)值🏃‍♂️求(qiu)解時(shi)，采用(yong)二階(jie)迎風(feng)格式(shi)對連(lian)續方(fang)程、動(dong)量方(fang)程和(he)能量(liang)方程(cheng)進行(hang)耦合(he)求解(jie)，接着(zhe)再求(qiu)⁉️解湍(tuan)流輸(shu)運方(fang)程；這(zhe)種耦(ou)合求(qiu)解方(fang)式對(dui)于👌孔(kong)闆内(nei)的超(chao)聲🍓速(su)流場(chang)結構(gou)的捕(bu)捉至(zhi)✊關重(zhong)要，求(qiu)解過(guo)程如(ru)圖3所(suo)示。時(shi)間上(shang)采用(yong)Runge-Kutta4階精(jing)度進(jin)行叠(die)代計(ji)算，直(zhi)到流(liu)💃🏻場計(ji)算趨(qu)于穩(wen)定則(ze)認爲(wei)計算(suan)收斂(lian)。
2實例(li)
　　某配(pei)氣站(zhan)高級(ji)孔闆(pan)J-4在日(ri)常生(sheng)産中(zhong)常出(chu)現用(yong)戶無(wu)生産(chan)✊時流(liu)量曲(qu)線波(bo)動較(jiao)大，測(ce)量值(zhi)失真(zhen)的現(xian)象。現(xian)🔱場分(fen)析發(fa)現，二(er)次調(diao)壓後(hou)，由于(yu)輸出(chu)端城(cheng)區CNG站(zhan)用氣(qi)👣量小(xiao)且用(yong)氣不(bu)❓穩定(ding)，造成(cheng)彙管(guan)出口(kou)端天(tian)然氣(qi)回流(liu)🐪現象(xiang)，對下(xia)遊孔(kong)闆計(ji)量精(jing)度造(zao)成較(jiao)大影(ying)響。爲(wei)了深(shen)入分(fen)析孔(kong)闆流(liu)量計(ji)計量(liang)🌏誤差(cha)産生(sheng)原因(yin)，需要(yao)對孔(kong)闆内(nei)流場(chang)進行(hang)細緻(zhi)深入(ru)的分(fen)🚶‍♀️析研(yan)究。該(gai)配氣(qi)💰站主(zhu)要工(gong)藝流(liu)程如(ru)圖4所(suo)示：

2.1基(ji)礎數(shu)據
該(gai)配氣(qi)站主(zhu)要參(can)數：
(1)調(diao)壓閥(fa)T-3、T-4：DN50；進口(kou)壓力(li)：2.0~3.0MPa；出口(kou)壓力(li)：0.8MPa。
(2)J-2：DN150高級(ji)孔闆(pan)閥，日(ri)用氣(qi)量：5×104m3/d。
(3)J-3：DN50速(su)度式(shi)流量(liang)計，日(ri)用氣(qi)量：0.2×104m3/d。
(4)DN100孔(kong)闆流(liu)量計(ji)幾何(he)尺寸(cun)如表(biao)1所示(shi)：
1044-6
2.2求解(jie)設置(zhi)
　　按實(shi)際幾(ji)何尺(chi)寸建(jian)立模(mo)型時(shi)，考慮(lü)到上(shang)遊出(chu)現回(hui)流，流(liu)動不(bu)🚶‍♀️均勻(yun)，不可(ke)應用(yong)軸對(dui)稱方(fang)式建(jian)立模(mo)型，而(er)直接(jie)🛀🏻建立(li)标準(zhun)孔闆(pan)流量(liang)計D和(he)D/2取壓(ya)時的(de)三維(wei)實體(ti)模型(xing)，上遊(you)管段(duan)取20D，下(xia)遊管(guan)段取(qu)10D，在壁(bi)👣面☂️進(jin)行邊(bian)界層(ceng)處理(li)，邊界(jie)層共(gong)5層，設(she)置比(bi)例爲(wei)1.1。上遊(you)管道(dao)沿軸(zhou)向網(wang)格以(yi)1.1的比(bi)例由(you)密變(bian)疏，下(xia)遊管(guan)道以(yi)🔞同樣(yang)的比(bi)例，由(you)密變(bian)疏。最(zui)後采(cai)用cooper格(ge)式進(jin)行網(wang)格劃(hua)分，最(zui)終得(de)到DN100孔(kong)闆流(liu)量計(ji)計算(suan)網格(ge)如圖(tu)5所示(shi)：

2.3流量(liang)分配(pei)對孔(kong)闆計(ji)量影(ying)響分(fen)析
　　爲(wei)研究(jiu)流量(liang)分配(pei)對孔(kong)闆計(ji)量的(de)影響(xiang)，需要(yao)對回(hui)流🏃發(fa)生💃時(shi)孔闆(pan)内流(liu)場進(jin)行細(xi)緻深(shen)入的(de)分析(xi)，據二(er)級彙(hui)管内(nei)脈動(dong)回流(liu)的分(fen)析，當(dang)流量(liang)增至(zhi)總流(liu)量的(de)20%時，有(you)漩渦(wo)存在(zai)，但已(yi)不影(ying)響下(xia)遊孔(kong)闆計(ji)量。當(dang)西城(cheng)區CNG流(liu)量小(xiao)于🛀🏻總(zong)流量(liang)的10%時(shi)，在當(dang)前壓(ya)力條(tiao)件及(ji)彙管(guan)結構(gou)下必(bi)然産(chan)生回(hui)流現(xian)象。而(er)工作(zuo)壓力(li)對回(hui)流的(de)形成(cheng)幾乎(hu)無影(ying)響，因(yin)此令(ling)二級(ji)彙管(guan)入口(kou)流量(liang)爲54686m3/d，分(fen)析當(dang)西城(cheng)區CNG管(guan)道流(liu)量分(fen)别爲(wei)二級(ji)彙🌍管(guan)入口(kou)總流(liu)量的(de)0%，1%，3%，5%，7%，9%工況(kuang)下，回(hui)流對(dui)孔🌈闆(pan)流量(liang)計計(ji)量的(de)影😘響(xiang)分析(xi)。根據(ju)所計(ji)算結(jie)果及(ji)孔闆(pan)🤟穩定(ding)流動(dong)時計(ji)算得(de)到的(de)流出(chu)系數(shu)C，根據(ju)壓差(cha)ΔP及流(liu)出系(xi)數計(ji)算得(de)到當(dang)西城(cheng)區CNG管(guan)道實(shi)際輸(shu)量qυ’與(yu)孔闆(pan)計👨‍❤️‍👨量(liang)輸量(liang)qυ的誤(wu)差關(guan)系如(ru)表2所(suo)示：

　　根(gen)據西(xi)城區(qu)CNG管輸(shu)量的(de)不同(tong)，孔闆(pan)計量(liang)誤差(cha)也不(bu)同，兩(liang)者之(zhi)間對(dui)❄️應變(bian)化規(gui)律如(ru)圖7所(suo)示，由(you)圖可(ke)見，随(sui)着西(xi)城🐆CNG管(guan)輸量(liang)的上(shang)升，誤(wu)差🍓迅(xun)速減(jian)小，當(dang)管輸(shu)量超(chao)過彙(hui)管入(ru)口流(liu)量🔆的(de)10%後，測(ce)量值(zhi)與實(shi)際流(liu)量的(de)相對(dui)誤☂️差(cha)小于(yu)15%，回流(liu)渦旋(xuan)縮小(xiao)到已(yi)無⁉️法(fa)影響(xiang)到孔(kong)闆流(liu)量計(ji)内部(bu)流場(chang)；孔闆(pan)流量(liang)計計(ji)算公(gong)式得(de)到流(liu)量與(yu)實際(ji)流量(liang)的相(xiang)對誤(wu)差随(sui)着西(xi)城CNG管(guan)輸量(liang)的增(zeng)加而(er)減小(xiao)，并近(jin)似滿(man)足指(zhi)數衰(shuai)減趨(qu)勢。


3結論(lun)
經過(guo)以上(shang)理論(lun)分析(xi)及數(shu)值模(mo)拟計(ji)算，得(de)出以(yi)下結(jie)論。
(1)采(cai)用CFD數(shu)值模(mo)拟可(ke)以有(you)效獲(huo)得孔(kong)闆流(liu)量計(ji)内部(bu)的流(liu)場分(fen)布情(qing)🔴況，并(bing)可根(gen)據具(ju)體的(de)應用(yong)場合(he)得到(dao)相🌐應(ying)的計(ji)量流(liu)量和(he)實際(ji)流量(liang)，從而(er)實現(xian)對孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的标(biao)定。該(gai)方㊙️法(fa)能夠(gou)彌補(bu)因受(shou)條件(jian)✨限制(zhi)不能(neng)對孔(kong)闆進(jin)行實(shi)測标(biao)定的(de)缺憾(han)和📞不(bu)足。
(2)配(pei)氣站(zhan)工藝(yi)設計(ji)中，同(tong)一壓(ya)力彙(hui)管，用(yong)戶流(liu)量相(xiang)差極(ji)大時(shi)，應進(jin)🌂行瞬(shun)時水(shui)力分(fen)析，避(bi)免氣(qi)體倒(dao)流現(xian)象影(ying)響孔(kong)闆流(liu)量計(ji)計量(liang)。在本(ben)例中(zhong)，随着(zhe)西城(cheng)CNG管輸(shu)量的(de)上升(sheng)♌，誤差(cha)迅速(su)減小(xiao)，當管(guan)輸量(liang)超過(guo)🍉彙管(guan)入口(kou)流📞量(liang)的10%後(hou)，測量(liang)值與(yu)實際(ji)流量(liang)的相(xiang)對誤(wu)差小(xiao)于15%，不(bu)再⭐影(ying)響到(dao)孔闆(pan)流量(liang)計内(nei)部流(liu)場；孔(kong)闆流(liu)量計(ji)計量(liang)流量(liang)與實(shi)際流(liu)量🔞的(de)相對(dui)誤差(cha)随着(zhe)西城(cheng)CNG管輸(shu)量的(de)增加(jia)而減(jian)小，近(jin)似滿(man)足指(zhi)數衰(shuai)減趨(qu)勢。
(3)本(ben)文所(suo)建立(li)的CFD數(shu)值模(mo)拟模(mo)型同(tong)樣适(shi)用于(yu)對孔(kong)闆附(fu)📞近污(wu)物👄堆(dui)積、孔(kong)闆流(liu)量計(ji)軸向(xiang)入口(kou)銳角(jiao)變鈍(dun)等🍉幾(ji)何形(xing)狀變(bian)化對(dui)流動(dong)情況(kuang)的影(ying)響，還(hai)可以(yi)直接(jie)推廣(guang)到噴(pen)嘴、文(wen)丘裏(li)管等(deng)節流(liu)差壓(ya)式流(liu)量計(ji)的分(fen)析。

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