摘要(yào):因多種工況條(tiao)件無法滿足測(cè)量精度要求，傳(chuán)統 差壓式流量(liang)計 應用範圍受(shòu)到一定限制。基(jī)于多孔整流器(qì)和标準孔闆的(de)流量測量原理(lǐ)，提出一種對稱(cheng)多孔孔闆差壓(yā)式流量計 的設(she)計方法。然後對(dui)該流量計進行(háng)計算流體動力(lì)學(CFD)數✊值計算與(yu)仿真分析，結果(guǒ)表明多孔孔闆(pan)差壓式流量計(jì)測量精度較标(biāo)準孔闆流量計(ji)提高1倍以🔴上，永(yong)久壓力損失減(jian)小約1/3。最後進行(háng)實流試驗，試驗(yan)結果表明，多孔(kong)孔闆流量計比(bǐ)常規标準🐆孔闆(pan)節流裝置具有(you)明顯的優勢，其(qi)适應性更好。此(ci)設計方法❗可爲(wei)多孔孔闆流量(liàng)計的結構設計(jì)和性能優化提(tí)供參考。
0引言
　　流(liu)量計量是計量(liang)科學技術的重(zhòng)要組成部分，廣(guang)泛應用于農業(yè)生産、石油石化(hua)、科學研究、國防(fang)建設以及人民(mín)生活的諸多領(ling)域。尤其在能源(yuán)危機的後經🐅濟(ji)時代，流量計量(liang)的重要性日⛹🏻‍♀️益(yì)突出。相比其它(ta)流量計，傳統差(chà)壓式流🚶‍♀️量計因(yīn)結構簡單、成本(ben)低、重複性好、标(biao)準化程度高等(deng)特點得到廣泛(fàn)應用，但隻有在(zai)符合标準要🔴求(qiu)的技術條件下(xia)，才能準确地測(ce)量🐉流量。然而，工(gong)程實際應用中(zhong)，很多工況條件(jian)不能滿足上述(shù)要求，從而無法(fǎ)達到所需要的(de)測㊙️量精度(雷⛹🏻‍♀️諾(nuo)數低于标準中(zhong)推薦的雷諾🔆數(shù)範圍、測量介質(zhi)中👨‍❤️‍👨混有泥沙等(děng))進而限制了其(qí)應用範圍。
　　爲了(le)改善上述缺點(dian)，非标準差壓式(shì)流量計得到快(kuai)速發展和進一(yī)步的應用。基于(yu)差壓原理的多(duo)孔孔闆流🌂量計(ji)不但繼承🈲了标(biao)準孔闆流量計(ji)的結構簡單、無(wú)運動部件等優(you)點，且能夠平衡(heng)調🛀整流場，明顯(xiǎn)減少渦流、降低(dī)死區效應、減少(shao)流體動能的損(sǔn)失，是🏒目前應用(yòng)最爲廣泛的一(yī)種非标準差壓(ya)式流量計。但在(zài)國内，多孔孔闆(pan)流量計的相關(guān)核心技術🔞研究(jiū)相對較少，實際(ji)應用中要💋根據(ju)不同測量條件(jian)來設計流量計(jì)，缺乏完整👄的結(jie)構參數設計和(hé)性能優化⛱️設計(ji)準則的指導，在(zài)一定程度上遠(yuan)未達到用戶之(zhī)首選。
　　綜上所述(shu)，針對多孔孔闆(pǎn)流量計的結構(gou)設計和性能優(you)化國🏒内已有一(yi)些研究，但缺乏(fa)統一的設計準(zhun)則，不利于工程(cheng)應用。
　　結合多孔(kong)整流器和标準(zhun)孔闆聯合使用(yong)的測量原理🈚，提(ti)出一種對稱多(duo)孔孔闆差壓式(shì)流量計的設計(ji)方法，采用🌈計算(suan)📱流體動力🌂學(CFD)技(ji)術進行數值計(jì)算與仿真分🤩析(xi)。與标準孔闆對(dui)比分💘析其流出(chū)系數及永久壓(ya)力損失等性能(néng)指标，分析結果(guo)說明了其優越(yue)性。最後通過實(shí)流實驗驗證了(le)設計的合理性(xing)。此設計方法可(kě)爲多孔孔闆流(liú)量計的結構設(shè)計和性能🚶‍♀️優化(huà)提供一定的參(can)考。
1多孔孔闆流(liu)量計
　　 标準孔闆(pǎn)流量計 是使用(yòng)最早、應用最廣(guǎng)泛的一種差壓(yā)式流量計，具有(yǒu)結✂️構🐆簡😘單📧、測量(liàng)精度高等特點(diǎn)。其測量原理爲(wei)對❤️于充滿管道(dào)的流體，當它流(liu)經管道内的節(jie)流件時，流體介(jie)🔴質将會在節流(liu)件處形成局部(bù)收縮，因而流🔴速(su)增加，靜壓力降(jiàng)低，于是在節😄流(liú)件前後便産生(shēng)了一定的壓差(cha)。流體流量愈大(da)，産生的壓👌差愈(yu)大，這樣可依據(jù)壓差🏒來衡量流(liú)量的大小。根據(ju)不可壓縮流♻️體(ti)的連續性方程(cheng)🌈和伯努利方程(cheng)，定常流體的體(tǐ)積流量可以通(tong)過如下公式表(biao)示［8］:

　　式中:C爲流出(chū)系數，無量綱;β爲(wei)等效直徑比，無(wú)量綱;D爲孔闆直(zhi)🔞徑;Δp爲壓差，單位(wèi)爲Pa;qv爲體積流量(liàng)，單位爲m3/s;ρ爲流體(ti)介🚶質密度。
　　多孔(kǒng)孔闆流量計具(jù)有對稱多孔結(jié)構，是目前最先(xiān)進的差壓式流(liu)量計之一。相比(bǐ)傳統差壓式流(liú)量計💰，不僅👈結構(gòu)簡單、安全🧑🏽‍🤝‍🧑🏻可靠(kao)、适用面廣，還具(ju)有精度高、直管(guan)段要求低、量程(cheng)比寬、永久🏃‍♂️壓損(sun)小📐等優點。
　　多孔(kǒng)孔闆流量計的(de)測量原理基于(yú)能量守恒定律(lü)和🌈質🎯量守恒定(dìng)律。流量檢測時(shí)，所測介質在通(tong)過多孔節流整(zheng)流器的同時進(jin)行流體整流，減(jian)小節流裝✏️置後(hou)形成的渦流，形(xing)成較穩定的紊(wěn)流，從而使引壓(ya)管路能夠🧑🏾‍🤝‍🧑🏼獲取(qǔ)到較⛹🏻‍♀️穩定的差(chà)壓信号，并進一(yi)步通過伯努利(li)方程計算得出(chū)工藝所需體積(ji)流量、質量🈲流量(liang)等參數［12-16］。
2對稱多(duo)孔孔闆差壓式(shi)流量計結構設(she)計
　　在工程實際(jì)應用中，每個多(duo)孔流量計都要(yào)根據不同測量(liàng)條件來設計，其(qi)開孔面積、節流(liú)孔的大小、節流(liu)孔😘的具體形狀(zhuàng)、節流孔個數及(jí)排列方式等結(jié)構參數均會對(duì)多孔孔闆流量(liang)計🌈的性能産生(sheng)影響。由于缺乏(fa)完整的結構參(can)數設計和性能(neng)優化設計準則(zé)的指導，在一定(ding)程度上☁️限制了(le)其應用範圍。對(dui)于🥵不同的測量(liàng)函數孔的數量(liàng)、如何分布函數(shù)孔以及🌈函數孔(kǒng)的♋結構等⚽無疑(yí)是最主要的設(shè)計參數，目前💛還(hai)沒有統一的标(biao)準。
　　結合多孔整(zhěng)流器和标準孔(kong)闆的測量原理(li)，提出并設計流(liú)量計的孔闆結(jie)構爲在節流闆(pan)中心一個圓孔(kǒng)的基礎上，對稱(chēng)分布數量不等(děng)的圓孔，如圖1所(suǒ)示，均勻分🏃‍♂️布的(de)圓孔的總⭐的面(mian)積📐和标準孔闆(pǎn)的面積相等。

　　當介(jie)質流過圓孔時(shí)，流體被平衡調(diao)整，渦流被最小(xiǎo)化，形成近似理(lǐ)想流體，通過取(qǔ)壓裝置和變送(sòng)器，可獲得穩定(dìng)♌的差壓信号，根(gen)據伯努利方程(chéng)計算出流體的(de)流㊙️量:

　　式中:Q爲介(jie)質流量，單位爲(wei)m3/h;K爲儀表系數;Y爲(wei)膨脹系數;Δp爲差(cha)壓值，單位爲Pa;ρ爲(wei)介質工況密度(du)，單位爲kg/m3。
　　基于以(yǐ)上對稱多孔孔(kǒng)闆差壓式流量(liàng)計結構設計的(de)方法🏃🏻‍♂️，以孔闆管(guǎn)徑80mm、等效直徑比(bi)0.45、測量介質爲常(chang)溫水的條件🈲進(jìn)行研究。首先建(jian)立多孔孔闆流(liú)量計的計算模(mó)型，如圖2所示。參(can)照流量測量節(jie)流裝置設計手(shǒu)冊建立流量計(jì)的幾何尺寸，在(zai)流量計測量的(de)上下遊部分設(shè)計有一定的😘直(zhí)管段來确♍保流(liú)量計在🌂測量的(de)時候🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流體的流(liú)場處于一種均(jun)勻穩定的狀态(tài)并使因節流而(er)被破壞的流場(chang)能夠恢複到節(jiē)流前的狀态。

3多孔孔闆(pan)流量計
　　依據流(liú)量計的設計尺(chi)寸，在Creo3.0中建立其(qí)三維計算模型(xing)🏃‍♀️，取闆前4D、闆後8D的(de)流場區域作爲(wei)計算域，并将其(qí)導入ICEM專🙇‍♀️用劃分(fèn)網格軟件中進(jin)行網格劃分，網(wǎng)格的劃分采用(yòng)全六面體結構(gou)化網格的劃分(fèn)方法，對計算域(yu)進行局部加密(mi)以保證計算精(jing)度，網格💔劃分結(jie)果如圖3所示。

　　由于多孔孔(kǒng)闆流量計的流(liú)場情況較爲複(fu)雜，對湍流模型(xing)的要求較高，本(ben)文采用工程上(shàng)常用的Standardk－ε湍流模(mó)型，其方程式表(biǎo)述如下［15］:

　　式中:k是(shì)湍流動能;ε是湍(tuan)流耗散率;ρ是流(liu)體密度;μ是流📐速(su);μt是湍流🌏粘度;Gk是(shì)由層流速度梯(tī)度而産生的湍(tuan)流動能;Gb是由浮(fú)力産生的湍⛹🏻‍♀️流(liú)動能。C1ε、C2ε、C3ε是常量，分(fèn)别爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是☔k方程和(he)ε方程的💋湍流prandtl數(shù)，分别爲σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入(ru)口條件爲速度(dù)入口(velocity-inlet)，出口爲自(zì)由發展出流(outflow)，以(yi)🔴各項參數的殘(cán)差小于0.00001爲收斂(liǎn)标準，分别計算(suan)0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等幾種🔞入口流(liú)速下流量計的(de)流場特性。文中(zhōng)給出幾種典型(xing)⭕流速條件下的(de)計算結果，如圖(tú)4所示。


　　由圖4可(ke)以看出，入口流(liú)速在0.2～7m/s時多孔孔(kǒng)闆流量計下遊(yóu)速度彙🔞聚趨勢(shì)明顯，相比于标(biāo)準孔闆其壁面(miàn)回流區較小，但(dan)随入口流速不(bú)斷增大回流區(qū)長度随之增大(dà)，變化範👣圍爲0.5D～1.2D。由(yóu)此可見，多孔孔(kong)闆流量計尾流(liu)流場能夠快速(su)進入穩定狀👨‍❤️‍👨态(tai)。闆前死區較小(xiǎo)，且💚随流速增大(dà)💋而逐漸增大。
　　通(tōng)過Fluent求解計算獲(huo)得孔闆前後的(de)差壓值，進而得(de)到☂️流🈲量計的✍️永(yong)⁉️久壓力損失。取(qǔ)壓口設置爲上(shang)下遊取壓口距(ju)離孔闆上下遊(yóu)端面的距離爲(wèi)0.04m，通過在Fluent中定義(yì)相應取壓面，分(fen)别求取上下遊(you)取壓面的平均(jun)壓力值，獲得壓(ya)差值和永久壓(ya)力損失值如下(xia)表1所示。不同入(ru)口流速下，标準(zhǔn)孔闆流量計和(he)🔴多孔孔闆流量(liang)計的永久壓👈力(li)損失的對比情(qing)況如表1和圖5所(suǒ)示。

　　由表1和圖5可(ke)以看出，随着入(rù)口流速的不斷(duàn)增大，多孔孔闆(pǎn)流量計的永久(jiu)壓力損失呈逐(zhú)漸增大的趨勢(shì);相比于标準孔(kong)闆流量計，由于(yú)渦流的減少，多(duo)孔孔闆流量計(jì)具有更小的永(yong)久壓力損失，永(yong)久壓力損失較(jiào)标準孔闆節流(liu)裝置降低約1/3。
　　圖(tú)6所示爲不同流(liu)速下，多孔孔闆(pan)和标準孔闆流(liú)量計的流出系(xi)數對比曲線。由(yóu)圖6可知，多孔孔(kǒng)闆流量計的流(liú)出系數較标準(zhǔn)孔闆流出系數(shu)有明顯提高🌍，同(tóng)時随着流速🈲的(de)變化流出系數(shu)能夠保持良好(hǎo)的穩定性。

　　爲了(le)檢驗所設計的(de)多孔孔闆差壓(yā)流量計的性能(neng)㊙️指标🌈，和🏃🏻‍♂️标準孔(kong)闆節流裝置進(jin)行了實流試驗(yan)，結合現場🤩使用(yong)反饋情況，其性(xing)㊙️能指标對比如(rú)表2所示。

4結論
　　以(yi)管徑80mm、節流比β=0.45的(de)多孔孔闆爲對(duì)象，通過對不同(tóng)入口流速❌下的(de)多孔孔闆流量(liàng)計進行分析，得(de)出此種流量計(ji)節🔞流件前後産(chǎn)生的渦流大大(da)降低，無需很長(zhang)的直管段整流(liu)，顯著提高了測(cè)量精♉度;永久壓(yā)力損失由于渦(wō)流的減少較标(biāo)準孔闆節流裝(zhuāng)置降低了約1/3。試(shì)驗對比分析表(biǎo)明，多孔孔闆流(liú)量計比常規标(biao)準孔闆節⁉️流裝(zhuang)置具有明顯的(de)優勢，其适應性(xing)更🌍好。

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