目前,在(zai)各種工業生産中(zhong)流量的測量非常(chang)重要,因此各種📧各(ge)♊樣的 流量計 層出(chu)不窮。壓差類的流(liú)量計由于價格較(jiào)低，使用的經驗豐(fēng)富,經過長時間的(de)研究,精度越來越(yuè)高，所以🔴應用非常(cháng)廣泛”。其中雙向内(nèi)外管壓差流量計(jì) 具有對流體的擾(rǎo)動小和獲得壓差(cha)信号大的優點田(tian),但需要☔對🔞雙向内(nei)外管壓差流量計(jì)的結構參數進行(háng)進YI 步的優化。影響(xiǎng)雙向内外管壓差(chà)流量計性能的參(cān)數有很多，以往的(de)研究大部分是對(dui)節流件的1個或2個(ge)結構參數進行同(tong)時優化,不夠全面(miàn)印,如果對3個及以(yǐ)上結構參數同時(shi)優化，便需要進行(háng)大量的仿真工作(zuo)，爲提高效率，對仿(pang)真軟件進行🈲二次(ci)開發。傳統的仿真(zhēn)✊軟件FLUENT難以滿足需(xu)求，而COMSOLMultiphys-ics仿真軟件可(ke)以導出M文件,在MATLAB中(zhong)運行程序可以自(zi)動🔞仿真并提取數(shu)據，二次開發難度(du)低甲。如果COMSOL的仿真(zhen)效果達到要求,那(na)麽在雙向🈚内外管(guǎn)壓差流量計的♍仿(páng)真中,COMSOL仿真軟件便(bian)可取代FLUENT.
1流量計原(yuan)理
　　雙向内外管壓(ya)差流量計的基本(ben)結構如圖1所示。安(an)🔴裝🌐節流件的管道(dào)直徑選爲32mm。雙向内(nei)外管壓差流量計(ji)節流件🌈的長度對(duì)流量計的性能影(ying)響可忽略,爲了方(fang)便測量,将節流件(jian)大管長度定爲30mm,節(jiē)流件的厚🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度定爲(wei)2mm。

　　根(gen)據連續方程和伯(bo)努利方程5的原理(li)可知，流體在通過(guo)節流件時,在I-I平面(miàn)，外流道流體體積(jī)壓縮,流速增大,流(liu)體壓力減小,而内(nei)流道流體擴散,流(liú)速減小，流體壓力(lì)增大;在II-II平面,内外(wài)流道比較平穩，流(liu)速和壓力都趨于(yu)穩定:在亞一I平面(mian),與I-I平面情況相反(fǎn)，外流道擴散,流🍓速(sù)減小，流體壓力增(zeng)大，而内流道流體(ti)🔆壓縮,流速增🌈大，流(liu)體壓力減小。如此(cǐ)--來,在II-II段節流件内(nèi)外就會形成最大(dà)的壓差:
△P=P内一P外(1)
式(shi)中:△P爲内外壓差;P内(nei)爲内測點的水壓(ya);P外爲外測點的🐉水(shuǐ)壓❓。
與傳統壓差類(lei)流量計的測量公(gong)式類似,流量Q的計(ji)算公式爲:

　　式中:C爲(wei)流出系數;A爲流道(dào)截面積,m2;λ爲等效直(zhí)徑比;ρ爲流體密度(dù)♉,kg/m3。
　　影響流量計測量(liàng)JINGDU 的主要因素是水(shuǐ)頭損失。水頭損失(shī)包🚶括沿程水頭損(sun)失和局部水頭損(sun)失。局部水頭損失(shī)是指因局部邊🔅界(jie)急劇改變導緻水(shuǐ)流結構改變、流速(su)分布改變并産生(sheng)旋渦‼️區而引起的(de)水頭損失。沿程水(shuǐ)頭損失是指在固(gu)體邊界平直的水(shui)道中，單位質量的(de)✌️液體自一斷面流(liu)至另一斷面所損(sun)失⛷️的機械能，這種(zhong)❓水頭損失是沿🛀🏻程(chéng)都有,并且随沿程(cheng)長度而增加。影響(xiang)局部水頭損失的(de)因素主要是節🎯流(liú)件異徑比h、節流件(jiàn)的大管半徑R,影響(xiang)沿程水頭損失的(de)因素主要是擴散(san)角θ。
2二次回歸正交(jiao)試驗設計.
　　回歸正(zhèng)交試驗是在因素(su)的合理變化範圍(wéi)内選取有限個試(shì)驗點安排模拟計(ji)算統計,根據有限(xian)個試驗點建立具(ju)有🐉一定🏃‍♂️可信🐉度的(de)回歸方程，當各個(gè)結構參數确定之(zhi)🔅後，可利用回歸方(fāng)程進行估算見,。選(xuan)擇優化的主要參(cān)數是異徑比k、擴散(sàn)角θ和節流件的大(da)管半徑R.采💰用二次(ci)正交回歸組合設(she)計的試驗方法，首(shou)先設定3個控制參(can)數的變化範圍:異(yì)徑比k爲0.5~0.9;擴㊙️散角θ爲(wei)4°~10°;節流件的大管半(ban)徑R爲5~9mm。依據🐉二次回(hui)歸正交試驗的設(shè)計原則，可以得到(dao)各組試驗的結構(gòu)參數見表1。

3COMSOL與FLUENT仿真(zhēn)對比
　　利用SolidWorks建立三(san)維模型,導入仿真(zhen)軟件進行網格劃(hua)分🏃‍♀️。按❌照網格劃分(fen)的原則,參數變量(liang)變化梯度大的區(qu)域需要采用較爲(wei)密集的♻️網格劃分(fèn)方法以提高精🌐度(dù),變化👣梯度小的區(qū)域采用較爲稀疏(shū)✌️的網格劃分🌈方法(fǎ)以節❌省計算資源(yuán)。節流件前後的流(liú)🔴場劃分的網格稀(xī)疏,節流件周圍的(de)流場劃分的👈網格(gé)密集回。FLUENT仿真軟件(jiàn)劃分的網格爲非(fēi)結構四面體，将整(zheng)🈲個流場進行網格(gé)劃分💛後,網格數量(liàng)在30000左右,如圖2所示(shi)。COMSOL仿真軟件劃分的(de)網格在靠近邊界(jie)的流👌場👉爲六面體(ti),其他區域的網格(ge)爲非結構四面體(ti),将整個流場進行(háng)網格劃分後，網‼️格(gé)數量🙇🏻在100000左右，如圖(tú)3所示。兩種軟🏃🏻件的(de)網格劃分方法相(xiàng)比較,COMSOL對流場的網(wǎng)格劃分更加正确(que)。

　　雙向内外管壓差(cha)流量計的節流件(jiàn)采用對稱結構,流(liu)場🈲雖然📞被分爲内(nei)外兩個部分，但在(zai)節流件中部有一(yi)-段穩定流🌈态的直(zhí)管段,當流體流過(guo)節流件後，内外兩(liǎng)流道又合并爲一(yi)個流道,其中流體(ti)的流.速和壓力逐(zhú)漸穩定，在流場中(zhong)并沒有過大的壓(ya)力梯度,所以湍流(liu)模型選擇K-ε模型。标(biao)準的K-ε模型現已經(jīng)過⭐許多改進,其💋中(zhong)RNGk-ε模型來源于嚴格(gé)的統計技術,提高(gao)了精度和可信度(du),在FLU-ENT仿真中可以選(xuǎn)擇RNGK-ε模型[10),但是在COMSOL仿(páng)真中隻能籠統地(dì)選擇K-ε模型。
　　仿真介(jiè)質選擇液态水，溫(wen)度20C,爲不可壓縮流(liu)體，出口條件❄️爲outflow,試(shì)驗均在入口流速(su)2m/s.的條件下進行仿(pang)真。在求解器的設(shè)置方面,兩種軟件(jiàn)均選擇“叠代或容(róng)差”的終止條件。
　　由(you)于FLUENT與COMSOL軟件中均可(ke)設置對稱面，因此(ci)在構建三維模型(xing)時可以🚶‍♀️僅構建半(ban)個流場區域,以方(fāng)便觀察截面.上✉️的(de)壓力分布。在仿真(zhen)的後處理中,壓力(li)測量點需要設置(zhi)在流⭕場穩定💃的區(qū)域，故計算🔞壓損的(de)前後壓力測量點(dian)設置在節流件的(de)前後1個管🈲徑距離(lí)的位置,計算壓差(chà)信号的兩個壓力(lì)測量🔅點設置在節(jie)流件中心和外流(liú)道中心0。
4仿真結果(guo)和數據分析
　　對于(yu)雙向内外管壓差(chà)流量計而言,内外(wai)壓差信号大的條(tiáo)件下,壓損越小越(yue)好,故選取内外壓(yā)差信号與壓損的(de)差值🌐，即壓損差,作(zuò)爲雙向内外管壓(yā)差流量計的評價(jia)指标。按照前文設(shè)✌️置的結構參數建(jian)立15組三維模型,分(fèn)别利用FLUENT與COMSOL進行仿(pang)真,根據仿真結果(guǒ),記錄内外壓差信(xin)号,将COMSOL和FLUENT仿真數據(jù)的差的絕對值與(yǔ)FLUENT數據的比值⚽定義(yi)爲誤差比，内外壓(ya)差信号數據對比(bi)見表2,用同樣🌈的方(fang)法記錄兩種軟件(jiàn)仿真結果的前後(hou)壓損和壓損差,并(bìng)計算出誤差💃🏻比,數(shù)據對比見表3、表4。繪(hui)制的誤差比折線(xiàn)圖如圖4所示。




　　通過(guo)觀察表中數據可(ke)得到規律:COMSOL仿真數(shu)據與FLUENT仿真數據的(de)誤差随着FLUENT仿真數(shù)據的增大而增大(dà)。同時對比折線圖(tú)可發現各組數據(jù)的誤差比均維持(chí)在較💯低且穩😘定的(de)水💔平。這樣🤞的誤差(chà)比對于🏃‍♂️後續拟合(hé)二次回歸方程以(yi)及計🍓算方程的最(zui)優解影響很小。
　　分(fen)别導出一組試驗(yàn)的仿真壓力雲圖(tú)進行對比，如圖🔱5、圖(tu)6所示。由圖可知，壓(yā)力分布基本相同(tóng)，COMSOL的壓力雲圖更加(jiā)立體直觀，視覺效(xiào)🏃🏻果比FLUENT更好。


5結束語(yu)
　　以雙向内外管壓(yā)差流量計節流件(jian)的異徑.比h:擴散角(jiǎo)θ和節流件的大管(guan)半徑R3個結構參.數(shù)爲優化目标，設計(ji)了二次回歸正‼️交(jiāo)試驗，分别用FLUENT和COMSOL進(jìn)行仿真、記錄數據(jù)。通過COMSOL仿真所得的(de)數據與通過♉FLUENT仿真(zhēn)所得的數據相比(bi),雖然有浮動,但是(shi)誤差比卻維持在(zai)一個較低且穩定(ding)的水平,因此，使用(yong)COMSOL代替FLUENT進行雙向内(nèi)外管壓差流量計(ji)的仿真。COMSOL的仿真過(guo)程可保存爲M文件(jian)🐇,方便利用MATLAB對COMSOL進行(hang)二次開發，對雙向(xiàng)内外管壓差流量(liang)計更多結構參數(shù)進一步優化。

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