摘要:多(duo)孔孔闆差壓式流(liú)量計 因其快速平(píng)衡調整流場和有(yǒu)效降低壓力損失(shi)等🐅能👈力得到廣泛(fàn)應用,但其尚缺乏(fá)完整的結構參數(shù)設計💋和性能優化(hua)設計準則。針對提(tí)出的對稱多孔孔(kong)闆差壓式流量計(ji)進行實流試驗,研(yán)究其計量性能并(bìng)與數值模拟結果(guo)進行對🏃‍♂️比分析,結(jié)🌈果表明,對🥰稱多孔(kong)孔闆差壓式流量(liàng)計可有效提高計(jì)量精度(+0.5%)、降低壓力(lì)損失,具有更好的(de)适🏃應性,試驗結果(guǒ)與數值模拟結果(guǒ)具有💜一緻性,驗證(zhèng)了數值模拟的正(zhèng)确性并對新型流(liu)量計進行了标定(dìng)，研究結📞果可有效(xiào)拓寬 多孔孔闆流(liu)量計 的應用範圍(wéi)。
0引言
　　流量計量是(shi)工業生産的眼睛(jīng),廣泛應用于科學(xue)研究、工農業💞生産(chǎn)、國防建設以及人(ren)民生活等領域，諸(zhu)⭕多流量計中,傳統(tǒng)差壓式流量計因(yin)其結構簡單、成本(běn)低、實驗數據豐富(fù)、标準化程度高等(děng)優點,應用最爲廣(guang)泛。但在實際應🐆用(yòng)中很多工況條件(jian)無法滿足🌈測量要(yao)求(如⚽低于标準中(zhōng)推薦的雷諾數範(fàn)圍、測量♊介質中混(hùn)有泥沙等),進而限(xian)制了其應用範圍(wei)。
　　在這些情況下,非(fēi)标準 差壓式流量(liang)計 得到快速發展(zhan)和進一步的應用(yòng)，目前最具代表性(xing)的非标💞準差壓式(shi)流量計主要有錐(zhui)形流量計和多孔(kǒng)孔闆流量計多孔(kong)孔闆流量計不但(dàn)繼承了标準孔闆(pan)流量計的優點，而(er)且能夠快速平衡(héng)調整流場🤞，明顯減(jian)少渦流、降低死區(qu)效應、減少流體動(dong)能損失,在國際上(shàng)引起廣泛關注🔴，自(zì)2006年被引進我國市(shì)場以來,得到廣泛(fàn)應用。但因涉及商(shang)業機密,多孔孔闆(pǎn)流量計的結構參(can)數與流出系數等(děng)計算公式未曾公(gōng)開。爲了掌握該流(liú)量🔞計的核心技術(shù),國内科研技術人(ren)員對其進行了大(da)量研究，主要集中(zhong)于孔闆結構參數(shù)優化及計量性能(néng)等☎️方面.[448。目前,實際(ji)應用中要👌根據不(bu)同測量條件來設(shè)計流量計，缺乏完(wan)整的結構參數設(shè)計和性能優化設(shè)計準則指導。
　　對多(duō)孔孔闆流量計進(jin)行了大量的研究(jiū)工作,結合多😄孔整(zhěng)流器和标準孔闆(pan)聯合使用的測量(liang)原理,提⭕出了一種(zhǒng)對稱多孔孔闆差(chà)壓式流量計的設(shè)計方法(即在中心(xin)節流孔周圍均勻(yún)環形分布若幹孔(kong)),采💋用CFD數值模拟預(yu)測了其内部流場(chang),并研究了孔數量(liang)對多孔孔闆流量(liàng)計流場特性的影(yǐng)響規律[920但數值📧模(mo)拟隻能爲💋研究提(ti)供方向性的指導(dao)，并不能很好的指(zhǐ)導實際生産。本文(wen)基于數值模拟結(jié)果搭建對🔴稱多孔(kǒng)孔闆差壓式🈲流量(liàng)計實流标校試驗(yan)平台,對♌其計量性(xing)能進行試驗研究(jiu)，檢驗了CFD設計成果(guo)♻️的有🈲效性,并對新(xin)型流量計進行了(le)标定。
1多孔孔闆流(liú)量計
　　課題組提出(chū)并設計的多孔孔(kong)闆流量計結合了(le)多孔整流器和标(biao)準孔闆的測量原(yuan)理,基本結構爲在(zài)節流闆中心一個(ge)圓孔的基礎上,對(duì)稱分布數量不等(děng)的圓🏃‍♀️孔,如圖1所示(shì),均勻分布的圓孔(kǒng)🈚的總面積和标準(zhun)孔闆的開孔面㊙️積(ji)相等。流☁️量計整體(tǐ)🌈結構如圖2所示。

　　多孔孔(kong)闆流量計的測量(liang)原理是以能量守(shou)恒定律和質量👄守(shǒu)恒定律爲基礎的(de),即在流量檢測時(shi),所測介質流過圓(yuan)孔🛀的同時進🙇🏻行流(liú)體整流，減小節流(liu)裝置後形成的渦(wo)流,形成較穩定的(de)紊流(近似理想流(liú)體),從而獲得穩定(ding)的差壓信号,根據(ju)伯努利方程計🌈算(suan)出流體的流量:

式(shi)中:Q爲介質流量;K爲(wei)儀表系數;Y爲膨脹(zhang)系數;△p爲差壓值(Pa);ρ爲(wèi)💰介質工☀️況密度。
2數(shu)值模拟
　　針對設計(ji)的對稱多孔孔闆(pan)差壓式流量計,分(fèn)别對開孔數量爲(wèi)🐇1.4、5.7(孔的分布位置如(ru)圖3所示,參數如表(biao)1所示)的流量計采(cǎi)♊用CFD數值模拟技術(shù)分析了其内部流(liu)👄場情況,如圖4所示(shì)，研究🌏了孔數量對(duì)多孔孔闆流量計(ji)流場特性的影響(xiǎng)規律,得出對稱多(duō)孔孔闆差壓式流(liú)量計具有可降低(di)節流件前後渦流(liu)、快速平衡内部流(liú)場(前🌈後直管段要(yào)求:前1D~3D,後0.5D~1D,其中D爲通(tōng)流直徑🈲)、提高測量(liang)精度、降低壓力損(sun)失、适應性更好的(de)優點，随着孔數量(liang)的增加壓力損失(shi)逐漸降低、流出系(xi)數提高的結論。
3試(shi)驗标校平台的組(zǔ)成
　　爲了驗證數值(zhi)模拟的正确性,搭(da)建對稱多孔孔闆(pan)差壓🌈式流量計試(shi)驗标校平台,由對(dui)稱多孔孔闆差壓(ya)式流量計、截止閥(fa)、 差壓變送器 、流量(liàng)調節閥、 電磁流量(liang)計 、水泵和水槽及(jí)管路系統組成,如(ru)圖5所示,其中對稱(cheng)多孔孔闆差壓式(shi)流量計和電磁流(liú)量計與試驗管道(dao)均通過法蘭連接(jiē)。試驗過程中,流量(liang)計工裝示意圖如(rú)圖6所示。
　　工作原理(lǐ)如下:通過試驗管(guan)路變頻調速水泵(bèng)及上遊側流量調(diào)節閥開度的适當(dang)調節,獲得流速0~7m/s連(lián)續☀️可調的流體介(jiè)質,并采用高精度(dù)電磁流量計(作爲(wei)🐆标準器具,精度+0.2%R)測(ce)量實際流量(流速(su)),利☎️用高準.确度差(cha)壓變送🥵器(EJA110E系列、量(liàng)程0~100kPa、精度+0.065%FS)測🈲量壓差(cha)值㊙️及壓力損失值(zhi)。
　　爲了與數值模拟(ni)結果進行比較,相(xiang)應設置保持一緻(zhi)😍性:介質采用水(環(huán)境溫度5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大氣(qì)壓力86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管路規(gui)格DN80(節☎️流元件上下(xia)側直管段長度約(yuē)爲5m,充分保💯證了多(duō)孔平衡流量計🤩測(ce)量中❌對前後直管(guǎn)段研究的要求),取(qǔ)壓方式爲法蘭取(qu)壓(上下遊取壓孔(kǒng)軸線🍓距離多孔流(liú)量計節流件上下(xia)遊端面均爲25.4+0.5mm)。其他(tā)參數爲介質水密(mi)度ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mPa.s、流東(dong)膨脹系數e=1。實流試(shì)驗現場如圖7所示(shì)，試驗用對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liàng)計如圖8所示。

4試驗(yàn)結果分析
　　按要求(qiu)搭建試驗标校平(píng)台,進行實流試驗(yan),獲得流量計☂️試驗(yàn)的差壓與壓力損(sun)失值,如表2所示，并(bing)與數值模拟結果(guo)進行對比,爲了更(geng)爲直觀和分析的(de)方便,将不🛀同開口(kou)數量流量計的壓(ya)力損失值繪制成(cheng)曲線,如圖9所示。

　　由(you)圖9可以看出，對稱(chēng)多孔孔闆差壓式(shì)流量計的壓力損(sun)失比标💯準孔闆流(liu)量計的要小一些(xiē)，并且随着孔數的(de)增加壓力損失呈(chéng)現逐漸減小的趨(qu)勢。
　　流出系數是評(píng)價節流式儀表性(xing)能的最重要參數(shu)之🍉

　　爲實際流量與(yǔ)理論流量的比值(zhi),是統計量,受設計(jì)、制造、安裝及🛀使用(yòng)條件的影響。根據(ju)不可壓縮流體⛹🏻‍♀️的(de)連續性方程和伯(bó)🔞努利方程,定常流(liú)體的體積流量爲(wei):


注:每點标準表數(shù)值Q、差壓值△P、壓損值(zhí)δ記錄3次,爲了節省(sheng)篇幅,取其平均值(zhí)進行表格相應欄(lan)的填寫
　　式中:C爲流(liú)出系數,無量綱;β爲(wèi)等效直徑比，無量(liàng)綱(β2=A0/A,其中A0爲孔闆節(jie)流孔開孔面積,A爲(wei)管道截面面積);d爲(wei)孔闆節流孔等效(xiao)直徑🔴;△p爲壓差;q,爲體(ti)積流量;ρ爲流體介(jiè)質密度😍。
依據式(2)，确(què)定流出系數C的數(shu)值:

　　結合實驗數據(ju)和式(3)得不同開口(kou)數量流量計的流(liú)💯出⛹🏻‍♀️系數,如表3所示(shi),爲了與數值模拟(nǐ)結果進行直觀對(duì)比👉，将不同開口數(shù)量流量計的流出(chū)系數繪制成曲線(xiàn),如圖10所示。
　　由圖10可(ke)以看出,對稱多孔(kong)孔闆差壓式流量(liàng)計的流出🌈系數比(bi)标準孔闆流量計(jì)的要大一些(對于(yú)标準孔闆,其試驗(yàn)範☁️圍内流出系數(shu)平均值爲0.6140,對于多(duō)孔孔闆流量計其(qi)試驗範圍内流出(chū)系數平均值爲4孔(kong)孔闆0.6221、

5孔孔闆0.6268.7孔孔(kong)闆0.6346),随着孔數增加(jiā)流出系數呈現逐(zhú)漸增大的💁趨勢。
　　結(jie)合圖9和10,試驗結果(guǒ)和數值模拟計算(suan)的結果相比,壓力(li)損失與流出系數(shù)的變化趨勢完全(quan)一緻,但在數值上(shàng)存在一定偏差,誤(wu)㊙️差在8%。
流出系數的(de)系統誤差e爲:

　　式中(zhōng):C0爲理論流出系數(shu)，計算方法依據國(guó)際标準IS05167--2003的規定;Ci爲(wei)實際流出系數的(de)平均值。
　　若忽略管(guan)道制造和安裝誤(wù)差以及溫度、流體(tǐ)密度的影響,依據(ju)式(3)可以得到:

　　對于(yú)電磁流量計(标準(zhǔn)表)精度爲0.2級,EJA110E高精(jīng)度壓差傳感器(變(bian)送器)的精度爲+0.065%,經(jing)計算,流出系數的(de)不确定度爲4孔+0.467%、5孔(kǒng)士.0.439%.7孔+0.446%,即流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼出系數(shu)的誤差均不超過(guo)士0.5%,由🛀🏻此并基于流(liú)出系數定義可見(jian)流量計的計量精(jing)度爲0.5%。
5結論
　　本文對(dui)多孔孔闆差壓式(shì)流量計進行了實(shí)流試驗,分析了标(biao)準孔闆與對稱多(duo)孔孔闆流量計的(de)計量性能并與數(shù)值🔅模拟💃結果🛀進行(hang)對比,結論如下。
1)實(shí)流試驗結果與CFD數(shu)值模拟結果在趨(qū)勢上體現出完全(quan)的一緻性,但在數(shu)值上存在一定的(de)偏差,因此CFD計算結(jie)果并不能完全代(dài)替試驗研究的成(cheng)果。但是這種偏差(cha)并不是很大，作爲(wei)工程上的估算其(qi)精度能夠滿足要(yao)求。
2)通過對稱多孔(kǒng)孔闆差壓式流量(liàng)計的實流标定,結(jié)果顯示🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流出系數(shu)C相對于标準孔闆(pan)流量計有較大的(de)提高,量程範圍大(da)大拓寬,是一種可(kě)以應用于實㊙️際測(cè)量的新型流量計(ji)産品。具體性能😘指(zhǐ)标如下:精度+0.5%;前後(hou)直管段要求💁爲前(qián)1D~3D,後0.5D~1D。
3)對稱多孔孔闆(pan)差壓式流量計具(ju)有壓力損失小、流(liu)出系👅數高、适應性(xing)好等特點，完全可(kě)以直接應用于👅工(gōng)程中目前該✊流量(liang)計已經在市場得(de)到應用,一定程度(du)上拓寬了其應用(yòng)範圍

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