摘要:多孔(kong)孔闆流量計
是一(yi)種比傳統的差壓(ya)測量裝置更優良(liang)的新型差壓式流(liú)量測量裝置,但其(qi)函數孔的确定目(mù)前沒有統一的标(biāo)準。針對該問題,采(cǎi)用CFD仿真軟件,在相(xiàng)同等效直徑比的(de)情況下,針對多孔(kǒng)🛀🏻孔闆的函數孔結(jié)構,研究了開孔數(shù)目、孔分布以及倒(dǎo)角等因素對于減(jiǎn)少壓力損失所起(qǐ)到的影🐇響和作用(yong)。根據仿真研究♊結(jié)果,制作了🈲一種多(duō)孔孔闆流量計進(jin)行流體試驗，試驗(yàn)結果表明該方法(fa)的正确率。.
0引言
孔(kǒng)闆流量計
因其結(jie)構簡單、耐用而成(chéng)爲目前國際上标(biāo)準化程度高、應用(yong)最爲廣泛的一種(zhǒng)流量計,但也存在(zài)着流出系☁️數不.穩(wen)定、線性差、重複性(xìng)不高、永久壓力損(sǔn)失大等缺點“。美國(guó)馬歇爾航空飛行(háng)中心設計發明的(de)一-種新型差壓式(shì)流量測量裝置，即(jí)多孔孔闆流量計(jì)(又稱爲平衡流量(liàng)計)田。多孔孔闆流(liu)量計對傳統♋節流(liu)裝置有着✔️極大的(de)突破,與傳統差壓(ya)式流.量計相比較(jiao),具有永久壓力損(sǔn)失小、精密度高、量(liàng)程比大、直管段短(duan)等優點。
多孔孔闆(pǎn)流量計測量原理(lǐ)圖如圖1所示。雖然(ran)多孔孔闆的結🌈構(gòu)與标準孔闆不同(tóng),其測量原理還是(shì)節😄流測量,因此在(zài)流量計算時仍可(kě)采用标準孔闆的(de)經典計算公式🈚國(guo):
式中:Q爲管道中流(liú)體的流量;K爲無量(liang)綱系數;△p爲孔闆✏️節(jiē)🔞流前後的壓力差(chà);ρ爲流體密度。
多孔孔(kǒng)闆流量計每個孔(kǒng)的尺寸和分布基(ji)于獨特的公式和(hé)國測試數據定制(zhì)，稱爲函數孔。至于(yú)函數孔是如何💔定(ding)制,與哪些因⭐素有(you)關,主要由什麽參(cān)數來決定的，目前(qian)還沒有📐相關的文(wén)獻可以查閱。對于(yu)如何定制函數孔(kǒng)，缺少一個統♊--的标(biāo)準。以因節流而産(chǎn)生的壓力損失作(zuò)爲對比參照，通過(guò)仿真對函數✏️孔結(jie)構的研究，主要包(bao)括多孔孔闆開孔(kǒng)數量、孔的分布以(yi)及🔞倒角等🔱因素對(duì)減小壓力損失所(suǒ)起到的⛷️影響和作(zuo)用,對于函數孔的(de)制定有一定🏃🏻的指(zhǐ)導意義;爲函數孔(kong)制定标準化奠定(dìng)基礎,将有助于推(tuī)動多孔孔闆的孔(kǒng)函數的研究與應(ying)用進展。
1函數孔結(jie)構的研究
以内徑(jing)D爲50mm、等效直徑比β=0.35的(de)孔闆中,流動介質(zhi)純水爲研究對象(xiàng),參考标準孔闆在(zài)實際工業應用和(he)本次仿真模拟，爲(wèi)保證流體能夠以(yi)充分發展、理想的(de)湍流狀态🚶♀️進入流(liú)量計,設計有長👈度(du)分别爲10D、14D的上下遊(you)直管段5。在此基礎(chǔ)上做了3組不同的(de)仿真模拟,并且🏃選(xuǎn)定其中一🔱個模拟(nǐ)結果的設計方案(an)進行實流實💘驗,通(tong)過對比實流實驗(yàn)結果與模拟仿真(zhen)結果從而驗證仿(páng)真🥰結果的正确率(lü)。
1.1對開孔數量的研(yán)究
在此先研究孔(kong)的結構爲無倒角(jiao)的情況,對數量研(yán)究的時候要求其(qi)他參數均是相同(tóng)的，包括有孔分布(bu)以🐆及孔的結構。設(shè)計時在-一個多孔(kong)孔闆.上每個💁小孔(kong)的♋直徑是一樣的(de)，由等效直徑比🔴的(de)定義可知開孔直(zhi)徑爲
數;An爲每個小(xiǎo)孔的面積;A2爲是管(guan)道的截面積。
設計(ji)原則爲:把孔隻分(fen)布在以孔闆的中(zhōng)心爲圓心的一個(gè)圓周上(孔在這個(ge)圓周，上分布的時(shí)候不能夠出現相(xiàng)交的情況,初步🏒選(xuǎn)定圓周的半徑爲(wei)12mm)。受條件的限😍制,本(ben)次研究對💁象的開(kāi)孔數最小爲1個,最(zui)大爲16個。無倒角說(shuō)明節流孔的厚度(du)與孔闆的厚度相(xiang)同,其示意圖如圖(tú)2所示。
1.2對節流孔分(fen)布的研究
将節流(liu)孔(無倒角)均勻分(fen)布在兩個同心圓(yuán)或者兩個同心圓(yuan)㊙️以及孔闆的中心(xīn)上。調整同心圓的(de)大小,即改變的同(tóng)心圓大小d1;d2示意圖(tu)如圖3所示。
1.3對倒角的研究(jiū)
參考流量測量節(jiē)流裝置設計手冊(cè)回可知标準孔闆(pan)傾💰斜角是在下遊(you)端面,其大小可以(yǐ)爲45°±15°，文中将分2種情(qíng)💔況研✨.究:下遊端面(mian)有45°倒角;上下遊端(duān)面均有45°倒角。
2模拟(nǐ)仿真
模拟仿真是(shì)通過CFD軟件包fluent來完(wán)成的。
2.1建模與劃分(fen)網格
建模與劃分(fen)網格都是在CFD前置(zhì)處理器gambit中完成的(de)。圖4爲上遊直⭐管段(duàn)10D,下遊直管段14D的多(duo)孔孔闆流量計的(de)仿真模型。
文中直接選(xuan)用體網格來劃分(fen)網格。選用體網格(gé)的Element爲Tet/Hybrid即四🈲面體/混(hun)合，同時選定TGrid作爲(wèi)Element的Type。爲了提高計算(suàn)🚩精度，需對網格做(zuo)局🌈部加密,考慮到(dào)在節流前後壓力(lì)會急劇變化,因此(ci)對節流前後的直(zhí)管段以及多孔孔(kong)闆做局部加密處(chù)理。該文在對多孔(kǒng)孔闆劃分網格時(shi)候選用的節點間(jian)距爲0.5,在多孔孔闆(pǎn)前後4D的♋直管段劃(huà)分網☂️格時候選用(yong)節點間距爲3,其餘(yú)部分的節點間距(ju)爲6。網格單元的數(shu)量爲💁398642萬。網格劃分(fèn)結🙇♀️果如圖5所示。
2.2模(mó)型的求解
在本文(wen)中選用壓力基求(qiú)解器就能滿足要(yào)求們。
本文中入口(kǒu)的雷諾數較大,流(liu)動爲湍流,需要設(shè)置湍流模型，采🐅用(yong)Realizablekε模型。
邊界條件的(de)設定:入口邊界類(lei)型設定爲速度入(ru)口,即veloc-ity-inlet入🙇♀️口的湍流(liú)參數指定方式選(xuǎn)用kandepsilon,出口邊界類型(xíng):設定爲自由出😘流(liu)outflow,孔闆處爲默認内(nèi)部邊界條件inte-rior,其🚩餘(yu)爲均爲無滑移外(wài)部☔壁面,熱傳輸模(mo)型爲絕熱。
2.3仿真結(jié)果
本文主要是研(yán)究因節流而産生(shēng)的壓力損失(即節(jiē)流前後的♊靜壓差(chà)),爲此以節流前後(hou)的壓差作對比研(yan)究。
2.3.1對多孔孔闆開(kai)孔數量的研究
給(gei)定的速度入口的(de)初始速度爲1m/s。對一(yi)段長爲1.2m(等于💯前後(hòu)直管段長度24D)的直(zhi)管道進行模拟仿(páng)真,參數設置以及(jí)湍流模型的選擇(zé)與上述模拟相同(tóng)，結果可❄️得直管段(duan)的沿程壓力損失(shi)爲314Pa。由，上述仿真計(jì)算結果的進出口(kǒu)壓力差💰減去直管(guǎn)☔道的沿程壓力損(sǔn)失，即可得到節‼️流(liu)前後的差壓。開孔(kǒng)數量🙇♀️和差壓的關(guan)系如圖6所示♉，開孔(kong)數量和差壓♋信号(hào)的關系如表1所⭐示(shi)。
由圖6可知,随着開(kāi)孔數量的增加,在(zài)開始階段壓損能(néng)夠明顯減☎️少，當開(kāi)孔數達到12時壓損(sun)達到最小值，随後(hou)♉壓損又增大。
由表(biǎo)1可以看出，等效直(zhi)徑比爲0.35的多孔孔(kong)闆最佳的🌈.開孔❄️數(shù)是12,與開孔數爲1的(de)孔闆相比較減小(xiao)約29.4%的壓力損失。
2.3.2對(dui)節流孔分布的研(yan)究
由方案設計可(ke)知,本階段研究主(zhu)要有2種情況:
(1)同心(xin)圓沒有中心孔，以(yi)開孔數12爲研究對(dui)象;
(2)同心圓有中心(xin)孔，以開孔數13爲研(yán)究對象。
孔的分布(bu)與差壓信号關系(xì)如表2所示。
從表2可(ke)以看出,對于相同(tóng)的開孔數,在山不(bú)變的情📐況下，随着(zhe)d1的增大,壓差減小(xiao)。對比開孔數爲12,有(you)中心孔，開孔數爲(wèi)13的㊙️差壓🐕信号隻大(dà)0.5%。
2.3.3對倒角的研究
在(zài)試驗測量的時候(hou)，希望在減小壓損(sǔn)的同時又能夠🔞得(de)到✊較大的測量信(xin)号,因此選取開孔(kǒng)數爲13,有中心孔的(de)多孔孔闆做進一(yī)步的研究。由以上(shang)方案的設計可知(zhi),倒角的研究有2種(zhong)情況:
(1)隻有1個倒角(jiao),在節流闆的下遊(yóu)端面;
(2)2個倒角,在節(jie)流闆的上下遊端(duān)面均有倒角。
以流(liu)量測量節流設計(ji)手冊作爲參考,設(she)計節流孔的厚🌈度(du)爲0.02D,倒♍角爲45°。由此可(kě)得如表3所示的模(mó)拟結果。
由表3可以(yǐ)看出倒角的存在(zài)對于減小壓力損(sun)失有着巨🔞大💃🏻的影(ying)響,對比開孔數爲(wèi)13、上下遊都有倒角(jiao)的與上下遊都無(wu)倒角🌈,壓力損失降(jiàng)低42.3%。綜合.上述3種情(qing)況,在直💜徑比都是(shì)0.35,開孔🔆數爲13,上下遊(you)均有45°倒角的多孔(kǒng)孔闆與标準孔闆(pan)相比，壓力損失減(jian)小🧡59.8%。
3試驗測量
試驗(yàn)是在現有的液體(tǐ)流量标準裝置(裝(zhuang)置主要由🎯穩壓罐(guan)、法💞蘭、直管段、标定(dìng)容器構成。其中穩(wen)壓罐能夠讓流體(tǐ)以恒定的速度進(jìn)入直管段;法蘭用(yong)于孔闆的安裝;标(biāo)定容器用于測量(liàng)流體的流量。).上使(shi)用㊙️自己設計🌈的多(duo)孔孔闆完成的。所(suǒ)選用的🤟孔闆即前(qián)文仿真部分開孔(kǒng)數爲13,d;=8、d2=13,上下遊端面(mian)均💞有倒角的多孔(kǒng)孔闆。多孔💘孔闆如(ru)圖7所示。
3.1試驗方法(fǎ)
取5個不同大小的(de)流量按流速從小(xiao)到大，再從大到小(xiǎo),反複🌂測量差壓值(zhí),測量次數爲3,測量(liang)結果取平均值對(dui)試驗測:量時得到(dao)的流速進行模拟(ni)仿真,并與試驗結(jie)果相比較。由此可(ke)得到如圖8流量與(yǔ)差壓關系圖。
由圖(tú)8看出試驗結果與(yu)仿真結果的誤差(cha)較小(誤差能🔆夠控(kong)制在7%左右),說明本(ben)次模拟仿真所選(xuǎn)用的計算模型、方(fang)💰法是可信賴的。
4結(jié)論
以内徑是50mnm,等效(xiao)直徑比0.35的多孔孔(kǒng)闆作爲研究對象(xiang),用仿真軟件Fluent6.3模拟(ni)研究多孔孔闆函(han)數孔結構,主要是(shi)開孔數量、孔的分(fèn)布以及倒角對于(yú)減小壓力損失所(suǒ)起🈲到的作用，并對(dui)仿真結🙇♀️果進行實(shi)流試驗驗證,得到(dào):.
(1)在相同等效直徑(jìng)比的情況下,增加(jia)開孔數以及倒角(jiǎo)的存在能⭕有效減(jian)小壓力損失;在孔(kǒng)的數量和結♍構都(dou)㊙️确定的前提下均(jun)勻而有序地分布(bu)孔對測量的影響(xiang)可忽略;
(2)試驗結果(guǒ)與仿真模拟結果(guo)基本吻合,說明隻(zhi)要使用正确的㊙️計(jì)算模型、精密的網(wang)格劃分以及準确(què)的計算方法，在沒(méi)有試驗的條件下(xià)也可以使模拟仿(pang)真對多孔孔闆🚶♀️進(jin)行研⁉️究。
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