摘要:本(běn)文分析了孔(kǒng)闆流量計的(de)結構,其工作(zuo)原理屬差壓(ya)流量計範疇(chóu),從仿真角度(du)🔱對🈚孔闆⁉️流量(liang)計進行瞬态(tai)分析,得出“壓(yā)差-流量點”、“壓(yā)差🈲開方🛀根-流(liú)量點💁"的拟✍️合(hé)方程,流量值(zhi)x;與壓差開方(fang)根yi的🐅線性關(guan)系;随着流量(liang)的逐漸增大(da),壓差差值呈(chéng)增大的趨勢(shi).且流體介質(zhi)的🍓分子量越(yuè)大,k系數越🈲小(xiǎo);相較于對稱(cheng)偏離,偏離程(cheng)度的大小㊙️對(dui)h系數的影響(xiǎng)不穩定,呈先(xian)增大後減小(xiao)、再增大波浪(lang)線上升的趨(qū)勢,沒有嚴格(ge)的✌️規律而言(yan)。
0引言
孔闆流(liu)量計是根據(jù)伯努利公式(shì),利用流體在(zai)流動過程🔱中(zhōng)遵守能量守(shǒu)恒定律,即動(dòng)能和靜壓能(néng)之和不變🈲,以(yǐ)流🧑🏽🤝🧑🏻體通過節(jiē)流作💋用的孔(kong)闆時産生壓(ya)差的原理而(er)進行測量,廣(guang)泛應用于石(shí)油、化工、冶金(jīn)、電力🧑🏾🤝🧑🏼、供熱供(gòng)水等領域的(de)💜過程控制和(he)測量。”
目前,CFD仿(pang)真手段是比(bi)較熱門的方(fāng)法,廣泛應用(yong)于産品設💋計(jì)、優👅化參數。采(cai)用solidworks軟件建立(lì)DN150标準孔闆流(liú)量計幾何模(mo)型,基于CFD軟件(jiàn)對此狀态下(xia)孔闆流量計(ji)内部流場進(jin)行數🏃🏻♂️值模拟(nǐ)分析;等應用(yong)FLUENT流體仿真軟(ruan)件,對空氣經(jing)過孔闆前後(hòu)的壓力和速(sù)度進行仿真(zhen)研究;'應用計(jì)算流體力學(xué)軟🥰件,對不🌈同(tóng)結構參數的(de)孔闆流量計(ji)進🎯行數值模(mó)拟;運用CFD方法(fǎ),在Fluent軟件中采(cai)用标準k-e模型(xíng)和離散相模(mó)型對孔闆内(nèi)濕天然氣流(liú)動進行模拟(nǐ)，将模拟結果(guo)與NEL實驗數❓據(ju)進行驗證;(5]趙(zhào)奇等🧡以計算(suàn)流體力學♈(CFD)爲(wèi)工具,模拟了(le)标準孔闆流(liu)量計🔞與🚶♀️一類(lèi)兩通道非标(biāo)準孔闆流量(liàng)計的内部流(liú)場;[6]李過房自(zì)主開發了孔(kong)闆流星計流(liu)場的數值模(mo)拟軟🔞件,詳細(xì)分析軟件🌈收(shōu)斂的🈲條件,并(bìng)給出了在層(céng)流和湍流條(tiáo)件下流出系(xì)數的計算結(jié)果;采用計算(suan)流體力學(CFD)模(mo)拟方法對孔(kong)闆流🤟動進行(háng)了較準确的(de)預測;等采用(yòng)CFD模⛷️拟方法,确(que)定了單相非(fēi)牛頓流體的(de)流量系數與(yǔ)雷諾數(比0.4.0.6和(hé)0.8)的關系,并對(duì)不⁉️同濃度的(de)非🌂牛頓流體(ti)的流量系數(shu)進行了分析(xī)。
此外,孔闆流(liu)量計作爲差(chà)壓流量計範(fàn)疇,流經孔闆(pan)❗的流量與節(jiē)流件前後壓(yā)差開方根成(chéng)一定的線性(xìng)關系,存在❗h系(xi)數,但很少有(you)人對k系數的(de)影響因子進(jin)行分析,本文(wén)将從以下幾(ji)個方面去探(tàn)❗讨不同楔角(jiǎo)大小、不同流(liú)體介，質不同(tong)偏離情況對(duì)壓差及k系數(shù)♉的影響,爲在(zai)實際檢測、使(shǐ)用及産品設(she)🌈計等領域提(tí)供參考。
1孔闆(pǎn)流量計結構(gou)與工作原理(li)
1.1孔闆流量計(jì)結構
孔闆流(liú)量計屬于差(chà)壓流量計範(fan)疇,作爲一個(ge)節流件,使上(shàng)下遊産生壓(yā)力差，主要分(fèn)爲标準孔闆(pǎn)和非标準孔(kǒng)闆(錐形💯人口(kǒu)孔闆🧡、1/4圓孔闆(pan)、偏心孔闆、圓(yuán)缺孔闆、多孔(kǒng)🔞孔闆等)。其結(jie)構簡單,如圖(tú)1所示:D爲管道(dào)内徑,d爲孔闆(pan)内徑,E爲孔闆(pǎn)厚度,e爲節流(liu)孔厚度。其中(zhōng)d≥12.5mm,出口🌈楔角φ在(zài)30°~60°之間，e在(0.005~0.02)D之間(jiān),E在e~0.05D之間。
1.2工作原(yuán)理
孔闆流量(liang)計工作時，是(shi)将孔闆與多(duo)參數差壓變(biàn)送器(或差壓(ya)變送器、溫度(dù)變送器及壓(ya)力變送器)配(pèi)套組成的差(chà)壓流量裝置(zhì),可測量氣體(tǐ)、蒸汽、液體等(děng)🐆介質的流量(liang),孔闆流量計(jì)的流量公式(shi)爲:
式中:qv---流過(guo)孔闆流量計(ji)的體積流量(liang),m³/h;
C---流出系數,通(tong)過标準流量(liàng)實驗裝置檢(jian)定.得到;
ε---膨脹(zhang)系數,當被測(cè)介質爲液體(ti)時,ε=1可忽略,當(dang)被測介質爲(wei)氣體時,因介(jie)質可壓縮,ε爲(wei)小于1的數值(zhí),需要經過研(yan)🏃究方能得到(dào);
m---流通截面與(yǔ)管道截面之(zhī)比,僅與孔闆(pan)流量計相關(guān)幾何參數有(you)關;
D--管道内徑(jing),m;
△p---孔闆節流件(jiàn)前後産生的(de)差壓，由差壓(ya)變送器測量(liang)得到,Pa;
ρ---被測流(liu)體密度,kg/m³。
因此(cǐ)C、ε、m、D、ρ爲常數,設:
由(you)式(3)可知,流過(guo)孔闆流量計(jì)的體積流量(liàng)與節流件前(qian)後壓差的開(kai)方根呈線性(xìng)關系,且經過(guo)原點。
2仿真理(li)論與試驗方(fāng)案設計
2.1模型(xing)建立
本文三(san)維模型建立(li)由SolidWorks2020完成,根據(jù)上文1.1中有關(guan)要求,初步🔆設(she)計:D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數學(xué)模型。
2.2仿真理(lǐ)論分析[2]
計算(suàn)流體動力學(xue)基本思想是(shì)把原來在時(shí)間域及空間(jian)域上連㊙️續的(de)物理量的場(chǎng)(速度場、壓力(lì)場等),用✌️一系(xì)列有限個離(lí)散⁉️點上🔆的變(bian)量值的集合(he)來代替,通過(guo)一定的原則(zé)和方💋式建立(lì)起關于這些(xiē)離散點上場(chǎng)變量之間關(guan)系🚶的代數方(fāng)程組,然後求(qiú)解方程🈲組獲(huo)得場變量的(de)近似值。
2.3試驗(yan)思路
通過仿(páng)真分析:一是(shì)研究流體介(jie)質在管道内(nèi)的流動狀态(tài),根據2.1相關參(can)數建立模型(xing),滿足“前十後(hou)五”直管段要(yao)求☎️,進行⚽瞬時(shí)動态分析,研(yan)究壓力、流速(sù)的分布及變(biàn)✌️化規律♋;二是(shì)研✂️究不同楔(xiē)角φ對k系數及(jí)節流件前後(hou)壓差的影響(xiǎng),分别取ψ爲30°、40°、45°、50°,60°條(tiáo)件下k系數的(de)變化規律;三(sān)是研究不同(tong)流體❓介質對(duì)h系數的影響(xiǎng),分别取流體(tǐ)介質爲空氣(qi)、水、天然氣等(děng)對k系數的影(yǐng)響;四是根據(jù)上下遊管道(dao)夾持✂️孔闆形(xing)成🔅偏心狀态(tai),研究孔闆對(duì)中性對h系數(shu)的影響等。
3仿(páng)真分析
3.1瞬态(tai)分析
根據2.1參(cān)數設計,建立(li)模型;分析類(lei)型選擇内部(bu),排出内部不(bú)具🏃🏻♂️備流動條(tiáo)件的腔,物理(lǐ)特征選擇瞬(shùn)态分析,分析(xī)總時間設定(dìng)爲2s,輸出時間(jiān)步長設定爲(wei)0.02s;進行✔️瞬态分(fen)析選擇流體(tǐ)介質爲空氣(qì),入口流量分(fen)别選取5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等16個(ge)流量點;如圖(tu)2所示,上、下🛀遊(yóu)取壓口壓差(chà)随着人口流(liú)量的增大呈(chéng)增大✏️趨勢;設(she)x爲各流量點(diǎn).單位爲m³/h,yw爲各(gè)流量點對應(yīng)的上/下遊取(qu)壓口壓差值(zhí)、單位爲Pa,y爲xix0.5、單(dan)位爲Pa0.5。
瞬态分(fèn)析如圖3所示(shì),以了解孔闆(pǎn)流量計在進(jin)行工作時㊙️,介(jie)質的流動狀(zhuang)态及壓力、速(sù)度實時分别(bié)情況🍓。設定進(jin)口流量🐆爲100m³/h,出(chu)口壓力條件(jiàn)爲标準大氣(qi)壓、溫度爲20℃;孔(kǒng)闆流量計的(de)結構設計造(zào)成氣流通道(dào)變窄(管道突(tū)然變徑),氣流(liú)進入管道短(duǎn)時間(0.005s)内上遊(you)取壓口壓力(lì)突然增大,空(kōng)氣流🧑🏾🤝🧑🏼動加劇(jù),下遊管道壓(yā)力突然間變(bian)小形成負壓(ya)區,但壓力分(fèn)布不明顯,僅(jin)在孔闆口周(zhou)圍形成不同(tóng)壓力👨❤️👨分層;下(xià)遊管道壓力(lì)出現明顯分(fèn)層、且逐漸趨(qū)👌于穩定。
根據(jù)仿真數據得(dé)出“壓差-流量(liang)點”、“壓差開方(fang)根-流量點”的(de)⚽拟合方⛱️程,分(fen)别爲:
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
由于孔(kong)闆流量計工(gong)作原理屬差(cha)壓流量計範(fàn)疇,流量值xi與(yu)壓差☁️開方根(gēn)yi存在線性關(guan)系,通過變形(xing)可得⛷️:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
則通過(guò)自定義設置(zhi)截距爲0,xi=24.533yi,即系(xì)數k=24.533。
3.2不同楔角(jiǎo)φ對h系數、壓差(chà)差值的影響(xiang)
根據2.1參數設(she)計，建立模型(xing),其他條件不(bú)變，隻改變楔(xie)角的⭐大小，分(fèn)别取φ爲30°、40°.45°、50°、60°條件(jiàn)下k系數的變(bian)化規律;仿真(zhēn)流程🔴如3.1所述(shù)。得到結果如(rú)圖4所示,不同(tóng)楔角下，“壓差(cha)開方根🤩-流量(liang)點💜”均呈理想(xiang)線性關系(R2=1),圖(tu)像幾乎是重(zhong)合的,說明楔(xiē)角對h系數影(ying)響較小;線性(xing)關系分别爲(wèi)⛷️:
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
令截距均爲(wèi)零,則楔角30°、40°、45°、.50°.60°對(dui)應的系數k分(fen)别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
通過計(ji)算,不同楔角(jiǎo)條件下,仿真(zhen)壓差與計算(suan)壓差基本一(yi)🐅緻,如☁️圖5所示(shi)，
不難發現:整(zheng)體來看,不論(lun)楔角是哪一(yi)種情況，在50m³/h以(yi)内的流量下(xia),差值基本--緻(zhi),且均接近于(yu)0;随着流量的(de)逐漸增大,壓(ya)差差值呈增(zēng)🔱大的趨勢;楔(xiē)角40°和楔角45°條(tiáo)件下，差🌈值變(biàn)化趨勢基❌本(ben)緻,且偏離方(fāng)向一緻;楔角(jiǎo)50°與楔角60°條件(jiàn)下，差值🔞基本(běn)重合,且偏離(lí)方向一緻;楔(xiē)🏃角30°對差值的(de)影響最大,在(zài)流量爲500m³/h時,達(dá)到最大值1.94Pa。流(liu)🏃🏻♂️量400m³/h是差值的(de)“拐點”，當楔角(jiao)爲40°、45°時,差值最(zui)大,之後差值(zhi)🔆開始降低🛀🏻;當(dang)楔角爲30°、50°、60°時，差(cha)值開始突然(rán)變大。
3.3不同流(liu)體介質對h系(xì)數的影響
爲(wei)了研究不同(tong)介質對k系數(shù)的影響,本文(wen)選擇氣态水(shui)、空氣、甲烷等(deng)三種氣體作(zuo)爲流體介質(zhì)進行單因素(su)試驗仿真，取(qu)楔角爲45°等其(qí)他參數因素(su)不變進行仿(páng)真,結果如圖(tu)6所示;三種不(bú)同介質條件(jiàn)下，壓差與流(liú)量的關🌐系分(fèn)别爲:
由于孔(kǒng)闆流量計工(gong)作原理屬差(cha)壓流量計範(fàn)疇，流量值💜xi與(yǔ)壓差開方根(gen)yi存在線性關(guān)系,根據3.1分析(xi),氣态水、空氣(qì)、甲烷等三種(zhǒng)🚶氣體作爲流(liú)體介質對應(ying)的系數h:分别(bié)爲31.407、24.533.33.304;綜上所述(shu),流🔞體介質不(bu)同,壓差與流(liu)量、壓差開方(fāng)根🐪與流量的(de)變化趨勢一(yī)緻,但不同流(liú)體介💯質對應(yīng)的k系數卻相(xiang)差很大。
根據(jù)三種氣體介(jiè)質的分子量(liang)分别爲18(H20)、29(空氣(qì))、16(CH4),與k系數的對(duì)應關系🛀如圖(tu)7所示;流體介(jie)質的分子量(liang)越大,h系數越(yuè)小;随着分子(zǐ)量❗的增🧑🏾🤝🧑🏼大、h:系(xì)數逐漸減小(xiǎo)。
3.4孔闆對中性(xing)對k系數的影(ying)響
本文孔闆(pǎn)對中性是指(zhǐ)在安裝孔闆(pan)或實驗室檢(jiǎn)定孔闆時,孔(kǒng)🎯闆🌐孔口的中(zhong)心線與管道(dao)中心線--緻程(cheng)度,将上述中(zhōng)✌️心線🏃♀️的偏離(lí)距🌍離作爲試(shì)驗因子;如圖(tú)8所示,偏離🈲分(fen)爲對稱偏離(li)(DCPL)和偏離(PL)兩種(zhǒng);分别取偏離(lí)距👉離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔角(jiao)🌐爲45°,介質爲空(kōng)氣進行🌈仿真(zhēn)實驗等。
如圖(tú)9所示,仿真結(jie)果顯示:不論(lùn)哪種偏離情(qing)況壓差與流(liú)量的關🔞系曲(qǔ)線(變化趨勢(shi))是一緻的,且(qie)幾乎是重合(he)的,并随着流(liú)量的不斷增(zēng)大,壓差也不(bu)斷成增大趨(qū)勢;根據3.3中流(liú)量值xi與壓差(chà)開方根yi存在(zai)線性關系,得(dé)出不同偏離(li)情況下對應(yīng)的k系數,對稱(chēng)偏離的情況(kuang)下,随着偏離(lí)程度的🌏增大(da)h系數呈增大(dà)趨勢;相🔴較于(yu)對稱偏離,偏(pian)離程度的大(dà)小對h系數的(de)影響不穩定(dìng),先增大後減(jiǎn)小再增大波(bō)浪線上升的(de)趨勢,沒有嚴(yan)格的規律而(ér)言🙇🏻;因此,在使(shi)用或檢定孔(kong)闆流量計時(shi),--定要保證對(dui)中性，這樣檢(jiǎn)出來的數據(jù)才有意義。
4結(jie)論
通過建模(mó)進行仿真實(shi)驗得出以下(xia)結論:
(1)分析了(le)孔闆流量計(ji)的結構,其工(gōng)作原理屬差(chà)壓流量計範(fàn)疇‼️，推🌐導出流(liu)量值xi與壓差(chà)開方根yi之間(jiān)存在線性關(guān)系,且通過原(yuan)點。
(2)完成對孔(kong)闆流量計瞬(shun)态分析,得出(chu)“壓差-流量點(diǎn)”、“壓差開方👈根(gēn)-流量點”的拟(ni)合方程,根據(ju).流量值xi與壓(yā)差🔞開方根yi的(de)線性關系,通(tong)過自定義設(she)置截距爲0,得(de)出☂️h系數。
(3)不同(tóng)楔角φ對h系數(shù)、壓差差值的(de)影響:楔.角30°、40°、45°、50°、60°對(dui)應的系數k分(fen)🥰别爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不🔅論楔(xie)角是哪一種(zhǒng)情況,在50m³/h以内(nèi)的流量🐅下,差(cha)值基本一🐇緻(zhi),且均接近于(yú)0;随着流量的(de)逐漸增大,壓(ya)差差值呈增(zēng)大的趨勢。
(4)氣(qì)态水、空氣、甲(jiǎ)烷等三種氣(qì)體作爲流體(ti)介質對應的(de)系📞數k分别爲(wèi)31.407、24.533.33.304;且流體介質(zhi)的分子量越(yue)大,k系數越小(xiǎo);随着分子量(liang)♊的增大.h系⁉️數(shu)逐漸減小。
(5)不(bú)論哪種偏離(li)情況,壓差與(yǔ)流量的關系(xì)曲線(變化趨(qu)勢)是⛷️一㊙️.緻的(de),且幾乎是重(zhong)合的，并随着(zhe)流量的不斷(duàn)增大,壓差也(ye)🔞不斷成增大(da)趨勢;但在對(duì)稱偏離的情(qíng)況下,随着偏(piān)離程度💋的增(zēng)大k系數呈增(zeng)大趨勢;相較(jiào)于對稱🌐偏離(li),偏離程度的(de)大小對h系數(shù)的影響不穩(wěn)定,先增大後(hou)減小再增大(da)波浪線上升(shēng)的趨勢,沒有(yǒu)嚴格的規律(lü)而言。
綜上所(suo)述,在設計孔(kǒng)闆流量計時(shí),一定要考慮(lǜ)流量範圍及(jí)楔角大小的(de)選擇兩個重(zhong)要因素;在使(shǐ)用時,-定要🧡保(bao)證對中性,這(zhè)樣得👅出的數(shù)據才有意義(yì)。另外,在對孔(kong)闆流量計(差(chà)壓流量計)進(jìn)行檢🈲測時,出(chū).具證書一定(ding)要給出檢定(dìng)介質,用戶在(zai)使用時，一定(ding)要注意檢定(ding)用介質與實(shí)際流體介質(zhì)的差别,适時(shi)進行修正,才(cai)能保證流量(liang)計的性能準(zhǔn)确結算科學(xué),以免🈲帶來不(bu)必要的麻煩(fán)等。
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