摘(zhāi)要:多孔孔闆(pǎn)流量計
尾流(liú)流動特性是(shì)影響計量性(xing)能的關鍵,爲(wèi)了分析節流(liu)孔前後🈲倒角(jiǎo)對尾流流動(dòng)特性的影響(xiang)規律、優化多(duō)孔孔☂️闆結構(gòu),針😘對DN100、節流比(bǐ)爲0.67的多孔孔(kong)闆,本研究利(lì)用CFD技術對❤️帶(dai)倒角多孔孔(kong)🤟闆的尾流流(liú)場進行計算(suàn)，從而揭示節(jiē)流☎️孔前後倒(dǎo)💚角對計量性(xìng)能的影響規(guī)律,并利用實(shi)流實驗進行(háng)驗證。研究結(jié)果表明:前倒(dǎo)角是降低永(yong)久壓力損失(shī)🌈的關鍵因素(su),但無法提高(gāo)計量精度,當(dāng)前倒角在30°~60°時(shí),永久壓力損(sun)失爲相🈲同節(jie)流比的标準(zhǔn)孔闆的50%,流出(chu)系數線性度(dù)誤差随前孔(kǒng)倒角❓角度的(de)增大而提高(gao),當前倒角爲(wei)60°時,與無前孔(kong)倒角的多孔(kong)🐆孔闆流量計(ji)線性度誤差(cha)接近;在45°~60°範圍(wéi)内,後倒角對(duì)尾流流場具(jù)有較好調整(zhěng)作用,從☔而拓(tuò)寬量程範圍(wéi)、提高計量精(jīng)度。由此得出(chū),前倒角㊙️爲60°、後(hòu)倒角在45°~60°範圍(wei)内的多孔孔(kong)闆計量性能(néng)有較大💃的提(tí)高。
1引言
傳統(tong)
差壓式流量(liang)計
雖然具有(yǒu)結構簡單、價(jia)格低廉、實驗(yan)數據豐富、實(shí)現标準化等(deng)優🈲點，但是隻(zhi)有在符合标(biāo)準要求的技(ji)術條件下,才(cai)能準确地測(cè)量流量。在工(gong)程實際應用(yong)中,很多工況(kuàng)條件無法滿(mǎn)足測量要求(qiú),例如雷諾數(shù)低于标準中(zhong)👌推薦的雷諾(nuo)數範圍🐪、測量(liang)介質複雜等(děng)。在這些情況(kuàng)下,非标準差(cha)壓🔞式流量計(jì)就顯示出它(tā)的優越性,目(mù)前具有代表(biǎo)性非标準差(cha)壓式流量計(jì)主要是
錐形(xing)流量計
和多(duo)孔孔闆流量(liang)計。錐形流量(liang)計具有自清(qing)潔、自整流、量(liang)程範圍寬精(jīng)度高、壓損低(di)、前後直管段(duan)短等有優點(diǎn)而被廣泛應(ying)用。該流量計(jì)不但具有錐(zhuī)形流量計的(de)優點，而且結(jié)構簡單、安全(quán)性高,在國際(jì)上引起關注(zhu),在中國廣泛(fàn)應🈲用。
爲了掌(zhang)握多孔孔闆(pan)流量計的核(hé)心技術,國内(nei)科研技術人(rén)員開🔴始對該(gai)流量計進行(háng)研究。對多孔(kǒng)孔闆流量計(jì)進行實🐇驗研(yan)究，研究結果(guǒ)表明該流量(liang)計的計量性(xing)能遠高于标(biao)準孔闆。對特(tè)定節流孔布(bu)局方式的多(duō)孔孔闆的局(jú)部阻力系💃🏻數(shù)及影響該系(xì)數的關鍵因(yin)素進行研究(jiū)。文獻[7]利用實(shí)驗方法研究(jiū)了節流孔分(fèn)布、孔㊙️闆厚度(du)、以及擾動對(dui)多孔孔闆的(de)流出系數C的(de)影響。2010年至今(jin),主要成果如(ru)下:利用CFD數值(zhí)模拟技術準(zhǔn)确預測多孔(kong)🏃♀️孔闆流量計(jì)内部💘流場[89];研(yán)究結構參數(shu)對計量性能(néng)的影響,确定(dìng)了合理的節(jiē)流孔布局方(fang)式[10];基于射流(liú)的卷吸效應(yīng),利用回流通(tong)量建☎️立了計(jì)量性👉能與微(wei)觀流🌈場🚶之間(jian)的關系,從而(ér)實現🌂對多孔(kong)孔闆流量計(jì)的優化“”]。上述(shù)研究成果均(jun1)是在節流孔(kong)無倒角的情(qing)況下取得的(de)🐕,計量⛱️性能沒(méi)有達到A+FlowTeK的性(xing)能指标，但是(shì)在研究中發(fā)現，倒角對多(duo)孔孔闆流量(liàng)計的永久壓(ya)力損失和計(jì)量精度均有(yǒu)較大影響,國(guó)内外🤞尚無關(guan)于孔倒角對(dui)多孔孔闆計(jì)量性🈲能影響(xiang)的文獻報道(dao),因此,本文利(lì)用CFD技術揭示(shi)前後孔倒角(jiao)對多孔孔闆(pǎn)流量計尾流(liu)流動特性的(de)影響規律,從(cóng)而優化結構(gòu)、進--步提高計(ji)量性能。
2尾流(liu)流場對流量(liàng)計性能影響(xiang)
2.1流量測量原(yuán)理
多孔孔闆(pan)流量計的簡(jian)化結構如圖(tu)1所示,即在封(fēng)閉的💜管道❄️内(nei)💞同軸安裝多(duo)孔孔闆,來流(liú)方向如圖中(zhong)箭頭所👈示,采(cǎi)用法蘭方式(shì)取壓。
如同(tong)其他類型的(de)差壓式流量(liang)計,多孔孔闆(pǎn)流量計的工(gong)作原理同樣(yàng)基于能量守(shǒu)恒定律和質(zhi)量守恒定律(lǜ),即遵🈲守以下(xia)事實規律:流(liu)體流經節流(liú)件時将被加(jia)速,流體動能(neng)增加，在流體(ti)被加速處,其(qí)靜壓力會降(jiàng)低一🌈個相對(duì)應的值,不可(kě)壓縮流體的(de)體積流量計(jì)算公式爲:
式(shi)中:qv是體積流(liú)量,m³/s;△p爲差壓,Pa;C爲(wei)流出系數,無(wu)量綱,該參數(shu)是從實驗中(zhōng)獲得;ρ爲流體(tǐ)密度,kg/m³;β爲等效(xiao)直徑比;d,爲節(jie)流孔的等效(xiào)直徑;p1爲上㊙️遊(yóu)靜壓,P2爲下遊(you)靜壓。由式(1)知(zhi)，流出系數C是(shi)🚶♀️影響多孔孔(kǒng)闆流量計性(xìng)能的唯--參數(shu),通過水量标(biao)準裝置實流(liú)标定得到差(cha)壓,利用式🏒(4)計(ji)算得到流出(chū)系數C,從式(4)可(ke)知,Op是影響流(liu)出系數C的關(guan)鍵因素。--定量(liang)程比下流出(chu)系數線性度(du)誤差是評價(jia)多孔孔闆流(liú)量計精度⛱️等(deng)級的重⛱️要指(zhi)标,多孔孔闆(pǎn)🏃流量計的流(liú)出系數線性(xìng)度誤差記😘作(zuo)δt。
2.2計量性能與(yǔ)尾流流場的(de)關系
式(1)是由(yóu)伯努利方程(chéng)(式(6))推導得到(dào),而伯努利方(fāng)程是基于☔同(tóng)一流線的假(jia)設,在同一流(liu)線.上式(6)成立(li)。
式中:ɷ爲渦量(liàng);V爲速度矢量(liang);r爲觀測點與(yu)旋轉中心之(zhi)間的矢徑。
渦(wō)量主要集中(zhōng)在靠近多孔(kǒng)孔闆的尾流(liu)區域内,并且(qiě)渦量出現在(zài)各股射流的(de)邊界中，上遊(you)渦量較小。由(you)式(4)、(7)、(6)可知，流出(chū)☂️系數🛀C主要受(shou)尾流流場速(sù)度分布影響(xiang)。
多孔孔闆流(liú)量計永久壓(ya)力損失w的表(biǎo)達式爲:
ɷ=E+T1+T2(9)
式中(zhong):E尾流流場中(zhong)漩渦運動所(suǒ)消耗的能量(liang);T1是節流件⭐本(ben)身造成的局(jú)部損失，節流(liú)孔前後倒角(jiǎo)對流速及流(liu)🚶體與節流孔(kǒng)的接觸🏃🏻面積(ji)改變很小，故(gù)T1可認爲🔴不變(bian);T2是💔沿程損失(shi)，不受節流孔(kǒng)是否帶倒角(jiǎo)影響。因此,E是(shi)反映倒角對(dui)多孔孔闆流(liú)量計永久壓(ya)力損失影響(xiǎng)的關鍵參數(shu)。綜上所述，尾(wěi)流流場🔞中的(de)漩渦是🔴影響(xiang)多孔孔闆☁️流(liu)量計計量精(jīng)🤟度及永久壓(yā)力損失的關(guan)鍵因素。近年(nian)來,CFD技術在流(liú)場計算中廣(guang)泛應用📞u[12-46]，因💔此(cǐ)本研究利用(yong)CFD技術來揭.示(shì)倒角對尾流(liú)流場中漩渦(wō)的影響規律(lǜ)。
3網格剖分與(yǔ)湍流模型選(xuan)擇
按照流量(liang)計的實際結(jié)構與尺寸在(zài)GAMBIT中建立三維(wei)模型❌，前直管(guan)段🌈長度設置(zhì)爲15D(D爲管徑),後(hòu)直管段長度(dù)設置爲30D。爲了(le)🐅準确捕捉多(duō)孔孔闆附近(jin)的流場變化(hua)細節，多孔📧孔(kǒng)闆的壁面及(jí)節流孔🐪的網(wǎng)格尺寸較小(xiao)，并滿足倒角(jiao)處的網格🧑🏾🤝🧑🏼沿(yán)流向數量大(da)于等于2,從而(er)可以比較準(zhun)确的捕捉倒(dao)角對流場細(xi)節的影響。剩(shèng)餘網格從多(duo)孔☎️孔🈲闆向管(guǎn)道入口和出(chū)口逐漸稀疏(shū),這❗樣的網格(gé)剖分方式既(jì)減少網格數(shù)量提高計算(suàn)效率，又能準(zhun)确的反應流(liu)場細節提高(gāo)計算精度。網(wang)格剖分如圖(tú)㊙️2所示，單個mesh文(wen)件的網格數(shu)量在300~400萬。
介質(zhi)經過多孔孔(kǒng)闆後形成多(duō)股受限性射(she)流,流場情況(kuàng)較👣爲複雜，這(zhè)就要求湍流(liu)計算模型對(dui)含有大🈲量漩(xuán)渦及剪切層(céng)的流場具有(you)較好的計算(suàn)效果;多孔孔(kong)闆流量計采(cai)用壁面取壓(ya)方式，該😍取壓(yā)方式要求湍(tuan)流計算模型(xíng)對近壁區域(yù)有較好的計(ji)算效果。本研(yán)究選擇💛SST(剪切(qie)應力傳輸)k-ɷ湍(tuān)流模型。該模(mo)型是由Menter提出(chū)的雙方程湍(tuan)流模型,集成(cheng)⛱️了Standardk:w模型與Standardhte模(mo)型🌈的特點。不(bú)但在近壁區(qū)域及尾🧑🏾🤝🧑🏼流有(yǒu)很好的預測(cè)效果,而☔且在(zai)高雷諾數流(liú)動☎️區域和剪(jian)切層中有較(jiào)好的預🆚測效(xiao)果。
4節流孔倒(dǎo)角對多孔孔(kong)闆尾流流場(chǎng)的影響
4.1多孔(kǒng)孔闆尾流流(liu)場
本文以結(jié)構如圖3所示(shì)的兩層孔的(de)多孔孔闆爲(wèi)研究對象🔴，第(di)1層爲中心節(jie)流孔,第2層爲(wei)軸向對稱等(deng)距離分布節(jiē)流孔。λ爲前孔(kong)倒🈲角，α爲後孔(kong)倒角，λ與α取值(zhi)分别爲0°、30°、45°、60°。樣機(jī)的命名規則(ze)爲λ-α,如60°45°表示前(qián)倒角爲60°後倒(dao)角爲45°的多孔(kong)孔闆樣機。
介(jiè)質經過多孔(kǒng)孔闆後形成(cheng)如圖4所示多(duō)股射流,流場(chang)中存在壁面(mian)回流區和射(she)流間回流區(qu)，在回流區中(zhong)存在回🈲流渦(wō)等各種變化(hua)的漩渦，是影(yǐng)響多孔孔闆(pǎn)流量計計量(liàng)性能的主要(yao)因素。本研究(jiu)中射流間回(hui)流區尺寸很(hen)小，對計量性(xing)能的影響可(ke)忽略,壁面回(hui)流區是影響(xiǎng)多孔孔闆流(liu)量計計量👄性(xing)能的關鍵，圖(tu)中L爲回流區(qū)長度,01、02分别表(biao)示，上下側壁(bi)面回流區👄中(zhong)渦心位♊置坐(zuo)标。回流區中(zhōng)漩渦的🏃♂️結構(gou)、渦.心位置及(jí)個數和回流(liú)區長度是反(fan)映回流區⛱️特(te)征的
即爲再(zài)附着點位置(zhi)，再附着點至(zhi)多孔孔闆下(xia)遊壁面的距(ju)離爲回流區(qu)長度。永久壓(ya)力損失系數(shu)與回🈚流區長(zhǎng)度的無量綱(gāng)值的關系式(shì)如式(10)-l:
式中:△p爲(wei)永久壓力損(sǔn)失，u爲入口速(sù)度，ρ爲流體密(mi)度，L爲回流區(qū)長度💯的無量(liàng)綱值。從式(10)中(zhōng)可以得出,在(zai)相同的入口(kou)速度下，永久(jiu)🈲壓力損失随(suí)回流區長度(du)的增大而增(zēng)🌈大凹。因此,本(ben)研究在入口(kǒu)雷諾🙇♀️數在3.5x104≤Re≤5.3x105範(fàn)圍内，以β=0.67,管徑(jìng)D=100mm,厚🙇🏻度t=8mm的多孔(kong)孔闆爲例分(fen)析孔倒角對(dui)尾流流場中(zhōng)回流區長度(du)及回流渦的(de)影響規律。
4.2無(wu)倒角的多孔(kǒng)孔闆流量計(ji)的回流區特(te)征
圖5爲前倒(dao)角λ與後倒角(jiǎo)α均爲0°的多孔(kong)孔.闆在，入口(kǒu)雷諾☔數3.5x104≤Re≤5.3x105的範(fan)圍内的尾流(liú)流場的流線(xiàn)圖,無倒角多(duō)孔孔闆流場(chang)中的回流區(qu)特征如表1所(suo)示。
從表1中可(kě)以看出壁面(mian)回流區中漩(xuán)渦結構、渦心(xin)位置👉均與管(guan)道入口雷諾(nuo)數Re相關。該多(duo)孔孔闆的實(shí)流實驗結果(guǒ)爲:3.5x104≤Re≤5.3x105,線性度✏️δ1=1.8%;5.8x104≤Re≤5.3x105線(xiàn)性度δ1=0.72%。由此可(kě)以得出，壁面(mian)回流區中漩(xuán)渦随管道入(rù)口雷諾數的(de)增加而達到(dao)穩♋定狀态,進(jin)入穩定狀🥰态(tai)的入口雷諾(nuo)數下限爲Remin。當(dāng)Re<Remin，壁✏️面回流區(qu)中渦心位置(zhì)不☀️固定，甚.min至(zhi)有多個回流(liu)渦💁存在，漩渦(wō)之間的相互(hu)運動、破裂及(jí)合并等過程(chéng)較爲複雜，對(duì)壁面回🔴流區(qū)的🎯流場擾動(dòng)較大，從而使(shi)該區域的靜(jing)壓波動強烈(liè)，計量性能降(jiang)低;當Re≥Remin,壁面回(hui)流🤩區中漩渦(wo)爲再附着渦(wō)并且渦心位(wèi)置與Re無關，多(duo)孔孔闆流量(liàng)計的計量精(jīng)度提高。
4.3節流(liu)孔前倒角對(dui)多孔孔闆流(liu)量計回流區(qu)的影響🚶♀️
圖6爲(wèi)節流孔後倒(dǎo)角α=0°，節流孔前(qian)倒角λ取30°、45°、60°的多(duo)孔孔闆在相(xiang)應入🐇口雷諾(nuo)數條件.下的(de)尾流場的流(liu)線圖，回🆚流區(qu)的主要特征(zhēng)如表2所示。
從(cong)表2中可以得(dé)到規律:節流(liu)孔前倒角30°≤λ≤60°時(shi),進入穩定🤩狀(zhuang)态的入口雷(lei)諾數下限Remn随(sui)着λ的增大而(er)降低，λ爲60°和♍0°的(de)多孔孔闆具(jù)有相同的Remin;λ在(zai)30°~60°範圍内變化(hua)時對壁面🧑🏽🤝🧑🏻回(huí)流區長度無(wú)明顯影👌響,回(huí)流區長度👣爲(wèi)0.9D,但相對于無(wu)倒角的🛀🏻多孔(kong)孔闆,回流區(qū)長度明顯縮(suo)短。因此,在入(rù)口雷諾數5.8x104≤Re≤5.3x105範(fan)圍内,30°≤λ<60°的多孔(kong)孔闆流量✨計(jì)量精度較🌍差(chà),λ≥60°與λ=0°的多孔孔(kǒng)闆計量精度(du)接近，永久壓(ya)力損失減小(xiao)。從上述規律(lü)得⭕出:前倒☔角(jiao)λ是降低永久(jiu)壓力損失的(de)關鍵因素,但(dàn)不能♻️提高計(jì)量精度。
4.4節流(liú)孔後倒角對(dui)多孔孔闆流(liú)量計回流區(qu)影響.
圖7爲節(jiē)流孔前倒角(jiǎo)爲60°，後倒角分(fen)别爲30°、45°和60°的多(duo)孔孔💯闆在Remin(流(liu)場🌈進入穩定(dìng)min狀态的雷諾(nuo)數下限)條件(jian)下的尾流流(liu)場🈚流線圖。從(cong)🔴圖中可以看(kan)出:回流區長(zhǎng)度相等,均爲(wei)0.9D;後倒角對Re,i有(yǒu)明🈲顯的影響(xiang)，影響程度與(yǔ)後倒✂️角α的角(jiao)度👈相關，多孔(kǒng)孔闆60°-30°的Re,in爲5x104多(duo)孔孔闆60°45°和60°-60°的(de)Re。in均爲⭕3.5x104min由此可(kě)知，節流孔後(hou)倒角對多孔(kong)孔闆尾流流(liu)場進🧡入穩定(ding)狀态的Re,影響(xiang)明顯，當45°≤α≤60°時，minRe。im顯(xiǎn)著降低，從而(er)🛀拓展量程範(fan)圍;壁面回流(liu)區長.min度與後(hòu)孔🌈倒角變化(huà)不相🐅關🔆,因此(ci)節流孔後倒(dao)角對永久壓(yā)力損失無影(ying)響。
從上述數(shu)值模拟結果(guǒ)可以看出,在(zài)管道入口雷(léi)諾數3.5x104≤Re≤5.3x105的範圍(wéi)内，節流孔前(qian)倒角λ=60°、後倒角(jiǎo)α=60°或45°的多孔孔(kǒng)闆.上下側壁(bi)面回流區中(zhong)的漩渦爲渦(wō)心位置固定(ding)的再附着渦(wo),并且回流區(qū)長度明🥵顯縮(suō)短。因此,λ=60°、45°≤α≤60°的多(duō)孔孔闆流量(liàng)計在較寬的(de)量程範圍内(nèi)具有🔱較高的(de)計量精度和(he)較小永久壓(yā)力損失。
5實流(liú)實驗
爲了驗(yàn)證數值模拟(nǐ)所得到的結(jie)論，本研究在(zai)如圖✏️8所示🏃🏻實(shi)驗裝置上對(dui)節流比爲0.55、0.67、0.75管(guǎn)徑爲100mm的多孔(kong)孔闆進行實(shí)流實驗🐇。該裝(zhuang)置采用水塔(tǎ)穩壓，流量穩(wen)定性♋爲0.1%,流量(liang)範圍爲5L/h~800m³/h,不确(que)定度爲0.05%。本文(wen)采用稱重法(fa)對實驗樣機(jī)的流出系數(shu)及壓力損失(shī)進行測量。差(chà)壓變送器1用(yòng)來測量多孔(kǒng)孔闆上遊1D與(yǔ)下遊6D之間的(de)壓差，即壓力(lì)損失,差壓變(biàn)送器2用來🌏測(ce)量介質經過(guo)多孔㊙️孔闆後(hou)産生的靜壓(ya)差△p,取壓方式(shi)爲法蘭取壓(ya)。
表3爲β=0.67的多孔(kong)孔闆流量計(ji)實流實驗結(jie).果,表中δl1和δl2分(fen)别爲15:1和10:1量程(chéng)範圍内的流(liu)出系數線性(xìng)度。從表中可(ke)以看出，當節(jiē)流🈲孔前倒角(jiǎo)λ爲30°和45°時,計量(liang)精度較差,流(liú)出系數線性(xing)度誤差δl1≥3%,δl2≥2.8%,節流(liú)孔後倒角α值(zhí)的改變對計(jì)量精度無影(yǐng)響。當λ爲0°和60°時(shi),α爲0°和30°的多孔(kǒng)孔闆流出系(xì)數線性度誤(wù)差δl1≥1.5%,δl2≤0.8%;α爲60°和45°的多(duō)孔孔闆流出(chū)🌂系數線性度(dù)誤差δl1≤0.8%,δl2≤0.5%。從上述(shù)分⭐析可知，當(dāng)30°≤λ≤45°時,計量精度(dù)較差,量程範(fàn)圍較窄;當λ爲(wèi)0°和60°、a≤30°時🌐,在10:1量程(chéng)範圍内,計量(liang)精度較高;當(dang)λ爲0°和60°、45°≤a≤60°時,在15:1量(liang)程範圍内，計(jì)量精度較高(gao)。
表4和表5分别(bié)爲β=0.55和β=0.75的多孔(kǒng)孔闆流量計(ji)實驗結果,從(cóng)實驗結果🔱中(zhong)可以得出與(yu)β=0.67的多孔孔闆(pǎn)相同的結論(lun),進一步驗證(zhèng)了λ爲0°和60°、45°≤a≤60°的多(duo)孔孔闆具有(yǒu)較寬的量程(cheng)💁範圍和計量(liang)精度.
圖9不同(tong)多孔孔闆流(liú)量計永久壓(ya)力損失随管(guǎn)道入口雷♋諾(nuò)數的變化曲(qǔ)線，從圖中可(ke)以看出，永久(jiu)壓力損失△o随(sui)入口雷諾數(shù)Re的增大而增(zeng)大,前倒角λ爲(wei)60°的多孔孔闆(pan)流量計的永(yong)久⛷️壓力損失(shī)比λ爲0°的多孔(kong)孔闆降低了(le)35%,比相同節流(liú)比的标準孔(kong)闆降低了50%以(yi)上,後倒角α對(dui)△ɷ無明顯影響(xiang)。因此,λ爲60°、45°≤α≤60°的多(duo)孔孔闆在較(jiào)大的量程範(fan)圍内😘具有較(jiào)高的計量精(jīng)度并且永久(jiǔ)壓力損失較(jiao)小，實驗結果(guo)與數值模拟(ni)的結論一緻(zhi)。
6結論
從理論(lùn)分析可知，多(duo)孔孔闆流量(liàng)計尾流流場(chǎng)中的漩渦🤟直(zhi)接影響多孔(kǒng)孔闆流量計(jì)的計量性能(néng)。數值💘模拟得(de)出多孔孔闆(pǎn)節流孔前後(hou)倒角對計量(liàng)性能🐅的影響(xiang)是不同的,具(ju)體的影響規(gui)律如下:節流(liu)孔前倒角是(shì)影響永久壓(ya)力損失的關(guan)鍵因素,但無(wú)法提⛷️高.計量(liang)精度;節流孔(kong)後倒角對尾(wei)流流場具有(you)調整作用，是(shì)提高計量精(jīng)度,拓寬量🏃🏻程(cheng)範圍的關鍵(jian)因素。從實流(liú)實驗結果可(kě)以看出,λ爲60°、45°≤α≤60°的(de)多孔孔闆在(zài)15:1的量程範圍(wei)内,流出系數(shù)線性度在0.8%以(yi)内，永久壓力(li)損失是标準(zhǔn)孔闆的50%。