摘要:爲(wèi)了研究孔闆(pǎn)流量計 在動(dong)态非穩定流(liú)态或振蕩流(liú)态下的瞬時(shí)壓力-流量特(tè)🐪性，理🐪論📧分析(xī)了孔闆前後(hou)的旋渦城大(da)小随流速變(bian)化是引起孔(kǒng)闆進出口瞬(shun)時流量差的(de)主要原因.借(jie)助CFD數值解析(xī)方法,建立孔(kǒng)闆模型,并在(zai)模型入口加(jia)載某一頻率(lǜ)下的正弦流(liu)速，對孔闆流(liu)量計在💰振蕩(dang)流态下的瞬(shun)時壓力❌-流量(liàng)特性進♌行分(fèn)析.結果表明(ming):當孔闆流量(liang)計處于低頻(pín)振蕩流動狀(zhuang)态🧡時,孔闆兩(liang)端差壓也處(chù)于周期振蕩(dàng)狀态🌈,差壓與(yǔ)節流孔瞬時(shí)流量同頻不(bu)同相，差壓幅(fu)值随入口流(liu)速振幅增大(dà)而線㊙️性增大(da)，且線性增長(zhang)系數與振蕩(dàng)頻率相㊙️關;孔(kǒng)闆的入口與(yǔ)出口存在周(zhōu)期波動的瞬(shun)時流量差,振(zhèn)蕩頻率越大(da)或入口流速(sù)峰值越小,瞬(shun)時流量差的(de)💋波動越小，由(you)于相位滞後(hou)🔆和瞬時流量(liàng)差的存在，使(shǐ)孔闆流量計(ji)的測量流量(liàng)與實際出🎯口(kou)流量之👈間存(cun)在偏差.振蕩(dang)頻率越大，偏(pian)差也越大.
　　孔(kǒng)闆流量計因(yin)其結構簡單(dān)、耐用而成爲(wei)目前國際上(shàng)👣标準化程度(dù)最高、應用最(zuì)爲廣泛的一(yi)種流量計,因(yin)此研究✔️節流(liú)孔的流量特(te)性,對提高孔(kǒng)闆流量計測(ce)量不确定度(du)的認識具有(you)很重要的🈚意(yì)義.孔闆流量(liang)計通過✉️測量(liàng)壓差進而獲(huò)得🏒流量.當液(yè)流經過節流(liu)孔,流束縮👈小(xiao),流速變大🔆并(bìng)伴随着較大(dà)的壓力降💔.流(liu)束的最小橫(héng)斷面出現在(zai)實際縮口的(de)下遊🙇🏻,稱爲縮(suō)流斷面.在縮(suo)流斷面處,壓(ya)力最低🔞.壓降(jiang)的産生是由(you)💋于在孔闆的(de)兩側🆚側面出(chū)現回流區及(jí)旋渦域,造成(chéng)較大的内部(bù)紊流和🙇🏻能量(liang)損耗的結果(guo)[1-2].旋渦域的大(dà)小取決于流(liu)動♊雷諾數🈚,随(sui)着雷諾數的(de)增大,渦旋強(qiang)度增加[3].
　　流體(ti)力學中對孔(kǒng)口恒定出流(liu)的描述爲孔(kong)闆結構的設(shè)計提✊供了理(li)論依據.但實(shí)際應用中，由(you)于外界激勵(lì)引起的壓力(lì)波動,圓㊙️管内(nèi)流體常處于(yu)動态非穩定(ding)流态或振蕩(dang)流态[4],孔闆流(liú)量計内部流(liu)場結構變化(hua)極爲♉複雜，因(yin)此,計量孔闆(pǎn)的瞬時流量(liang)特性往😘往與(yǔ)理論分析結(jié)果存在偏差(cha)因此,有必要(yào)對孔闆📧在非(fēi)穩定流态👌下(xia)的流量特性(xìng)進行研究.
　　通(tōng)過Fluent流體仿真(zhen)程序,對不同(tóng)節流孔直徑(jìng)比的孔闆,以(yǐ)🐕水📐爲介💚質在(zai)振蕩流态下(xia)的流動過程(chéng)進行仿真,對(dui)其瞬時壓力(lì)-流量特性進(jin)行分析.
1理論(lùn)分析
　　通常在(zai)特定測壓位(wèi)置和特定流(liu)體參數情況(kuàng)下,根🏒據流體(tǐ)🔴流動的連續(xù)性方程和伯(bó)努利方程可(kě)推導出孔闆(pǎn)前後差壓△p與(yu)流經節流孔(kǒng)的體積流量(liàng)QY滿足🧑🏽‍🤝‍🧑🏻以下函(hán)☔數關系[5],即
 
　　式(shì)中:C爲流出系(xi)數;ρ爲流體密(mi)度;β爲節流孔(kong)的直徑比(β爲(wei)節流孔🙇‍♀️直🈚徑(jing)d與圓管内徑(jing)D的比值,即β=d/D);sign爲(wei)符号函數*.
圓(yuan)管進口流量(liang)可計算公式(shì)爲
 
　　孔闆流量(liang)計通過測量(liàng)節流孔兩端(duān)差壓進而獲(huo)得節流孔流(liú)量QV.對于不可(ke)壓縮的定常(cháng)流，圓管進口(kou)流量Qin和📞出口(kǒu)流量Qout與節🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流(liú)孔流量QY相等(děng),聯立以上方(fang)程⚽可得節流(liu)孔兩端差壓(ya)與人口流速(sù)的關系表達(da)式爲
 
　　由式(3)可(kě)知,孔闆兩端(duan)差壓也呈周(zhōu)期性波動,.其(qi)振蕩頻率與(yǔ)孔闆🔅人口流(liú)速振蕩頻率(lü)相同.
　　孔闆前(qián)後存在旋渦(wo)域.旋渦域的(de)大小占據圓(yuán)管空間,液體(ti)🙇‍♀️在旋渦域停(ting)留,不流向下(xià)遊管道.旋渦(wō)域增大,則⛹🏻‍♀️流(liu)向圓管出口(kǒu)的液流減少(shǎo).由于孔闆前(qian)後遊渦旋強(qiang)度随流動雷(lei)諾數增大而(er)增大,即随流(liu)速增加旋渦(wo)域變大3]，.在振(zhen)蕩流态下,旋(xuán)渦域大小随(sui)入口流速變(biàn)化也表現爲(wèi)周期性變化(huà)狀态,變化頻(pín)率與流速振(zhen)蕩頻率🔴相同(tóng).因此，在某一(yī)極短時間段(duan)内,旋渦域的(de)體積變化量(liang)表現爲圓管(guǎn)進👌、出口的瞬(shùn)時流🌈量之差(cha).對于不可壓(ya)縮的非定常(chang)流,人口✉️瞬時(shi)流量Qin與出口(kǒu)瞬時流量Qout和(hé)節流孔瞬時(shi)流量QY滿足以(yǐ)下關系,即
 
　　式(shi)中:△Q表示圓管(guan)進出口瞬時(shi)流量差.瞬時(shi)流量差的存(cun)在，使孔闆流(liu)量計實際測(ce)量流量Qv與出(chū)口瞬時流量(liàng)Qout之🥵間不可避(bi)免存在偏差(cha).
　　事實上,由于(yú)節流孔的壓(yā)降作用,當孔(kong)闆下遊壓力(li)🌈低🆚于液體飽(bao)和蒸氣壓以(yi)下，氣泡将在(zài)下遊管道産(chǎn)生,形成閃蒸(zheng)現象.當壓力(li)上升,氣泡破(pò)裂瞬間産生(sheng)局部空穴,高(gao)壓液體重新(xīn)流向這些空(kōng)間.顯然,氣泡(pao)和空穴占據(ju)了下遊管道(dào)空間🌈,使進、出(chū)口流
量Qm與Qout,存(cún)在差異,出現(xiàn)瞬時流量差(cha)實際孔闆流(liu)量計使用過(guo)🐆程中避免閃(shǎn)蒸和空穴現(xian)象的出現,故(gù)文中🏃🏻‍♂️對其影(ying)響不做表述(shù)⭕.
爲進一步探(tàn)究孔闆的瞬(shun)時壓力流量(liàng)特性,文中以(yi)上述理論分(fen)析爲基礎，結(jié)合有限元分(fen)析思想,對孔(kong)闆流量計在(zài)低頻微幅振(zhen)🐅蕩流态下的(de)壓力流量特(te)性進行了分(fen)析.
2期修仿真(zhen)
2.1控基文圖
　　文(wén)中選用RNGk-ε湍流(liu)模型對孔闆(pǎn)的流量特性(xing)進行模拟.該(gāi)模型的控制(zhi)方程分别爲(wei)連續性方程(chéng)
 
　　上述式中:xi,xj分(fèn)别爲縱向和(he)橫向坐标;ui,uj分(fèn)别爲縱向和(hé)想象的🍉速度(dù)分量;p爲流體(tǐ)壓力;v爲流體(ti)運動黏度;vt爲(wèi)流體渦流黏(nián)度,vt=Cμk²/Ɛ,其中k爲湍(tuān)動能,Ɛ爲湍動(dòng)耗散率,Cμ=0.085.
　　模型(xíng)邊界條件包(bao)括速度人口(kǒu)、壓力出口、無(wu)滑移壁面邊(biān)界,在⭐近壁面(miàn)區域采用标(biao)準壁面麗數(shu)進行處理.采(cai)用軸✉️對稱邊(biān)界,即模型對(dui)稱軸的徑向(xiàng)速度爲0.在求(qiu)解離散方程(cheng)組和壓力速(su)度耦合時選(xuan)擇了SIM-PLE算法,動(dong)量和💜湍流動(dòng)能分别采用(yòng)的是二階✔️迎(ying)風與一階迎(ying)風差分格式(shì).
2.2仿真文收
　　利(lì)用孔闆模型(xíng)的軸對稱性(xìng)的特征,在圓(yuan)柱坐标系下(xia)建立它🌈們的(de)1/2實體模型,取(qu)壓方式采用(yong)D-D/2取壓其計算(suàn)域如圖1所示(shi).孔闆.上遊直(zhí)管段長度爲(wèi)20D,充足的上遊(yóu)管長能夠确(què)保液流在孔(kong)闆上遊爲充(chōng)分發展的湍(tuān)流流動.模型(xíng)具體尺寸,其(qí)中D=12.3mm,β=0.247,Lu=246mm,Lt=494mm,t=2mm.
　　爲了表現(xian)孔闆前後的(de)流場變化情(qing)況,首先在壁(bi)面附近劃分(fèn)邊界層網格(gé),邊界層第一(yī)次厚度爲0.1mm,共(gong)10層,高度增長(zhang)因子1.1.其次,爲(wèi)了提高孔闆(pan)附近的計算(suàn)精度,對靠🐪近(jìn)孔闆部分的(de)網格進㊙️行局(jú)部加密,離節(jie)流孔越遠,網(wǎng)格越稀疏最(zui)後,利用結構(gòu)化網💃🏻格生成(chéng)方✍️式劃分其(qí)餘🤟部分網格(gé).
 
　　文中所選用(yòng)的流體介質(zhi)爲常溫狀态(tai)下的水.人口(kǒu)流🚶‍♀️速設定☁️爲(wei)某一-頻率下(xià)的正弦流動(dòng)u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選擇不同平(píng)均流速uarg、流速(sù)振㊙️幅uamp和振蕩(dàng)㊙️頻率ƒ參數作(zuo)爲節流孔的(de)人口流速,具(ju)體參數見👈表(biao)1.利用UDF功能将(jiang)該自定義速(sù)度函數加載(zai)在模型的速(su)度人口.
 
3網出(chu)第日
3.1振蕩差(chà)絡
　　通過後處(chù)理後可以觀(guān)察到,當人口(kǒu)流速爲某一(yi)頻率下的正(zhèng)弦❄️流動時,孔(kong)闆兩端将出(chu)現與人口流(liú)速頻率相同(tong)的振蕩差壓(yā).如圖2所示，節(jie)流孔瞬時流(liú)量與差壓振(zhèn)蕩頻🌈率相等(děng)🔴且具有固定(dìng)的相位滞後(hòu).相位滞後意(yi)味着測量壓(ya)差不能反映(yìng)當時的流量(liang)情🙇🏻況.此外，由(you)于壓差測量(liàng)裝💞置的動作(zuo)時限,測量壓(yā)差👌滞後,不能(neng)及時反映瞬(shùn)時壓差的變(bian)化因此，在振(zhen)蕩流态下,孔(kong)闆流量計對(dui)瞬時流量的(de)測量存在不(bu)确🏒定性.
　　圖3爲(wei)人口流速振(zhèn)幅與差壓幅(fu)值的關系.對(duì)于同一振蕩(dang)頻率的入口(kou)流速,孔闆兩(liang)端差壓幅值(zhí)随人口流速(sù)振幅♻️增大而(ér)線性增大,但(dàn)其線性增長(zhǎng)系數與💰振蕩(dang)頻率有關.
 
　　從(cong)圖4中可以看(kàn)出當人口流(liú)速振幅一定(dìng)時,節流孔兩(liang)端💃🏻差壓的振(zhen)蕩幅值随振(zhen)蕩頻率的增(zeng)大而增大💚.差(chà)壓🌈幅值與振(zhèn)👣蕩頻🐕率存在(zai)近似一次線(xian)性關系.
　　在孔(kǒng)口恒定出流(liú)情況下,測量(liang)流量與實際(jì)節流孔流量(liàng)Qv相同.而在振(zhèn)蕩流态下,差(chà)壓幅值随振(zhèn)蕩頻率線性(xìng)♍增大,則測量(liàng)流♌量幅值越(yuè)大,與實際節(jie)流孔流量的(de)偏差也越大(da).
　　從圖5中可以(yǐ)看出,平均入(ru)口流速的變(biàn)化,對壓力幅(fú)值的影響幾(ji)乎可以忽略(lue).
3.2瞬時流量差(cha)
　　在振蕩流态(tai)下,孔闆前後(hou)回流區和旋(xuán)渦域的大小(xiao)随人口流速(su)變化不斷改(gǎi)變，導緻進出(chū)口流量存在(zai).瞬時流量差(chà)△Q,如圖6所示.瞬(shùn)時流量差表(biǎo)現爲複雜的(de)周期性🔅波動(dong),其波動周期(qi)與差壓振蕩(dang)周期相同,相(xiàng)位介于瞬時(shi)流量和差壓(ya)兩者之間,且(qiě)稍滞後于振(zhèn)💰蕩差壓.當差(chà)♉壓增大至峰(feng)值點時，瞬時(shí)流量差趨向(xiàng)♍其波峰,并在(zai)到達峰值點(dian)後反向階躍(yuè).
 
　　爲研究人口(kou)流速各參數(shu)對瞬時流量(liang)差的波動特(tè)性影響,對仿(páng)真記錄的瞬(shùn)時流量差數(shu)據作方差分(fèn)析和極差🐪分(fen)析,以此描述(shu)瞬時流量差(chà)的波動情況(kuang)🐇.瞬時流量差(chà)的極差和方(fāng)差與振蕩頻(pín)率關系如圖(tu)7所示.當入口(kou)平均流速和(he)流速⭕振幅不(bú)變時,瞬時流(liú)🔞量差的極差(cha)和方差随人(ren)口流速的振(zhèn)🌈蕩頻率增大(da)而減小也即(jí)人口流速頻(pín)率越💔大,瞬時(shi)流量差的波(bō)動程度越💚小(xiǎo)，同時‼️波動的(de)峰值也越小(xiǎo).
　　圖8爲入口平(ping)均流速與瞬(shun)時流量方差(chà)及極差的關(guan)系.當振蕩頻(pin)率和流速振(zhen)幅相同時,人(ren)口平均流速(su)越大❌,瞬時📐流(liú)量差的方差(cha)和極差越大(dà).圖9爲瞬時流(liú)量差方差和(hé)極✏️差與流速(su)振幅📞關系.從(cóng)圖中可以看(kan)出，當人口平(píng)均流速相同(tóng)時,對于給定(ding)的振蕩頻率(lü),瞬時流量差(cha)的方差和極(ji)差随着流速(su)振幅增大而(er)🐪增大.因此,當(dāng)人口流速峰(feng)值越大,瞬時(shí)流量差波動(dòng)也越大,瞬時(shi)流量差就越(yuè)不穩定.
 
4結論(lùn)
　　當孔闆流量(liang)計所計量不(bu)可壓縮流體(ti)爲低頻振蕩(dàng)流🔞動狀态時(shi)，通過前述CFD分(fèn)析,得到如下(xia)結論:
1)孔闆兩(liǎng)端差壓爲周(zhou)期振蕩狀态(tài),差壓與節流(liu)孔瞬☔時流量(liang)同頻不同相(xiàng).差壓幅值随(suí)人口流速振(zhèn)幅增大而線(xiàn)性增大，且線(xiàn)性增長系數(shù)與振蕩頻率(lü)相關.
2)圓管人(rén)口與出口存(cún)在周期波動(dong)的瞬時流量(liang)差,振蕩頻率(lü)越大或人口(kǒu)流速峰值越(yue)小，則瞬時流(liu)量差的波動(dòng)也越小
3)在振(zhen)蕩流态下,由(yóu)于相位滞後(hou)和瞬時流量(liang)差的存在♍,使(shǐ)孔闆流量計(ji)的測量流量(liàng)與實際出口(kǒu)流量之間存(cún)在偏差振🌈蕩(dang)頻率越大,偏(piān)差也越大..
4)孔(kong)闆流量計作(zuò)爲的流量計(jì)量的常用元(yuan)件,該分析結(jie)果對孔闆的(de)結構設計及(ji)系統的整體(ti)動态特性研(yan)究具有重要(yao)意義. 本文來(lái)源于網絡,如(rú)有侵權聯系(xì)即删除！