摘要:針對(duì)孔闆流量計 測(cè)量精度及節能(neng)降耗的要求，對(duì)5種結構的單孔(kong)闆進行🧑🏾‍🤝‍🧑🏼了數值(zhí)模拟研究。進行(háng)了數值模拟與(yǔ)标準孔闆實💛驗(yàn)比對,對模拟方(fang)法的可靠性進(jìn)行了驗證，在此(cǐ)基礎上進一步(bù)完成了5種結構(gòu)10組流速下的數(shu)值研究。通過速(sù)度矢量圖得出(chū)孔口後流态的(de)變化;計算流量(liang)系數，得出流量(liang)系數與雷諾數(shù)關系曲線、軸線(xian)距離與壓力關(guan)系圖、壓差與🏒雷(lei)諾數關系圖。結(jie)果表明,5種孔闆(pǎn)中外凹型孔闆(pǎn)流量計II因爲闆(pǎn)前緩沖段較爲(wèi)理想,對流體起(qǐ)到了整流的作(zuò)用，減弱了闆💃前(qián)流體死區的形(xíng)成和闆後渦流(liu)的形成,降低♍了(le)孔㊙️闆流量計的(de)壓力💃🏻損失,且流(liu)量系數大,随雷(léi)諾數增大壓差(cha)增大緩慢,壓力(lì)恢複🚩快。
　　孔闆流(liú)量計是常見的(de)測流量裝置，以(yi)連續性方程和(hé)伯努利方程爲(wei)理論基礎。流體(tǐ)在通過節流元(yuán)件🏃‍♂️時,由于流通(tōng)面積的突然收(shōu)縮促使流體加(jiā)速，産生⭐節流效(xiào)應,使孔闆前後(hou)産生壓差,通過(guo)測量壓差從而(er)計算出管道中(zhong)的流量。節流元(yuán)件的尺寸和結(jie)構的不同,會導(dao)緻測量精度、測(cè)量壓力、管徑範(fan)圍及流🙇‍♀️量系數(shu)随雷諾💚數變化(huà)關系的差異。選(xuan)擇或者設計出(chū)較爲理想的孔(kǒng)闆流量計,是計(ji)量行業發展的(de)需要。采用數值(zhí)模拟分🤩析研究(jiu)管内孔闆類💋節(jiē)流元件的相關(guān)流場已有數十(shí)年的曆史,采用(yong)ANSYSFluent軟件,選擇5種标(biao)準及非标準孔(kong)闆作爲對象,爲(wèi)非标準孔闆流(liú)量🤟計的與發展(zhǎn)提供一定依據(ju)✉️。
1研究模型
1.1幾何(he)模型
　　模拟5種不(bú)同孔闆形狀的(de)孔闆流量計，見(jiàn)圖1。
　　5種孔闆均按(an)照ISO5167國際标準，确(què)定孔闆尺寸。根(gēn)據相關規定,孔(kong)❗闆🧑🏾‍🤝‍🧑🏼節流元件的(de)孔徑與孔闆通(tong)徑比值d/D=0.2~0.8;最小孔(kong)徑🈲dmin≥12.5mm;直孔部分厚(hou)度h=(0.005~0.02)D;總厚度H<0.05D這5種(zhong)孔闆公稱通徑(jìng)D=40mm,節💯流元件☁️的孔(kǒng)徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流量系數計(ji)算模型
　　計算每(mei)個孔闆流量計(jì)對應的流量系(xì)數見公式(1)
 
　　式中(zhōng):qm爲流體的質量(liang)流量,kg/s;A0爲孔口截(jie)面積,m2;p爲流體密(mì)度,kg/m3;△p爲🌍孔口兩側(ce)壓差,Pa。
2模型驗證(zheng)及數值模拟
2.1實(shí)驗驗證過程
　　爲(wèi)了确保數值模(mo)拟過程設置正(zheng)确,将模拟結果(guo)與實驗值進行(háng)👄了比對實驗采(cai)用裝置見圖2。
 
　　水(shui)由離心泵從水(shuǐ)箱抽出後,經過(guò)孔闆流量計，通(tong)過彎管再流回(hui)水箱。其中孔闆(pǎn)流量計爲标準(zhǔn)型，管道内徑40mm,孔(kǒng)闆🔴口徑35mm,孔闆厚(hou)度5mm。在不同的閥(fa)門開度下,測🏃‍♀️試(shi)孔闆流量計壓(yā)差,計🛀🏻算流量及(jí)流量計流量系(xì)數。實驗、模拟⛹🏻‍♀️結(jie)果對比見圖3。
 
　　由(you)圖3可知，模拟與(yǔ)實驗吻合,對模(mo)拟方法的可靠(kào)性進👌行了驗證(zheng).。
2.2數值模拟設置(zhì)
　　由于孔闆流量(liàng)計的軸對稱特(te)性，流體在經過(guò)孔闆流量🧡計時(shi)也是對稱的,因(yīn)此選用1/2實體及(jí)對稱面結📱構。應(ying)⭐用“mesh”進行模拟實(shí)🏃🏻體的網格劃分(fèn)，見圖4。
 
　　由于孔闆(pan)流量計結構簡(jiǎn)單,因此在劃分(fen)網格時隻需在(zài)節🈚流元件處既(ji)縮口處進行網(wǎng)格的加密。該模(mó)拟中采用的介(jiè)質爲20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作(zuo)壓力爲标準大(dà)氣壓。采用3D求解(jie)器，湍🌈流方程用(yòng)“标準k-epsilon”方程;選用(yong)速度進口和壓(yā)力出🐕口邊界條(tiáo)件,進行叠代求(qiu)解計算。
　　在模拟(nǐ)過程中取闆前(qián)2D、闆後5D,即闆前80mm、闆(pǎn)後200mm爲計算域⭐。5種(zhong)孔㊙️闆設定10個統(tong)一的進口流速(sù),分别爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的(de)雷諾數值分🐕别(bie)爲7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結果與讨論(lùn)
　　以ʋ=0.2m/s時孔闆的模(mó)拟結果爲例,各(ge)孔闆流量計的(de)速度矢量☎️雲圖(tu)見👄圖5.
 
 
 
　　由圖5可知(zhī)，流體在經過闆(pan)前區域時流道(dào)急劇收縮，速度(du)增大。其中标準(zhun)孔闆I所形成的(de)孔後大速度值(zhi)🥵高,爲1.2m/s;外凸型孔(kǒng)闆川I、加厚💯型孔(kǒng)闆IV次之,約爲1m/s;外(wai)凹型孔闆I1和直(zhí)邊型孔闆V較🔞小(xiao),分别爲0.88和0.74m/s。外凸(tū)型孔闆II低流速(su)較大🧡，直邊型孔(kong)闆V次之,其餘均(jun1)基本相等。經過(guò)孔口後部分流(liu)體流動方向發(fā)生改變,産生了(le)一定✂️的渦流區(qu)域，形成湍流,孔(kǒng)闆的☁️.結構不同(tóng)造成的旋渦湍(tuan)流區域形狀及(jí)發展長度也明(míng)顯不同。标準孔(kǒng)闆I湍流區較寬(kuan),湍流長度較長(zhang)。外凹型💁孔闆II湍(tuān)流段🌈較短,流場(chang)⛹🏻‍♀️爲整齊,從而也(ye)推測出其節流(liu)損失⭐小。
　　對5種孔(kǒng)闆進行了進一(yi)步的數據采集(jí),保持孔闆的直(zhí)徑🚶比不改🙇🏻變。由(you)流量分别計算(suan)對應的雷諾數(shù),采集每個孔闆(pǎn)每個流速所對(duì)應的闆前D、闆後(hòu)D/2取壓點所在平(píng)面的平均壓力(li)☂️，即闆前40mm、闆後20mm計(jì)算壓差,并根據(ju)公式(1)計算出每(mei)個♊孔闆對應的(de)流量系🈲數,得到(dào)流量系數與雷(lei)🌈諾數關系曲線(xian)圖見圖6。
 
　　由圖6可(kě)知,雷諾數的變(biàn)化對流量系數(shu)影響不大,說明(ming)這幾種孔闆都(dou)具有良好的穩(wěn)定性。外凹型孔(kong)闆II的流😘量系數(shu)比其他4種大，标(biāo)準孔闆I小;加厚(hòu)型孔闆IV的流量(liàng)🏃‍♀️系數曲🥰線在較(jiào)大及較🔴小雷諾(nuò)數時變化明顯(xiǎn),因此該❓類型穩(wěn)定性稍差;直邊(biān)型孔闆V穩定性(xìng)好。
　　沿軸向的距(jù)離L與壓力的關(guan)系見圖7。
 
　　由圖7可(kě)知，幾種孔闆壓(yā)降位置、壓降大(da)小及壓力恢🏒複(fú)性不🔴同。加厚型(xíng)孔闆IV的壓降位(wèi)置靠前,直邊型(xíng)孔🧡闆V靠後,其餘(yu)三♉者基本接🌈近(jìn);标準孔闆I的壓(yā)降大,外凹型孔(kong)闆II壓降小;外凹(āo)型孔闆II的壓力(lì)恢複快。
　　壓差△p與(yǔ)雷諾數的關系(xi)曲線見圖8。
 
　　由圖(tú)8可知，幾種孔闆(pǎn)壓差△p随着雷諾(nuo)數的增大而增(zeng)🔞大,增加💛趨勢基(jī)本相同,其中标(biao)準孔闆I增加快(kuai)大,外凹型😘孔闆(pǎn)♉II增大緩慢。
4結論(lùn)
　　通過流場模拟(nǐ)雲圖、流量系數(shù)與雷諾數的曲(qǔ)線關系🔆、中⁉️心軸(zhou)線壓力分布曲(qu)線、壓差△p與雷諾(nuò)數的曲線關系(xì)的分析可以得(de)出,5種孔闆中外(wai)凹型孔闆流量(liang)計II因爲闆前緩(huan)沖段較爲理想(xiǎng),對流體起到了(le)整流的作用,減(jiǎn)弱了闆前流體(tǐ)死區📧的形成和(hé)⁉️闆後渦流的形(xing)成,降低了孔闆(pǎn)流量計的壓力(lì).損失。且流量系(xi)數大,随雷諾數(shù)🛀🏻增大壓差增大(dà)緩慢,壓力恢複(fú)快，是5個類型中(zhōng)性能較好的一(yi)種。在進行單孔(kong)闆流量計🥰的設(she)計時，不但要滿(man)💔足直徑比,還應(yīng)該考慮孔闆的(de)厚度和孔闆闆(pan)前的過渡段。孔(kong)闆的厚度不宜(yi)太薄🔅也不宜過(guò)厚,過渡♍段對流(liú)✊體要能進行整(zhěng)合,使流體💃盡可(kě)能緩和的流人(rén)。在孔🈚闆的設計(jì)及使用中,應結(jie)合實際情況,應(yīng)用合适尺🈲寸類(lèi)型的孔闆，确保(bao)流量系數穩定(ding),并降低壓力損(sǔn)失,保證流場穩(wen)定,進而提⛱️高孔(kong)闆流量計⭕的質(zhì)量和測量的精(jīng)度。

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