摘要(yào):因多種(zhǒng)工況條(tiáo)件無法(fa)滿足測(cè)量精度(du)要求，傳(chuán)統 差壓(yā)式流量(liàng)計 應用(yong)範圍受(shòu)到一定(ding)限制。基(ji)于多孔(kong)整流器(qi)和标準(zhǔn)孔闆的(de)流量測(ce)量原理(lǐ)，提出一(yī)種對稱(chēng)多孔孔(kong)闆差壓(ya)式流量(liàng)計 的設(shè)計方法(fǎ)。然後對(dui)該流量(liàng)計進行(hang)計算流(liu)體動力(li)☀️學🌈(CFD)數值(zhí)計算與(yu)仿真分(fen)析，結果(guo)表明多(duō)孔孔闆(pǎn)差壓式(shi)流量計(jì)測量精(jīng)度較标(biao)準孔闆(pǎn)流量計(ji)提高1倍(bei)以上，永(yong)久壓力(li)損失減(jiǎn)小🚩約1/3。最(zui)後❗進行(háng)實流試(shì)驗，試驗(yan)結果表(biao)明🏃🏻，多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計比(bǐ)常規标(biao)準孔闆(pan)節流裝(zhuāng)置具有(yǒu)明顯的(de)優勢，其(qí)适應性(xìng)更好。此(ci)設計方(fāng)法可爲(wei)多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計的結(jié)構設計(ji)和性能(neng)優💁化提(ti)供參考(kǎo)。
0引言
　　流(liú)量計量(liang)是計量(liàng)科學技(jì)術的重(zhòng)要組成(cheng)部分，廣(guǎng)泛應用(yòng)于👌農業(yè)生産、石(shi)油石化(huà)、科學研(yán)究、國防(fáng)建設以(yi)及人民(mín)生🥰活的(de)諸多領(ling)域。尤其(qi)在能源(yuán)危機的(de)後經濟(jì)時代，流(liu)量計量(liang)的重要(yao)性日益(yì)突出。相(xiàng)比其它(tā)流🔱量計(ji)，傳統差(chà)壓式流(liú)量計因(yin)結👉構簡(jiǎn)單、成☀️本(běn)低、重複(fú)☂️性好、标(biao)準化程(cheng)度高等(deng)特💔點得(dé)到廣泛(fan)應用，但(dan)隻有在(zai)符合标(biao)準要求(qiú)的技術(shu)條件下(xià)，才能準(zhun)确地測(ce)量流量(liàng)。然而，工(gong)程實🌈際(ji)應用中(zhōng)，很多工(gong)況條件(jian)不能滿(mǎn)足🌈上述(shù)要求，從(cong)而無🐪法(fa)達到所(suo)需要的(de)測量精(jīng)度(雷諾(nuò)數低于(yú)标準中(zhōng)推薦的(de)雷諾數(shu)範圍、測(ce)量介質(zhi)中💋混有(you)泥沙等(deng))進而限(xiàn)制了其(qí)應用範(fan)圍。
　　爲了(le)改善上(shàng)述缺點(dian)，非标準(zhǔn)差壓式(shì)流量計(jì)得到快(kuai)速☔發展(zhan)和進一(yī)步的應(ying)用。基于(yú)差壓原(yuán)理的多(duo)孔孔闆(pan)流量計(ji)不但繼(jì)承了标(biāo)準孔闆(pan)流量計(ji)的結構(gou)簡單、無(wu)運動部(bu)件等優(you)點，且能(néng)夠平衡(héng)調整流(liú)場，明顯(xian)減少渦(wo)流、降低(di)死區效(xiao)應、減少(shǎo)流體動(dong)能💞的損(sǔn)失，是目(mù)前應用(yòng)最爲廣(guǎng)泛的一(yī)❗種非标(biao)準差💋壓(yā)式流量(liàng)計💛。但在(zài)國内，多(duō)孔孔闆(pan)流量計(ji)的相關(guan)核心技(ji)術研究(jiū)相對較(jiào)少☔，實際(ji)應♊用中(zhong)要根據(jù)不同㊙️測(cè)量條件(jiàn)來設計(ji)流量計(jì)，缺乏完(wan)整的結(jié)構參數(shu)設計和(he)性能優(you)化🐆設計(ji)準則的(de)指導，在(zai)一定程(cheng)度🌈上遠(yuǎn)未達到(dào)用戶之(zhī)首選。
　　綜(zong)上所述(shu)，針對多(duō)孔孔闆(pǎn)流量計(jì)的結構(gou)設計和(he)性能優(yōu)♈化國内(nei)已有一(yī)些研究(jiu)，但缺乏(fá)統一的(de)設計準(zhun)則，不利(li)于📐工程(cheng)😘應用。
　　結(jie)合多孔(kong)整流器(qì)和标準(zhun)孔闆聯(lián)合使用(yòng)的測量(liàng)原理，提(ti)出一種(zhǒng)♈對稱多(duō)孔孔闆(pǎn)差壓式(shì)流量計(jì)的設計(ji)方法❓，采(cai)用計算(suan)流體動(dòng)力🤟學(CFD)技(jì)術進行(háng)數值計(jì)算與仿(páng)真分📱析(xi)。與标準(zhun)孔闆對(dui)比分析(xi)其流出(chu)系數及(jí)永久壓(yā)力損失(shī)等性能(néng)指标，分(fen)析結果(guǒ)說明🐇了(le)其優越(yue)性。最後(hòu)通過實(shi)流實驗(yàn)驗證了(le)設計的(de)合理性(xing)。此設計(jì)方法可(ke)爲多孔(kǒng)孔闆流(liu)量計的(de)結構設(shè)計和性(xing)能優化(huà)提供🐪一(yi)定的參(can)考。
1多孔(kong)孔闆流(liú)量計
　　 标(biao)準孔闆(pan)流量計(jì) 是使用(yòng)最早、應(ying)用最廣(guang)泛的一(yī)種差壓(ya)式流量(liàng)計，具有(you)結構簡(jian)單、測量(liàng)精度高(gāo)等特點(diǎn)。其測量(liang)原理爲(wèi)對于充(chōng)❤️滿管道(dào)的流體(tǐ)，當它流(liu)經管道(dao)内的節(jie)流件時(shi)，流體介(jie)👨‍❤️‍👨質将會(hui)在節流(liu)件處形(xing)成局部(bu)收縮，因(yin)而流速(sù)增加，靜(jìng)壓力降(jiang)低，于是(shi)在節流(liú)件前後(hou)便産生(shēng)了☔一定(dìng)的壓差(chà)。流體流(liu)量愈大(dà)，産生的(de)壓差愈(yu)大，這樣(yang)可依據(ju)壓差來(lái)衡量流(liú)量的大(da)小。根據(ju)不可壓(yā)💋縮流體(tǐ)的連續(xù)性方程(chéng)和伯努(nu)㊙️利方程(cheng)，定常流(liu)體的體(ti)積流量(liàng)可以通(tōng)過如下(xia)公式表(biǎo)示［8］:

　　式中(zhong):C爲流出(chū)系數，無(wu)量綱;β爲(wei)等效直(zhí)徑比，無(wu)量綱;D爲(wei)🐆孔闆直(zhí)徑;Δp爲壓(ya)差，單位(wei)爲Pa;qv爲體(ti)積流量(liàng)，單位爲(wèi)m3/s;ρ爲流體(tǐ)介質密(mì)🚩度。
　　多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計具(jù)有對稱(cheng)多孔結(jié)構，是目(mù)前最先(xian)進的差(cha)壓✨式流(liu)量計之(zhi)一。相比(bǐ)傳統差(chà)壓式流(liú)量計，不(bú)僅結構(gòu)簡單、安(ān)全☎️可靠(kao)、适用面(miàn)廣，還具(ju)有精度(du)高、直管(guan)段要求(qiú)低、量程(cheng)比寬、永(yong)久壓損(sǔn)小等優(you)點。
　　多孔(kǒng)孔闆流(liú)量計的(de)測量原(yuan)理基于(yú)能量守(shou)恒定律(lǜ)和質量(liàng)守恒定(ding)律。流量(liang)檢測時(shi)，所測介(jiè)質在通(tōng)過多孔(kǒng)節流整(zheng)流器的(de)同時進(jìn)行流體(tǐ)整流，減(jian)小節流(liu)裝置後(hòu)形成的(de)渦✍️流，形(xing)成較穩(wen)定的紊(wen)流，從而(ér)使引壓(ya)管路能(néng)夠獲取(qu)到較穩(wen)定的差(chà)壓信号(hào)，并進一(yī)步通過(guò)伯努利(lì)方程計(ji)算得出(chū)工藝所(suo)需體積(jī)流量、質(zhi)量👌流量(liàng)等參數(shu)🐇［12-15］。
2對稱多(duō)孔孔闆(pan)差壓式(shì)流量計(ji)結構設(shè)計
　　在工(gōng)程實際(jì)應用中(zhong)，每個多(duō)孔流量(liàng)計都要(yào)根據不(bu)同測量(liàng)條✏️件來(lái)設計，其(qi)開孔面(mian)積、節流(liú)孔的大(da)小、節流(liu)孔的具(jù)體形狀(zhuang)、節流孔(kǒng)🔴個數及(ji)排列方(fang)式等結(jie)構參數(shù)均🌏會對(duì)多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計♍的性(xìng)能✉️産生(shēng)影響。由(you)于缺乏(fá)完🈲整的(de)結構參(cān)數設計(jì)和性能(néng)優化設(she)計準則(ze)的指導(dǎo)，在一定(dìng)程度上(shàng)限制了(le)其應用(yong)範圍。對(dui)于不同(tong)的測量(liàng)函數孔(kong)的數量(liàng)、如何分(fen)布函數(shu)孔以及(ji)函數孔(kong)的結構(gou)等無疑(yí)是最主(zhǔ)要的⚽設(she)計參數(shu)，目前還(hai)沒有統(tong)一的标(biao)準🥵。
　　結合(hé)多孔整(zhěng)流器和(hé)标準孔(kǒng)闆的測(cè)量原理(li)，提出并(bìng)設計🔱流(liu)😘量💰計的(de)孔闆結(jié)構爲在(zai)節流闆(pǎn)中心一(yī)個圓孔(kong)的基礎(chu)上，對✍️稱(chēng)分布數(shu)量不等(děng)的圓孔(kǒng)，如圖1所(suǒ)示，均勻(yun)分布的(de)圓孔的(de)總🏃🏻‍♂️的面(miàn)積‼️和标(biao)準孔闆(pǎn)的面積(ji)相等。

　　當介(jiè)質流過(guo)圓孔時(shí)，流體被(bèi)平衡調(diào)整，渦流(liu)被最小(xiǎo)化，形成(cheng)近似理(li)想流體(tǐ)，通過取(qǔ)壓裝置(zhì)和變送(song)器，可獲(huo)得穩定(ding)的差壓(yā)信号，根(gen)據伯努(nǔ)利方程(chéng)計算出(chū)流體的(de)流量:

　　式(shi)中:Q爲介(jiè)質流量(liàng)，單位爲(wèi)m3/h;K爲儀表(biao)系數;Y爲(wei)膨脹系(xi)數🤟;Δp爲✏️差(chà)壓值，單(dān)位爲Pa;ρ爲(wèi)介質工(gong)況密度(du)，單位爲(wèi)kg/m3。
　　基于以(yi)上對稱(chēng)多孔孔(kǒng)闆差壓(yā)式流量(liang)計結構(gòu)設計的(de)方法，以(yi)孔闆管(guan)徑80mm、等效(xiao)直徑比(bǐ)0.45、測量介(jie)質爲常(cháng)溫👣水的(de)條件⛱️進(jìn)行研究(jiu)。首先建(jiàn)立多孔(kong)孔闆流(liú)量計的(de)計算模(mó)型，如圖(tú)2所示。參(cān)照流量(liang)測量節(jie)流裝置(zhi)設計手(shǒu)冊建立(li)流量計(jì)的幾何(he)尺寸，在(zai)流量計(jì)🛀🏻測量的(de)上下遊(you)部分設(shè)計有一(yi)定的🌈直(zhi)管段來(lái)确保流(liu)量計在(zài)測量的(de)時候流(liu)👅體的流(liú)場處于(yu)一種均(jun1)勻穩定(ding)的狀态(tai)并使因(yin)節流而(ér)被破壞(huài)🏒的流場(chǎng)能夠恢(hui)複到節(jie)流☂️前🌏的(de)狀态。

3多(duo)孔孔闆(pan)流量計(jì)
　　依據流(liú)量計的(de)設計尺(chi)寸，在Creo3.0中(zhong)建立其(qi)三維計(ji)算模型(xíng)，取闆前(qián)4D、闆🌐後8D的(de)流場區(qu)域作爲(wei)計算域(yu)，并将其(qí)導入ICEM專(zhuān)🌈用劃💃分(fen)網格軟(ruǎn)件中進(jin)行網格(gé)劃分，網(wǎng)格的劃(huà)分采用(yong)♋全六面(mian)體結構(gou)化網格(ge)的劃分(fen)方法，對(duì)計算域(yù)進行局(jú)部加密(mì)以保證(zhèng)計算精(jīng)度，網格(gé)劃分結(jie)果如圖(tú)3所示。

　　由于(yu)多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計的流(liú)場情況(kuàng)較爲複(fú)雜，對湍(tuān)流模型(xing)的要求(qiú)較高，本(ben)文采用(yòng)工程上(shàng)常用的(de)Standardk－ε湍流模(mo)型，其方(fāng)程式📐表(biao)述如下(xià)［15］:

　　式中:k是(shi)湍流動(dong)能;ε是湍(tuan)流耗散(sàn)率;ρ是流(liú)體密度(dù);μ是流速(su);μt是湍流(liú)粘度;Gk是(shì)由層流(liu)速度梯(tī)度而産(chǎn)生的湍(tuan)流🤩動能(néng);Gb是由浮(fu)力🔞産生(sheng)🔅的湍流(liú)動能。C1ε、C2ε、C3ε是(shi)常量，分(fèn)别爲C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09，σk、σε是(shì)k方程和(he)ε方程的(de)湍流prandtl數(shù)，分别爲(wèi)σk=1.0、σε=1.3。
　　設置入(ru)口條件(jiàn)爲速度(dù)入口(velocity-inlet)，出(chu)口爲自(zi)由發展(zhǎn)出流(outflow)，以(yǐ)各📱項參(cān)💜數㊙️的殘(cán)差小于(yu)0.00001爲收斂(liǎn)标準，分(fen)别計算(suan)0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3、4、5、6、7m/s等☎️幾種(zhong)入口流(liú)速下流(liu)量計的(de)流場特(tè)性。文中(zhōng)給出幾(ji)😘種典型(xing)流速條(tiao)㊙️件下的(de)計算結(jie)果，如圖(tu)4所示。


　　由圖4可(kě)以看出(chu)，入口流(liu)速在0.2～7m/s時(shí)多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計下遊(you)💁速度彙(huì)聚趨勢(shì)明顯，相(xiàng)比于标(biao)準孔闆(pan)其壁面(mian)回流區(qū)較小，但(dan)随入口(kou)流速不(bú)斷增大(da)回流區(qū)長度随(sui)之增大(da)，變化範(fan)圍爲0.5D～1.2D。由(yóu)此可見(jiàn)，多孔孔(kong)闆流量(liàng)計尾流(liú)流場能(neng)夠快速(sù)進入穩(wěn)定狀态(tai)。闆前死(sǐ)區較小(xiao)，且随流(liú)速增大(dà)✍️而逐漸(jian)增大。
　　通(tōng)過Fluent求解(jie)計算獲(huo)得孔闆(pǎn)前後的(de)差壓值(zhí)，進而得(dé)到流量(liang)計的永(yong)久壓力(lì)損失。取(qu)壓口設(shè)置爲上(shang)下遊取(qu)壓口距(ju)離孔闆(pan)上下遊(you)端面的(de)距離爲(wei)0.04m，通過在(zài)Fluent中定義(yì)相應取(qǔ)壓面，分(fen)别求取(qǔ)上下遊(yóu)取壓面(mian)的平均(jun1)壓力值(zhi)，獲得壓(ya)差值和(hé)永久壓(yā)力損失(shi)值如下(xia)表1所示(shì)。不同入(rù)口流速(su)下，标準(zhǔn)孔闆流(liu)量計和(he)多孔孔(kǒng)闆流🏃‍♀️量(liang)計的永(yong)久壓力(li)損失的(de)對比情(qing)況如表(biǎo)1和圖⭐5所(suo)示。

　　由表(biǎo)1和圖5可(kě)以看出(chu)，随着入(rù)口流速(su)的不斷(duàn)增大，多(duo)孔孔✌️闆(pan)流量♍計(jì)的永久(jiu)壓力損(sun)失呈逐(zhú)漸增大(dà)的趨勢(shì);相🈲比于(yú)标準孔(kong)闆流量(liang)計，由于(yú)渦流的(de)減少，多(duo)孔孔闆(pǎn)流量計(ji)具有更(geng)小的永(yǒng)久壓力(li)損失，永(yǒng)久壓力(li)損失較(jiao)标準孔(kǒng)闆節流(liú)裝置降(jiàng)低約1/3。
　　圖(tú)6所示爲(wei)不同流(liu)速下，多(duō)孔孔闆(pǎn)和标準(zhun)孔闆流(liu)量計的(de)流🔞出系(xi)✌️數對比(bi)曲線。由(yóu)圖6可知(zhī)，多孔孔(kǒng)闆流量(liàng)計的👨‍❤️‍👨流(liu)出系數(shù)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻較标🔴準(zhǔn)孔闆流(liu)出系數(shu)有明顯(xiǎn)提高，同(tóng)時随👄着(zhe)流速的(de)變化流(liu)出系數(shu)能夠保(bao)持良好(hao)的穩定(dìng)性。

　　爲了(le)檢驗所(suǒ)設計的(de)多孔孔(kong)闆差壓(yā)流量計(jì)的性能(néng)💜指标，和(he)标準孔(kong)闆節流(liú)裝置進(jin)行了實(shí)流試驗(yàn)，結合現(xiàn)場使用(yòng)反饋情(qing)況🐅，其性(xing)能指标(biāo)對比如(ru)表2所示(shì)。

4結論
　　以(yǐ)管徑80mm、節(jie)流比β=0.45的(de)多孔孔(kong)闆爲對(dui)象，通過(guò)對不同(tong)入💘口流(liu)速下的(de)多孔孔(kong)闆流量(liàng)計進行(háng)分析，得(dé)出此種(zhong)🈲流量👌計(jì)節流件(jiàn)前後産(chan)生✔️的渦(wo)流大大(da)降低，無(wú)需很長(zhang)的直管(guǎn)段整流(liu)，顯著提(tí)高了📞測(cè)量精度(du);永久壓(yā)力損失(shi)由于渦(wō)流的減(jian)少較标(biāo)準孔闆(pǎn)節流裝(zhuāng)置降低(di)了約1/3。試(shi)驗對比(bi)分析表(biǎo)明，多孔(kong)孔闆流(liu)🐆量計比(bi)常規标(biāo)準孔闆(pǎn)節流裝(zhuāng)置具有(you)明顯的(de)優勢，其(qi)适應性(xìng)更好。

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