多孔(kǒng)孔闆流量計(ji) 是一個對稱(chēng)的多孔圓盤(pán),是在标準孔(kong)闆基礎上發(fā)展起來的非(fei)标準節流裝(zhuāng)置.2006年該流量(liang)計被引入中(zhong)國市💚場，開始(shi)應用于天然(rán)氣、化工、煉油(yóu)等工業領域(yù).從相關文獻(xiàn)[-3]可以看出該(gāi)流量❗計具有(yǒu)比标準孔闆(pǎn)更爲出色的(de)計量性能,如(ru)測量精度高(gāo)、量程範圍寬(kuān)‼️、壓力損失小(xiǎo)、前後直管段(duàn)要求低等優(you)點.多孔孔闆(pan)流量計結構(gou)參數多,如節(jie)流孔的大小(xiǎo)、個數及👣排列(lie)⭐方式等,優化(huà)結構🛀🏻參數是(shì)提高多孔孔(kong)闆流量計性(xìng)能的前提條(tiáo)件.實現這一(yī)研究有實流(liu)實驗和數值(zhí)模拟2種方法(fa).數值模拟方(fang)法是研究流(liu)量傳感🙇🏻器特(te)性的有效手(shou)段之--,既可降(jiang)低成本,又可(ke)提高效率.目(mù)👣前,關于對多(duo)孔孔闆流量(liang)計🐆流場仿真(zhēn)方法的研究(jiu)♊國内外尚鮮(xian)見文獻報道(dao).
　　因此,在對多(duō)孔孔闆流量(liàng)計的研究過(guo)程中引入該(gāi)方法，一-方面(mian)可以加速研(yán)究進程，另一(yī)方面通過選(xuǎn)擇合适的計(ji)算模型提高(gāo)🐪多孔孔闆流(liu)量計流場計(jì)算的正确率(lǜ).
1湍流模型的(de)選擇
　　由于目(mu)前尚無對流(liú)場具有普适(shi)性的湍流模(mó)型，科研人㊙️員(yuan)✊隻🥵能‼️根據流(liu)場概況選擇(zé)相對合理的(de)湍流模型.在(zài)近幾年的研(yan)究中㊙️，k-湍流模(mo)型被廣泛應(ying)用，上述研究(jiū)💃取得較好的(de)效果，這說明(míng)雙方程形式(shì)的k-0模型在計(jì)算近壁區流(liu)場、含有尾渦(wō)及剪切♉層等(děng)流場👣具有較(jiao)好的計算效(xiào)果.
　　由于多孔(kong)孔闆孔分布(bu)具有分散性(xing)，流體經過多(duō)孔孔闆🌈後在(zai)🈚管道中形成(chéng)受限性多股(gu)射流.射流自(zì)孔口出射後(hou)🤟與周圍靜止(zhi)流體間形成(cheng)速度不連續(xù)的間斷面，速(su)度間斷面是(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼不穩定的，必(bi)定會産生波(bo)動，并發展成(cheng)漩渦，從而✍️引(yǐn)起紊動❗.這樣(yang)就把🍉原來周(zhōu)圍處于靜止(zhǐ)狀㊙️态的流體(ti)卷吸到射流(liú)中，形成射流(liu)的💋卷吸現象(xiang)7.根據文獻[7]中(zhōng)的雙股射流(liu)理論，流體🈚經(jīng)過多孔孔闆(pǎn)後多股🍉射流(liú)間形成會聚(jù)區，最終合而(er)爲💯一進人聯(lian)合區.由于卷(juan)吸現象的存(cún)在，會👨‍❤️‍👨聚區内(nèi)形✍️成射流間(jian)回流區，各股(gu)射流與壁面(miàn)之間産生近(jin)壁✊面回流區(qū)，在壁面回流(liú)區⁉️和射流間(jian)回流區中有(you)大🏃🏻量的漩渦(wo)存🔞在，流場如(rú)圖1所示.

　　由于射流與(yu)周圍靜止流(liú)體的卷吸與(yǔ)摻混，相應地(dì)産生㊙️了對射(she)流的阻力，使(shi)射流邊緣部(bù)分流速降低(di)，難以保持原(yuán)來🌈的初始流(liu)速.射流與周(zhōu)圍流體的摻(chan)混自邊🏃緣部(bu)分💯向中心發(fā)展，經過一-定(ding)的距離發展(zhan)到射流中心(xīn)，自此以🙇‍♀️後射(she)流的全斷面(mian)上都發展成(chéng)♈湍流.由孔口(kou)!邊界開始向(xiang)内外擴展的(de)摻混區即爲(wèi)剪切層，因此(ci)💜，流體經過多(duō)孔孔闆形成(cheng)的多股射流(liu)流場中存在(zài)較多的剪切(qiē)層.綜上所述(shu)，多孔孔闆流(liu)量計的流場(chǎng)情況較爲複(fú)雜，這就要求(qiú)🏃🏻湍流計算模(mo)型對含有🌈大(da)量漩渦及剪(jiǎn)切層的流場(chang)具有較好的(de)☔計算效果;由(yóu)于多孔孔闆(pan)流量計采用(yong)壁面取壓方(fāng)式，該取壓方(fāng)式要求湍流(liú)計算模型對(dui)近壁區域有(yǒu)較好😍的計算(suan)效果.
　　基于上(shàng)述兩方面原(yuán)因，采用雙方(fāng)程形式的Standardk-?模(mó)型、SSTk-模型以及(ji)Standardk-c+SSTk-組合形式分(fèn)别對10塊100mm口徑(jing)、β=0.6的多孔孔闆(pan)進行了數值(zhi)模🔞拟與👉實流(liu)實驗，流速範(fàn)圍爲0.5~7.5m/s.本文選(xuan)擇了☂️其中3塊(kuài)具有代表性(xìng)的多孔孔闆(pǎn)對結🌈果進行(hang)說明.
2湍流模(mo)型
　　Standardk-模型是一(yi)個通用雙方(fāng)程湍流模型(xing)18-9],其中一個變(biàn)量是湍動能(neng)k，另一個變量(liang)爲耗散率.Standardk-?模(mó)型是基于Wilcoxk-模(mo)型，該模型對(dui)🛀近壁區域的(de)流動、尾流、射(shè)流、剪切層及(jí)低雷諾數⛷️流(liú)動有較好的(de)預測效果.SSTk-0模(mó)型是由Menter提出(chū)的雙方程湍(tuān)✌️流模型，該模(mo)型不但集成(cheng)了Standardk-模💃🏻型特點(diǎn)與Standardk-模型對高(gāo)雷諾數流動(dong)具有較好計(ji)算效果的優(you)點，而且增加(jiā)了橫😄向擴散(san)導數項，在湍(tuān)流黏度定義(yì)中考慮了湍(tuān)流剪切應力(lì)的傳輸過程(cheng).其模型爲


3建(jian)模網格剖分(fèn)
3.1多孔孔闆流(liú)量計的幾何(hé)結構
　　圖2爲多(duo)孔孔闆流量(liang)計結構，其中(zhōng)圖2(a)爲流量計(ji)的整體結構(gou)，圖2(b)爲多孔孔(kǒng)闆的結構及(jí)參數定義.圖(tu)2(b)中D爲多孔孔(kǒng)闆⛹🏻‍♀️流量計的(de)❓管徑;D1爲中心(xīn)節流孔直徑(jìng);D2爲環🐆狀排列(lie)孔直徑;D3爲環(huán)狀排列孔的(de)中心🌍圓直徑(jìng);多孔🛀🏻孔闆中(zhōng)心節流孔與(yu)環形排列孔(kong)之間的距離(li)爲d,環形排列(liè)孔與👌管壁之(zhī)間的距離爲(wèi)d2.圖3爲多孔孔(kǒng)闆實驗樣機(ji),dh、dh的大小決定(dìng)了射流間回(huí)流區及壁面(miàn)🏒回流區的尺(chi)寸，因此表🙇🏻1中(zhōng)給出了各樣(yàng)機的d1、d2的具體(ti)數值🙇🏻.

3.2網格(gé)剖分
　　按照流(liú)量計的實際(ji)尺寸在GAMBIT中建(jian)立三維計算(suàn)模型，前直管(guan)㊙️段長⚽度設置(zhì)爲10倍管徑，後(hòu)直管段長度(dù)設置爲30倍管(guǎn)徑.爲了正确(què)獲得多孔孔(kong)闆附近的流(liú)場變化情況(kuàng)，多孔孔闆附(fù)近采用sizefunction函☀️數(shù)進行加密處(chù)理，特别在多(duo)孔孔闆的下(xia)遊，加密區域(yù)更大，而👉在遠(yuan)離多孔孔闆(pǎn)的上下遊直(zhí)管段區域的(de)網格逐漸變(biàn)得稀✏️疏，最密(mì)處網格✌️尺寸(cun)與兩側稀疏(shū)處的比爲1:5.網(wang)格質量爲EquiSizeSkew值(zhi)爲0.75,EquiAngleSkew值爲0.80，AspectRatio值爲(wèi)1.0:
3.4.圖4爲多孔孔(kǒng)闆B仿真模型(xing)局部網格.

4計(jì)算結果分析(xī)
　　衡量湍流模(mó)型對節流式(shi)流量計數值(zhi)計算效果優(you)劣标👈準㊙️如下(xia).
(1)在同樣的流(liú)量範圍内，比(bi)較數值計算(suàn)得出的流出(chū)系數💋C與實流(liú)實驗結果是(shì)否具有一緻(zhi)性;
(2)通過對不(bú)同物理量的(de)流場分析，判(pan)斷計算結果(guǒ)是否與相應(yīng)流體力學理(li)論-緻.
4.1流出系(xì)數C的計算結(jié)果與分析
節(jie)流式流量計(ji)測量不可壓(ya)縮流體的體(ti)積流量計算(suan)公式爲

　　式中(zhōng):qv爲體積流量(liang)，m/s;Ap爲上下遊取(qu)壓點測得的(de)差壓值，Pa,在仿(páng)真實驗🐆中，來(lai)自流場數值(zhí)計算結束後(hou)壓力場數據(ju)的提取，在🤩實(shí)流實驗中則(zé)直接來自差(cha)壓變送器 的(de)讀數;ρ爲流體(tǐ)的密度,kg/m3;β與d分(fen)别是多孔孔(kong)闆的等效直(zhi)徑比和節流(liu)孔的等效直(zhí)徑，在實驗中(zhōng)均爲确定的(de)幾何參數;C爲(wèi)節流👄式流👅量(liàng)計的流出系(xi)數，該參數😄是(shi)從仿真計算(suan)或者是📐實流(liú)實驗中得出(chū)，因此節流式(shi)流量計❤️的流(liu)出系數C是評(píng)價節流式儀(yí)表性能的❤️最(zuì)重要參數.
爲(wei)了便于書寫(xie)，Standardk-、SSTk-、Standardk-+SSTk-?分别采用如(ru)下縮寫形式(shì):
　　STD、SST,STD+SST.圖5~圖7是STD模型(xíng)、SST模型及STD+SsT組合(he)形式在同一(yī)雷諾數範圍(wéi)内對不同結(jié)構的多孔孔(kǒng)闆流量計計(ji)算得出的流(liú)出系數C.值和(hé)實流實驗值(zhi)(EXP)的比較.每個(gè)湍流模型的(de)8個仿真實驗(yan)點對應人✏️口(kou)流速分别爲(wei)0.5m/s.1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s、6.0m/s和7.5m/s.
　　在數值計(jì)算過程中，對(duì)于多孔孔闆(pǎn)A、B,SST模型在計算(suàn)過程中發📞散(san).從圖5~圖7可以(yi)看出,在這3種(zhong)數值計算方(fāng)式中，SST模型或(huò)STD+SST模式計算得(dé)到的流出系(xì)數C在變化趨(qu)勢與實流實(shí)驗結果吻合(he)得最好;STD模型(xing)計💞算得到的(de)流出系數C的(de)變化趨勢與(yǔ)實流實驗之(zhī)間有輕微的(de)差🔴異,但總體(ti)趨勢--緻.

　　表2和(hé)表3中定量地(dì)給出了采用(yòng)各數值計算(suan)方法得出的(de)🌈計算結果.表(biǎo)2中定量地給(gěi)出了采用各(gè)數值計算方(fāng)法得到的流(liu)出系數平均(jun1)值、實流實驗(yàn)得出的流出(chu)系數平均值(zhi)及其平均值(zhí)相對誤☂️差,該(gai)誤差定❄️義爲(wèi)

　　表3中定量地(dì)給出了采用(yong)各數值計算(suàn)方法得到流(liu)🌈出系數線性(xing)度ELA以及實流(liú)實驗得出的(de)流出系數線(xian)性度🥰ELE,計算流(liu)出系數🐪線性(xìng)度的表達式(shi)爲

式中:Cmaxs爲所(suǒ)有流量點中(zhong)流出系數最(zui)大值;Cmin爲所有(you)流量點中流(liú)⭐出系數最小(xiao)值.

　　從表2中可(kě)以看出,對于(yú)多孔孔闆C,3種(zhǒng)計算模式均(jun)收斂,STD模型計(ji)算結果的相(xiang)對誤差爲6.90%,SST模(mo)型與STD+SST模式計(jì)算結果的相(xiang)對誤🌈差較小(xiǎo)，分别爲4.30%與4.20%.對(duì)于多孔孔闆(pǎn)A與B,STD模型與💔STD+SST模(mó)式計算結果(guo)的相對⭐誤差(cha)均較小,其中(zhōng)STD+SST模式對多孔(kong)📞孔闆計算結(jie)果的相對誤(wù)差随着d2值的(de)減小而減小(xiao)從表3中可以(yǐ)看🚩出，利用STD+SST模(mo)式計算多孔(kǒng)孔闆可以較(jiào)好地反映出(chū)不同形式多(duo)孔孔闆的流(liu)出系數線性(xìng)🔴度.
4.2不同物理(li)量流場分析(xi)
(1)從上述分析(xī)可知,分别用(yòng)STD湍流模型和(he)STD+SST組合模式計(jì)‼️算多孔孔🐆闆(pǎn)A、B得出的流出(chu)系數計算結(jie)果與實流實(shí)驗結❤️果相對(duì)誤😍差均較小(xiǎo)🚩，但是速度場(chǎng)和湍流強度(dù)場卻有很大(dà)差🈲别，如圖8~圖(tu)13所示.Standardk-?湍流模(mó)型對高雷諾(nuò)數湍流及具(ju)有自由剪切(qie)層的湍流具(jù)有很好的計(ji)算效果，SST模型(xíng)中集成了Standardk-湍(tuān)流模型的這(zhe)一優點，所以(yǐ)利用STD+SST模式仿(páng)真多孔孔闆(pǎn)A得到的下遊(you)速度流場具(jù)有明顯的會(huì)聚趨勢，符合(he)文獻[4]中的雙(shuang)股理論，而利(li)用STD仿真多孔(kǒng)孔闆A得到的(de)下遊射流沒(méi)有明顯會聚(ju)趨勢.多孔孔(kong)闆B的速度場(chang)雲圖雖然符(fú)合射流理論(lun)😄，但是利用STD+SST模(mo)式計算的湍(tuān)流強度場中(zhong)湍流強度最(zui)大的位置在(zai)射流的剪切(qie)層中，與文獻(xiàn)[10]結論-緻.因此(ci)♌可以⛱️看出SST湍(tuan)流模型比STD湍(tuan)流模型更适(shi)合計算受限(xian)性多股射💔流(liú)相互作用的(de)流場.

(2)從圖9、圖(tú)11和圖14中可以(yi)看出，相對于(yu)多孔孔闆C,多(duō)孔孔闆A、B的射(she)流間🐇回流區(qu)域較大，壁面(mian)回流區域較(jiào)小.直🤞接使用(yong)SST模型計算射(she)流間回流區(qu)域較大多孔(kǒng)孔闆🈲時的收(shōu)❓斂比較困難(nán)，而🚩STD+SST組合模式(shì)不但克服了(le)上述缺點并(bing)且計算效果(guǒ)較好.

(3)如前文(wén)所述，SST模型在(zai)近壁區以外(wai)及剪切層中(zhong)集成了Standardk-ε湍流(liu)模型🔞的特點(dian)，而Standardk-ε湍流模型(xíng)本身存在缺(quē)陷,該模型在(zai)彎曲壁面、彎(wān)曲流線等情(qíng)況下會産生(sheng)失真.多孔孔(kǒng)闆A、B、C的壁面回(hui)流區依次增(zeng)大,所以采用(yong)壁面取壓方(fang)式⭕時,計算得(de)🌈出流出系🈲數(shu)平均值與實(shi)流實🔴驗得出(chu)的流出系數(shu)平均值之間(jian)的相對誤差(chà)依次減小.
5結(jie)語
　　通過有限(xian)體積法數值(zhi)求解Reynolds平均N-S方(fāng)程,湍流模型(xíng)分😍别用STD模型(xing)、SST模型及STD+SST組合(hé)模式對3塊多(duo)孔孔闆流量(liang)計進行了數(shu)值模拟.結果(guǒ)表明:對于中(zhong)心節流孔與(yǔ)環形排列孔(kǒng)之間距離較(jiao)小的多孔孔(kǒng)闆，SST模型收斂(liǎn)性較好;對于(yu)中心節流♌孔(kǒng)與環形排列(lie)的小孔之間(jiān)距✊離較大的(de)多孔孔闆,SST模(mo)型計算結果(guǒ)收斂困難,STD+SST組(zu)合🔴模式在保(bǎo)證計算精度(du)的前提下改(gǎi)善了收斂效(xiào)果.相對STD模型(xing),SST模型更加适(shì)合計算多孔(kǒng)孔闆流量計(ji)的内部流場(chǎng),計算結果與(yu)射流力學中(zhong)的雙股射流(liu)理論-緻,與實(shi)流實驗結果(guo)誤差的最大(da)值爲4.2%,并且能(neng)反映出不同(tóng)多孔孔💰闆流(liú)出系數線性(xìng)度的差異.因(yīn)此，利用該方(fang)法計算多孔(kong)孔❤️闆流場對(duì)優化多孔孔(kǒng)闆結構具有(yǒu)一定的指導(dǎo)意義，并且對(duì)其他具有射(shè)流性質的流(liu)✂️場仿真具有(you)一定的參考(kao)價值.

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