摘要(yao):爲了研究孔闆(pan)流量計 在動态(tai)非穩定流态或(huo)振蕩流态下的(de)瞬時壓力-流量(liang)特㊙️性✏️，理論分析(xi)了孔闆前後的(de)旋渦城大小随(suí)流速變化是引(yǐn)起孔闆🐅進出口(kǒu)瞬時流量差的(de)主要原因.借助(zhù)CFD數值解析方法(fa),建立孔🐇闆模型(xing),并在模型入🈲口(kǒu)加載某一頻率(lü)下的正弦流速(su)，對孔闆流量計(ji)在振蕩流态下(xia)的瞬時壓力-流(liú)量特性進行分(fen)析.結果💞表明:當(dāng)孔闆流📱量計處(chù)于低頻振蕩流(liu)動狀态時,孔🎯闆(pǎn)兩端差壓也處(chù)于周期振蕩狀(zhuang)态,差壓與節流(liu)孔瞬時流量同(tóng)頻不同相，差壓(yā)幅值随入口流(liu)速振幅增大而(ér)線性增大，且線(xiàn)性增長系數與(yǔ)振蕩頻率相🌍關(guan);孔闆的入口與(yǔ)出口存在周期(qī)波動的瞬時流(liú)量差,振蕩頻率(lǜ)越大或入口流(liu)速峰值越小,瞬(shun)時流量差的波(bo)動越小，由于相(xiàng)位滞後和瞬時(shi)流量差的存在(zài)，使孔闆💋流量計(ji)的測量流量與(yu)實際出口流量(liàng)之間存在偏差(chà).振🤞蕩頻率越大(dà)，偏差也越大.
　　孔(kǒng)闆流量計因其(qi)結構簡單、耐用(yong)而成爲目前國(guo)際上标✌️準化程(chéng)度最高、應用最(zuì)爲廣泛的一種(zhong)流量計✍️,因此研(yan)究節流孔的流(liu)量特性,對提高(gao)孔闆流量計測(cè)量不确定度🐉的(de)認識具有很重(zhòng)要的意義.孔闆(pan)流量計通過測(cè)量壓差🍓進而獲(huo)得🛀流量.當液流(liú)經過節🌍流孔,流(liú)束縮小,流速變(biàn)大并伴随着較(jiào)大的壓力降🌏.流(liú)束的最小橫斷(duàn)面出現在實☂️際(jì)縮口的下遊,稱(chēng)爲縮流斷面.在(zài)縮流🌐斷面處,壓(yā)力最低.壓降的(de)産生是由于在(zai)孔闆的兩側側(cè)面出現回流區(qū)及📱旋渦域,造成(chéng)較大的内部紊(wěn)流和能量損耗(hào)的結果[1-2].旋渦⭕域(yu)的💔大小取決于(yú)流動雷諾數💃🏻,随(sui)着雷諾數的🏃增(zēng)大,渦旋強度增(zēng)加[3].
　　流體力學中(zhong)對孔口恒定出(chū)流的描述爲孔(kong)闆結構的設計(ji)提供了理論依(yī)據.但實際應用(yong)中，由于外界♌激(jī)勵引起的壓力(lì)波動,圓管内流(liu)體常處于動态(tài)非💃穩定流态或(huo)振蕩流态[4],孔闆(pǎn)流量計内部流(liu)場結構變化極(ji)爲複雜，因此,計(ji)量孔闆的瞬時(shí)流量特性往🐇往(wǎng)與理論分析結(jié)果存在偏差因(yīn)此,有必要對孔(kǒng)闆在非穩定流(liu)态下的流量特(te)性進行研究.
　　通(tōng)過Fluent流體仿真程(chéng)序,對不同節流(liú)孔直徑比的孔(kong)闆,以水🏒爲介質(zhi)在振蕩流态下(xià)的流動過程進(jìn)行仿真,對其瞬(shun)時壓力-流量特(tè)性進行分析.
1理(li)論分析
　　通常在(zai)特定測壓位置(zhi)和特定流體參(can)數情況下,根🌂據(ju)流體流✉️動的連(lian)續性方程和伯(bó)努利方程可推(tui)導出孔闆前🌍後(hou)差壓△p與流經🎯節(jie)流孔的體積流(liú)量QY滿足以下函(hán)🌍數關系[5],即
 
　　式中(zhōng):C爲流出系數;ρ爲(wei)流體密度;β爲節(jie)流孔的直徑比(bi)(β爲節流孔直徑(jìng)d與圓管内徑D的(de)比值,即β=d/D);sign爲符号(hao)函數*.
圓管進口(kou)流量可計算公(gōng)式爲
 
　　孔闆流量(liang)計通過測量節(jiē)流孔兩端差壓(yā)進而獲得節流(liu)孔流量QV.對于不(bu)可壓縮的定常(chang)流，圓管進口流(liu)量Qin和出口流量(liang)Qout與節流孔流量(liang)QY相等,聯立以上(shang)方程可得節流(liú)孔兩端差壓與(yu)人口流速的關(guān)系表達式爲
 
　　由(you)式(3)可知,孔闆兩(liǎng)端差壓也呈周(zhōu)期性波動,.其振(zhèn)蕩頻♈率與孔闆(pǎn)♋人口流速振蕩(dàng)頻率相同.
　　孔闆(pǎn)前後存在旋渦(wo)域.旋渦域的大(da)小占據圓管空(kōng)🌐間,液體♉在旋渦(wō)域停留,不流向(xiàng)下遊管道.旋渦(wō)域增大,則流向(xiàng)♉圓管出口的液(yè)❓流減少.由于孔(kong)闆前後遊渦旋(xuan)強度随流動雷(léi)諾數增大而增(zēng)大,即随流速增(zeng)🍉加旋渦域變大(da)3]，.在振😘蕩流态下(xià),旋渦域大🌈小随(sui)入口流速變化(hua)也表現爲周期(qī)性變化狀态,變(biàn)化頻率與流速(su)振蕩頻率㊙️相同(tóng).因此，在某一極(ji)短時間段⛹🏻‍♀️内,旋(xuan)渦域的體積變(bian)化量表現爲圓(yuan)管進、出口的瞬(shun)時流量✏️之差.對(duì)于不可壓縮的(de)非定常流,人♍口(kǒu)🤞瞬時流量Qin與出(chū)口瞬時流量Qout和(hé)節流孔瞬時流(liú)量QY滿足以下關(guān)系,即
 
　　式中:△Q表示(shi)圓管進出口瞬(shùn)時流量差.瞬時(shí)流量差的存在(zai)，使孔闆流量計(jì)實際測量流量(liàng)Qv與出口瞬時流(liú)量Qout之間不可避(bì)免存♉在偏差.
　　事(shì)實上,由于節流(liú)孔的壓降作用(yòng),當孔闆下遊壓(ya)力低于液體飽(bao)和蒸氣壓以下(xià)，氣泡将在下遊(yóu)管道産生,形成(chéng)閃🏃‍♀️蒸現象.當壓(yā)力上升,氣泡破(po)裂瞬間産生局(jú)部空穴,高壓液(yè)體重新流向這(zhè)些空🛀🏻間.顯然,氣(qì)泡和空穴占據(ju)了下遊管道空(kong)間,使進、出口流(liú)
量Qm與Qout,存在差異(yi),出現瞬時流量(liàng)差實際孔闆流(liu)量計使用過程(cheng)中避免閃蒸和(hé)空穴現象的出(chu)現,故文中對其(qí)影響不做表述(shu).
爲進一步探究(jiu)孔闆的瞬時壓(yā)力流量特性,文(wen)中以上🈲述理⭐論(lùn)分析爲基礎，結(jié)合有限元分析(xi)思想,對孔闆流(liú)量計在低㊙️頻微(wēi)幅振蕩流态下(xia)的壓力流量特(te)性進行了分析(xī).
2期修仿真
2.1控基(ji)文圖
　　文中選用(yong)RNGk-ε湍流模型對孔(kǒng)闆的流量特性(xìng)進行模拟.該模(mo)型的控制方程(chéng)分别爲連續性(xing)方程
 
　　上述式中(zhong):xi,xj分别爲縱向和(he)橫向坐标;ui,uj分别(bié)爲縱向和想象(xiang)的✨速度分量;p爲(wèi)流體壓力;v爲流(liu)體運動黏度;vt爲(wèi)流體渦流⛹🏻‍♀️黏度(dù),vt=Cμk²/Ɛ,其中k爲湍動能(néng),Ɛ爲湍動耗散率(lǜ),Cμ=0.085.
　　模型邊界條件(jiàn)包括速度人口(kǒu)、壓力出口、無滑(huá)移壁面邊界,在(zai)近壁面區域采(cai)用标準壁面麗(lì)數進行處🌈理.采(cai)用軸對稱邊界(jie),即模型對稱軸(zhóu)的徑向速度爲(wèi)0.在求解🧑🏽‍🤝‍🧑🏻離散方(fang)程組和壓力速(sù)度耦合時選擇(zé)了SIM-PLE算法,動量和(hé)湍流動能分别(bie)采用的是二階(jie)迎風與一階迎(yíng)風差分格式.
2.2仿(páng)真文收
　　利用孔(kong)闆模型的軸對(dui)稱性的特征,在(zai)圓柱坐标系下(xia)建立它們的1/2實(shí)體模型,取壓方(fāng)式采用D-D/2取壓其(qí)計算域♊如圖✍️1所(suǒ)示.孔闆.上遊♌直(zhí)管段長度爲20D,充(chong)足的上遊管長(zhang)能夠确保液流(liu)在孔闆上遊爲(wei)充分發展的👈湍(tuān)流流動.模型具(ju)體尺寸,其中D=12.3mm,β=0.247,Lu=246mm,Lt=494mm,t=2mm.
　　爲(wèi)了表現孔闆前(qian)後的流場變化(huà)情況,首先在壁(bì)面附近📧劃🌐分邊(bian)🔞界層網格,邊界(jie)層第一次厚度(du)爲0.1mm,共10層,高度增(zeng)長因子1.1.其次,爲(wei)了♌提高孔闆附(fu)近的計算精度(du),對靠😘近孔闆部(bu)分的網格進行(háng)局部加密,離節(jie)流🎯孔越遠,網格(ge)越稀疏最後,利(li)用結構化網✊格(ge)生成方💋式劃分(fen)其餘部分網格(ge).
 
　　文中所選用的(de)流體介質爲常(chang)溫狀态下的水(shuǐ).人口流🏃速📱設定(dìng)爲某一-頻率下(xia)的正弦流動u=uarg+uamp·sin(2πƒt)，選(xuan)擇不同平均流(liu)速uarg、流速振幅uamp和(he)振蕩頻率ƒ參數(shù)作爲節流孔的(de)🛀🏻人口流速,具體(ti)參數見表1.利用(yong)UDF功能将該自定(dìng)義速度函數加(jiā)載在模型的速(sù)度人口.
 
3網出第(di)日
3.1振蕩差絡
　　通(tōng)過後處理後可(ke)以觀察到,當人(ren)口流速爲某一(yi)頻🌈率下的正弦(xián)流動時,孔闆兩(liang)端将出現與人(ren)口流速頻率相(xiang)同的振蕩差壓(yā).如圖2所示，節流(liu)孔瞬時流量與(yǔ)差壓振蕩頻率(lü)相等且具有固(gù)定的相位滞後(hòu).相位滞後意味(wèi)着測量㊙️壓差不(bu)能反映當時的(de)流量情況.此外(wài)，由于壓差測量(liang)裝置的動作時(shí)❗限,測量壓差滞(zhi)後,不能及時反(fǎn)映瞬時壓差的(de)變化因此，在振(zhèn)蕩流态下,孔闆(pan)流量計對瞬時(shi)流量的測量存(cún)在不确定性.
　　圖(tu)3爲人口流速振(zhèn)幅與差壓幅值(zhí)的關系.對于同(tong)一振蕩頻率的(de)入口流速,孔闆(pan)兩端差壓幅值(zhi)随人口流速振(zhèn)幅增大而線性(xìng)增大,但其線性(xìng)增長系數與振(zhen)蕩頻率有關🐆.
 
　　從(cong)圖4中可以看出(chu)當人口流速振(zhèn)幅一定時,節流(liu)孔兩🏃🏻端差壓的(de)振蕩幅值随振(zhèn)蕩頻率的增大(da)而增大📧.差壓幅(fu)值💋與振蕩頻率(lǜ)存在近似一次(ci)線性關系.
　　在孔(kong)口恒定出流情(qíng)況下,測量流量(liàng)與實際節流孔(kǒng)流量Qv相同.而在(zai)振蕩流态下,差(cha)壓幅值随振蕩(dang)頻率線性增大(da),則測量流量幅(fu)值越大,與實際(ji)節流孔流量的(de)偏差也越大.
　　從(cóng)圖5中可以看出(chū),平均入口流速(su)的變化,對壓力(li)幅值的影響幾(ji)乎可以忽略.
3.2瞬(shùn)時流量差
　　在振(zhen)蕩流态下,孔闆(pan)前後回流區和(hé)旋渦域的大小(xiao)随💞人口流速變(biàn)化不斷改變，導(dao)緻進出口流量(liàng)存在.瞬時流量(liàng)差△Q,如圖6所示.瞬(shun)時流量差表現(xiàn)爲複雜的周期(qi)性波動,其波動(dong)周期與差🚩壓振(zhèn)蕩周期相同,相(xiang)位介于瞬時流(liú)量和差壓兩者(zhe)‼️之間,且稍滞後(hòu)于振💋蕩差壓.當(dāng)差壓增大至峰(feng)值點時，瞬時流(liú)量差趨向其波(bō)峰,并在到⛱️達峰(feng)值點後反向階(jiē)躍.
 
　　爲研究人口(kou)流速各參數對(duì)瞬時流量差的(de)波動特性影響(xiǎng),對仿真記錄的(de)瞬時流量差數(shu)據作方差分析(xi)和極差👣分析,以(yǐ)此💯描述瞬時流(liu)量差的波動情(qing)況.瞬時流量差(chà)的極差和方差(chà)與振蕩頻率關(guan)系如圖7所示.當(dang)入口平均流速(sù)和流速振幅不(bú)變時,瞬時流👨‍❤️‍👨量(liang)差的極差和方(fang)差随人口流速(su)的振蕩頻率增(zeng)大💋而減小也即(jí)人口流速頻率(lü)越大,瞬時流量(liàng)差的波動程度(dù)越小，同時波動(dong)的峰值也越小(xiao).
　　圖8爲入口平均(jun)流速與瞬時流(liú)量方差及極差(cha)的關系💁.當振蕩(dang)頻🌐率和流速振(zhen)幅相同時,人口(kǒu)平均流速越大(da),瞬時流量差的(de)方差和極差越(yue)大.圖9爲瞬時流(liú)量差方❌差和極(jí)差與流速振幅(fu)關系.從圖中可(ke)以看出，當人口(kǒu)平均流速相同(tóng)時,對于給定的(de)振蕩頻率🔞,瞬時(shi)流量差🌈的方差(cha)和極差随着流(liu)速振幅增大而(er)增大.因此,當人(rén)口流速峰值越(yuè)✔️大,瞬時流量差(chà)波動也越大,瞬(shùn)時流量差就越(yue)不穩定.
 
4結論
　　當(dāng)孔闆流量計所(suǒ)計量不可壓縮(suo)流體爲低頻振(zhen)蕩流動狀态時(shi)📧，通過前述CFD分析(xi),得到如下結論(lùn):
1)孔闆兩端差壓(ya)爲周期振蕩狀(zhuang)态,差壓與節流(liu)孔瞬時流量同(tong)頻不同相.差壓(ya)幅值随人口流(liu)速振幅增大而(ér)線性增大，且線(xiàn)性增長系數與(yǔ)振蕩頻率相關(guan)💚.
2)圓管人口與出(chū)口存在周期波(bō)動的瞬時流量(liàng)差,振蕩🚶‍♀️頻率越(yue)大或人口流速(su)峰值越小，則瞬(shun)時流量差👉的波(bō)動也越小
3)在振(zhèn)蕩流态下,由于(yú)相位滞後和瞬(shun)時流量差的存(cún)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在⛹🏻‍♀️,使孔🔴闆✔️流量(liang)計的測量流量(liang)與實際出口流(liú)量之🈚間存在偏(pian)差振蕩頻率越(yue)🌏大,偏差也越大(da)..
4)孔闆流量計作(zuò)爲的流量計量(liàng)的常用元件,該(gāi)分析結果對孔(kǒng)闆的結構設計(jì)及系統的整體(ti)動态特性研究(jiū)具有重要意義(yi). 本文來源于網(wang)絡,如有侵權聯(lián)系即删除！