摘(zhāi)要:針對(duì)孔闆流(liu)量計 測(ce)量精度(du)及節能(neng)降耗的(de)要求，對(duì)5種結構(gou)的單孔(kong)闆進行(háng)了數☔值(zhi)模拟研(yan)究。進行(háng)了數值(zhí)模拟與(yu)标準孔(kong)闆實驗(yan)比對,對(duì)模拟方(fang)法的可(ke)靠性進(jìn)行了驗(yan)證，在🔴此(ci)基礎上(shàng)進一步(bù)完成了(le)5種結⭐構(gòu)10組流速(su)下的數(shù)值研究(jiū)。通過速(su)度矢量(liang)圖得出(chū)孔口後(hou)流态🏒的(de)變化;計(jì)算流量(liàng)系數，得(de)出流量(liàng)系數與(yu)雷諾數(shù)關系曲(qu)線、軸線(xiàn)距離與(yu)壓力🔅關(guān)系圖、壓(yā)差與雷(lei)諾數關(guan)系圖。結(jié)果表明(ming),5種孔闆(pǎn)中外凹(āo)型孔闆(pan)流量計(ji)⛱️II因爲闆(pan)前緩沖(chòng)✨段較爲(wèi)理想,對(duì)流體㊙️起(qǐ)到了整(zhěng)流的作(zuò)用，減弱(ruo)了闆✂️前(qián)流體死(sǐ)區的形(xing)成和闆(pǎn)後渦流(liú)的形成(chéng),降低了(le)孔闆流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失,且🐅流(liú)量系數(shu)大,随雷(léi)諾數增(zeng)大壓差(cha)增大緩(huǎn)慢,壓力(li)恢複快(kuài)。
　　孔闆流(liú)量計是(shi)常見的(de)測流量(liang)裝置，以(yi)連續性(xìng)方程和(hé)伯努利(li)方程爲(wei)理論基(jī)礎。流體(tǐ)在通過(guò)節流元(yuán)件時,由(yóu)于流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼通(tong)面積的(de)🥰突然☀️收(shou)縮促使(shi)流體加(jia)速，産生(sheng)節流效(xiao)應,使孔(kǒng)闆前後(hòu)産生壓(yā)差,通過(guò)測量壓(yā)差從而(ér)計算出(chu)管道中(zhōng)的流量(liàng)。節流元(yuán)件的尺(chǐ)寸和結(jie)構的不(bú)同,會導(dao)緻測量(liang)精度、測(cè)量壓力(li)、管徑範(fàn)圍及流(liú)量系數(shù)随雷諾(nuò)數變化(huà)關系的(de)差異。選(xuan)擇或者(zhe)設計🏃出(chū)較爲理(lǐ)想的孔(kong)闆流量(liang)計,是計(ji)量行業(ye)發展的(de)需🌈要。采(cǎi)用數值(zhí)模拟分(fen)💞析研究(jiu)管内孔(kǒng)闆類節(jie)流元件(jian)的相關(guan)流🌈場已(yi)有數十(shí)年的曆(li)史,采用(yong)ANSYSFluent軟件,選(xuǎn)擇5種🔞标(biāo)準及非(fēi)标準孔(kong)⚽闆作爲(wèi)對象,爲(wei)非标準(zhǔn)孔闆流(liú)量💋計的(de)與發展(zhǎn)🚶提供一(yī)定依☀️據(ju)。
1研究模(mó)型
1.1幾何(he)模型
　　模(mó)拟5種不(bú)同孔闆(pǎn)形狀的(de)孔闆流(liu)量計，見(jian)圖1。
　　5種孔(kǒng)闆均按(àn)照ISO5167國際(ji)标準，确(què)定孔闆(pan)尺寸。根(gen)據相關(guan)規定,孔(kǒng)闆節流(liu)元件的(de)孔徑與(yǔ)孔闆通(tōng)徑比值(zhí)d/D=0.2~0.8;最小孔(kong)徑dmin≥12.5mm;直孔(kǒng)😘部分厚(hòu)度h=(0.005~0.02)D;總厚(hou)度H<0.05D這5種(zhong)孔闆公(gōng)稱通徑(jìng)D=40mm,節流元(yuán)件👉的孔(kong)徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流量(liang)系數計(jì)算模型(xing)
　　計算每(mei)個孔闆(pan)流量計(jì)對應的(de)流量系(xi)數見公(gōng)式(1)
 
　　式中(zhōng):qm爲流體(ti)的質量(liang)流量,kg/s;A0爲(wei)孔口截(jie)面積,m2;p爲(wei)流體密(mì)❌度,kg/m3;△p爲孔(kong)口兩側(cè)壓差,Pa。
2模(mo)型驗證(zhèng)及數值(zhí)模拟
2.1實(shi)驗驗證(zheng)過程
　　爲(wei)了确保(bao)數值模(mo)拟過程(chéng)設置正(zhèng)确,将模(mo)拟結果(guǒ)與✊實驗(yan)👅值進行(háng)了比對(duì)實驗采(cai)用裝置(zhì)見圖2。
 
　　水(shui)由離心(xin)泵從水(shuǐ)箱抽出(chu)後,經過(guo)孔闆流(liu)量計，通(tong)過彎管(guan)再流回(huí)水箱。其(qi)中孔闆(pan)流量計(ji)爲标準(zhun)型，管道(dào)内徑40mm,孔(kong)闆口徑(jìng)35mm,孔闆厚(hòu)度5mm。在不(bu)同的閥(fa)門開度(dù)下,測試(shi)孔闆流(liu)量計壓(ya)差,計👨‍❤️‍👨算(suàn)流量及(ji)流量🔆計(jì)流量系(xì)數。實驗(yàn)、模拟結(jié)果對比(bǐ)見圖3。
 
　　由(yóu)圖3可知(zhi)，模拟與(yu)實驗吻(wen)合,對模(mó)拟方法(fa)的可靠(kao)性進行(háng)🙇‍♀️了驗證(zhèng).。
2.2數值模(mó)拟設置(zhi)
　　由于孔(kǒng)闆流量(liang)計的軸(zhou)對稱特(tè)性，流體(tǐ)在經過(guò)孔闆流(liú)量計🌈時(shí)也是對(duì)稱的,因(yīn)此選用(yòng)1/2實體及(jí)對稱面(mian)結構。應(ying)用“mesh”進行(hang)模拟實(shi)體的網(wang)格劃分(fèn)，見圖4。
 
　　由(yóu)于孔闆(pǎn)流量計(jì)結構簡(jian)單,因此(ci)在劃分(fen)網格時(shi)隻需在(zai)節流元(yuan)🚩件處既(jì)縮口處(chù)進行網(wang)格的加(jia)密。該模(mo)拟中🏃‍♂️采(cǎi)用的介(jie)質爲20℃的(de)水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操作(zuo)壓力爲(wèi)标準大(da)氣壓。采(cai)用3D求解(jiě)器，湍流(liu)方程用(yong)“标準😘k-epsilon”方(fāng)程;選用(yong)速度進(jìn)口和壓(ya)力出口(kou)邊界條(tiao)🍓件,進行(hang)叠代求(qiu)解計算(suàn)。
　　在模拟(nǐ)過程中(zhong)取闆前(qián)2D、闆後5D,即(jí)闆前80mm、闆(pǎn)後200mm爲計(jì)算域。5種(zhong)㊙️孔闆設(shè)定10個統(tong)一的進(jìn)口流速(sù),分别爲(wèi)0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應的(de)雷諾數(shu)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(guo)與讨論(lùn)
　　以ʋ=0.2m/s時孔(kong)闆的模(mo)拟結果(guǒ)爲例,各(ge)孔闆流(liu)量計的(de)速度☁️矢(shǐ)量雲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼圖(tú)⭐見圖5.
 
 
 
　　由(yóu)圖5可知(zhī)，流體在(zai)經過闆(pan)前區域(yu)時流道(dào)急劇收(shou)縮，速度(du)增大。其(qí)中标準(zhǔn)孔闆I所(suǒ)形成的(de)孔後大(dà)速度值(zhi)💰高,爲1.2m/s;外(wài)凸⭐型孔(kong)闆川⛹🏻‍♀️I、加(jia)厚型孔(kong)闆IV次之(zhi),約爲1m/s;外(wai)凹型孔(kong)闆I1和直(zhí)邊型孔(kǒng)闆V較小(xiao),分别爲(wèi)0.88和0.74m/s。外✌️凸(tū)型孔闆(pan)II低🔴流速(su)較大，直(zhí)邊型孔(kong)闆V次之(zhi),其🐪餘均(jun1)基本相(xiang)等。經過(guò)♋孔口後(hou)部分流(liú)體流動(dòng)方向發(fā)生改變(bian),産生了(le)一定的(de)渦流區(qu)域🆚，形成(chéng)湍流,孔(kong)闆的.結(jie)構不同(tóng)造成的(de)旋🔴渦湍(tuān)流區域(yù)形狀及(ji)發展長(zhang)度也明(ming)顯不同(tóng)。标準孔(kong)闆I湍流(liu)區較寬(kuān),湍流長(zhǎng)度較長(zhǎng)。外凹型(xíng)孔闆II湍(tuan)流段較(jiào)短,流場(chang)爲整齊(qi),從而也(yě)推測出(chū)其節流(liu)損失小(xiao)。
　　對5種孔(kǒng)闆進行(hang)了進一(yi)步的數(shù)據采集(jí),保持孔(kong)闆的直(zhí)徑比不(bu)改變。由(you)流量分(fen)别計算(suan)對應的(de)雷諾數(shù),采♈集每(mei)個孔闆(pǎn)每個流(liú)速所對(duì)應的闆(pǎn)前D、闆後(hòu)D/2取壓點(diǎn)所在平(ping)面的平(ping)均壓力(li)，即闆前(qian)40mm、闆後20mm計(jì)算壓差(chà),并根據(jù)公式(1)計(jì)算出每(měi)個孔闆(pǎn)對應的(de)流量系(xi)數,得到(dao)流量系(xi)數與雷(lei)🈲諾數關(guan)系曲線(xiàn)圖見圖(tú)6。
 
　　由圖6可(ke)知,雷諾(nuò)數的變(biàn)化對流(liú)量系數(shù)影響不(bú)大,說明(míng)這幾種(zhǒng)孔闆都(dou)具有良(liáng)好的穩(wen)定性。外(wài)凹型孔(kǒng)闆II的流(liu)量系數(shu)比其他(ta)🏒4種大💰，标(biao)準孔闆(pǎn)I小;加厚(hou)型孔闆(pan)IV的流量(liang)系數曲(qu)線在較(jiao)大及較(jiào)小雷諾(nuò)數時變(bian)化明顯(xiǎn),因此該(gai)類型穩(wěn)定性稍(shāo)差;直邊(biān)型孔闆(pan)V穩定性(xing)好🐇。
　　沿軸(zhóu)向的距(jù)離L與壓(yā)力的關(guān)系見圖(tú)7。
 
　　由圖7可(ke)知，幾種(zhǒng)孔闆壓(yā)降位置(zhì)、壓降大(dà)小及壓(yā)力恢複(fú)性不同(tóng)。加厚型(xíng)孔闆IV的(de)壓降位(wèi)置靠前(qián),直邊型(xíng)孔闆V靠(kao)後,其餘(yu)三者基(ji)本接近(jin);标準孔(kong)闆I的壓(ya)降大,外(wài)凹型孔(kǒng)闆II壓降(jiang)小;外凹(ao)型孔闆(pan)II的壓力(li)恢複快(kuai)。
　　壓差△p與(yǔ)雷諾數(shù)的關系(xi)曲線見(jiàn)圖8。
 
　　由圖(tú)8可知，幾(jǐ)種孔闆(pan)壓差△p随(suí)着雷諾(nuò)數的增(zeng)大而增(zēng)大,增⚽加(jiā)趨✨勢基(jī)本相同(tong),其中标(biao)準孔闆(pan)I增加快(kuai)大,外凹(ao)型🚶‍♀️孔闆(pan)💋II增大🔞緩(huan)慢。
4結論(lun)
　　通過流(liú)場模拟(ni)雲圖、流(liú)量系數(shù)與雷諾(nuo)數的曲(qǔ)線關系(xì)、中🐕心軸(zhou)線❤️壓力(lì)分布曲(qu)線、壓差(chà)△p與雷諾(nuo)數的曲(qǔ)線關系(xi)的分析(xi)可以得(de)出,5種👅孔(kong)闆中外(wai)凹型孔(kǒng)闆流量(liàng)計II因爲(wèi)闆前緩(huǎn)⭕沖段較(jiao)爲理想(xiǎng),對流體(tǐ)起到了(le)整流的(de)作用,減(jiǎn)弱了闆(pan)前流體(tǐ)死區的(de)形成和(hé)闆後渦(wo)流的形(xing)成,降低(di)了孔闆(pan)流量計(ji)的壓力(lì).損失。且(qie)流量系(xi)數大,随(sui)雷諾數(shù)♉增大壓(ya)差增大(dà)緩慢,壓(ya)力恢複(fu)快，是5個(gè)類型中(zhong)性能較(jiào)好的一(yī)🚶種。在進(jin)行單孔(kong)闆流量(liàng)計的設(shè)計時，不(bú)但要滿(man)足直徑(jìng)比,還應(yīng)該考慮(lǜ)孔闆的(de)☎️厚度和(hé)孔闆闆(pǎn)前的過(guo)渡段。孔(kong)闆的厚(hou)度不宜(yí)太薄✨也(yě)不宜過(guo)厚,過渡(du)段對流(liú)體要能(néng)進行整(zhěng)合,使流(liu)體盡可(ke)能緩和(he)的流人(ren)。在孔闆(pan)的設計(jì)及使用(yòng)中,應結(jie)合實🏃際(jì)情況,應(yīng)用合适(shi)尺寸類(lei)型的孔(kǒng)闆，确保(bǎo)流量👄系(xi)數穩定(ding),并降低(dī)壓力損(sun)失,保證(zhèng)流場穩(wěn)定,進而(er)提高孔(kǒng)闆流量(liang)計👈的質(zhi)量和測(ce)量的精(jing)度。

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