摘(zhai)要:超臨(lin)界二氧(yang)化碳循(xún)環發電(diàn)技術采(cai)用超臨(lin)界狀态(tai)下的二(er)氧化碳(tàn)代替傳(chuan)統水蒸(zheng)氣工質(zhì),由于物(wu)性發生(sheng)巨🔞大變(biàn)化,質量(liang)流量測(ce)量與計(ji)算方法(fa)需重🌈新(xīn)構建。本(běn)文開展(zhan)了孔闆(pǎn)流量計(jì) 數值模(mo)拟研究(jiu),使用fluent軟(ruan)件模拟(ni)計算了(le)孔闆直(zhí)徑比、節(jiē)流孔厚(hou)🤩度、孔闆(pǎn)厚度等(deng)結構參(cān)數對流(liu)量系數(shu)的影響(xiǎng),結果表(biǎo)明🔴現行(háng)标準對(dui)超臨界(jiè)二氧化(hua)碳并不(bú)🧡适用。本(ben)文提出(chū)了針對(dui)🌈超臨界(jiè)二氧化(hua)碳工質(zhì)的孔闆(pan)流量計(ji)結構參(can)數推薦(jiàn)範圍,在(zài)該範圍(wei)内絕大(dà)多♉數計(ji)算結果(guo)相對誤(wu)差小✉️于(yú)2%,并針對(duì)入口邊(biān)緣鈍化(hua)提出了(le)新修正(zheng)系數,修(xiū)正後計(ji)算結果(guǒ)相對誤(wu)🔅差爲0.11%~1.85%,滿(mǎn)足測量(liàng)精度要(yao)求。
　　伴随(sui)着經濟(jì)社會的(de)不斷發(fa)展,我國(guo)發電機(jī)組在發(fā)🔴電🌈效率(lǜ)、能源結(jié)構、環境(jing)效益等(děng)多方面(mian)都面臨(lín)着轉型(xíng)升級的(de)嚴峻挑(tiāo)戰。中國(guó)在2007年已(yi)經成爲(wèi)全球溫(wēn)室氣體(tǐ)第⚽一大(dà)排㊙️放國(guo)家🧑🏾‍🤝‍🧑🏼川。習(xí)近平總(zong)書記在(zài)聯合國(guo)-般性辯(bian)論會.上(shang)承諾[2],中(zhōng)國碳排(pai)放量力(li)争分别(bié)于2030年和(he)2060年前實(shi)現達峰(feng)和中和(he)🌈,作爲一(yī)種變✨革(ge)性火力(li)發電技(jì)術超臨(lin)界二氧(yang)化碳循(xun)環是實(shí)現能源(yuan)結構轉(zhuan)型進程(chéng)中的重(zhòng)要手段(duàn)。
　　随着“雙(shuang)碳”目标(biāo)的逐步(bù)落實，超(chao)臨界二(er)氧化碳(tàn)(溫度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼高(gāo)于303.98K、壓🔞力(lì)高于7.38MPa)被(bei)廣泛應(yīng)用,其作(zuo)爲工質(zhì)的布雷(léi)頓🌈循環(huan)具有極(ji)高的熱(rè)源适用(yong)性,可應(ying)用于太(tai)陽能、核(hé)能、餘熱(re)等多種(zhong)場景。且(qiě)由于超(chāo)🏃🏻‍♂️臨界二(èr)氧化碳(tan)密度大(da)、黏性小(xiǎo)🌈、壓縮性(xìng)好、循環(huan)過程無(wu)相變，相(xiàng)比于傳(chuan)統水工(gōng)質,超臨(lín)界二氧(yang)化碳循(xún)環珂以(yi)實現更(gèng)高的循(xún)環效率(lü),Dostal等[3]指出(chū)在透平(ping)人口工(gong)質溫度(du)高于550℃條(tiáo)件下,超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tan)循環發(fā)電系統(tǒng)性能顯(xiǎn)著高于(yú)水循🐪環(huán)系統。此(ci)外，配合(hé)🏃🏻‍♂️間歇性(xing)、随機性(xing)強💔的可(kě)再生能(neng)源供電(diàn)以📧保障(zhang)社會用(yòng)電穩定(dìng)是未來(lái)火力發(fā)電重要(yào)任務,超(chāo)臨界二(èr)氧化碳(tàn)系統靈(líng)活性高(gao)、能實現(xian)完全熱(rè)電解耦(ǒu)的特點(dian)也使其(qi)更能滿(man)足未來(lái)火力發(fā)電的深(shēn)度調峰(feng)需求。
　　系(xì)統内部(bù)流動工(gōng)質流量(liang)的正确(que)測量是(shi)其得以(yǐ)應用的(de)基礎。當(dāng)前超臨(lín)界二氧(yang)化碳主(zhǔ)要用于(yu)藥物/化(huà)學試劑(jì)萃取、油(you)田驅油(you)等溫度(du)、壓力相(xiàng)對較低(dī)的場景(jǐng),而超臨(lín)界二氧(yang)化碳循(xun)環系❗統(tong)需要二(èr)氧化碳(tàn)工質達(da)到極高(gāo)的溫度(dù)🌈與壓力(lì),二氧化(huà)碳的密(mì)度、比熱(re)、黏度等(děng)物性參(cān)數發生(sheng)了顯著(zhe)變化,對(dui)于該條(tiao)件下二(èr)氧化碳(tan)流量測(ce)量,傳統(tong)流量測(cè)量方法(fǎ)将不再(zài)适用。孔(kong)闆流量(liang)計是--種(zhǒng)技術成(cheng)熟且适(shi)合于高(gao)溫高壓(ya)流體流(liú)量測:量(liang)的方法(fǎ),經過多(duo)年發展(zhan)孔闆流(liú)量計已(yǐ)形成标(biao)♍準化形(xing)式,主要(yào)包括兩(liǎng)部分,分(fèn)别是具(ju)有直角(jiao)邊緣的(de)-段節流(liu)孔,以及(jí)在節流(liú)孔後具(ju)有一斜(xie)🔞角的錐(zhuī)形擴流(liú)段,其結(jié)構🚶‍♀️如圖(tu)1所示。然(rán)而有關(guan)測量超(chao)臨界二(èr)氧化碳(tan)循環中(zhong)工質流(liu)🈲量的孔(kǒng)闆流量(liang)計✂️設計(jì)方案✍️,國(guó)内外并(bing)無經驗(yan)借鑒。因(yin)此需🔴要(yào)針對超(chāo)臨界二(èr)氧化碳(tàn)工質的(de)全新特(te)性,探究(jiu)孔闆結(jie)構❄️參㊙️數(shu)的變化(hua)對于流(liu)量系數(shù)的影響(xiang),同時驗(yàn)證現有(yǒu)标準中(zhōng)的相關(guān)規定對(dui)于超🙇🏻臨(lin)界二氧(yǎng)化碳🤞工(gōng)質是否(fǒu)适用。.
　　我(wǒ)國學者(zhe)采用數(shu)值模拟(ni)爲主,實(shi)驗驗證(zhèng)爲輔的(de)研究方(fang)式,以水(shuǐ)或天然(rán)氣爲研(yán)究對象(xiang),開展了(le)管徑、孔(kǒng)📐徑厚度(dù)等結構(gòu)參數對(dui)孔闆流(liú)量計的(de)影響研(yán)究。孔闆(pǎn)直徑比(bǐ)、厚度😘等(děng)參數會(huì)顯著✍️影(ying)響孔闆(pǎn)的節流(liú)特性,從(cong)而影響(xiang)流量計(jì)的計量(liang)性能。當(dāng)直徑比(bǐ)小于0.3時(shi)💚,流量系(xi)數随直(zhi)徑比增(zēng)加而快(kuài)速下降(jiàng)🏃🏻,當直徑(jing)比大🔅于(yu)0.3時，流量(liang)系數逐(zhu)漸遞增(zeng),但增速(sù)較緩;直(zhí)徑比在(zai)0.2~0.8範圍内(nei)時，流量(liàng)系數🌈随(suí)β增大呈(cheng)先減小(xiǎo)🙇‍♀️後增大(da)的趨勢(shì),并以0.55爲(wèi)分界點(dian),其中β在(zài)0.45~0.65之間時(shí)可控制(zhì)誤差在(zài)3%以内。與(yu)直徑比(bǐ)不同,流(liú)量系數(shu)随孔闆(pǎn)厚度的(de)變化特(tè)性👉較--緻(zhì)。厚度e增(zeng)加，流出(chu)系數直(zhí)線上升(sheng);林棋等(deng)人[4-5]也認(ren)爲流出(chū)系數🎯随(suí)縮徑孔(kǒng)厚度增(zēng)大而增(zeng)大;在模(mó)型中♋考(kǎo)慮了引(yǐn)壓管的(de)存在,結(jié)果顯示(shi),e變化0.15mm時(shí)，流出系(xì)數👌變化(hua)1.56%;e變化1mm時(shí)，流出系(xi)數變化(hua)2.125%。
 
　　近年來(lai)的理論(lun)知識、不(bú)斷優化(hua)的算法(fǎ)以及不(bu)斷更新(xīn)擴充的(de)實驗數(shu)據庫等(deng)都保證(zhèng)了數值(zhi)模拟研(yan)究的正(zheng)确率與(yǔ)精度,因(yīn)而逐漸(jiàn)成爲主(zhǔ)流研究(jiu)方法之(zhī)一。孔闆(pan)流量計(ji)管道内(nèi)部介質(zhi)流動複(fu)雜,參數(shu)變化劇(ju)烈,采用(yòng)㊙️數值模(mo)拟方法(fa)可以有(you)效捕捉(zhuo)到管道(dao)内☂️部的(de)細微變(bian)化,因此(cǐ)是孔闆(pǎn)流量計(ji)研究的(de)有力工(gōng)🐆具。部分(fèn)學者利(lì)用數值(zhí)模拟對(duì)孔闆流(liú)量計結(jie)構進行(hang)了優化(hua)設計。利(lì)用Fluent模拟(ni)了一種(zhǒng)半雙曲(qu)線型的(de)新式孔(kong)闆流量(liang)計,并同(tong)時利用(yòng)牛頓流(liú)體和♈非(fēi)牛頓流(liú)體進行(háng)驗證，發(fa)現這種(zhong)⁉️流量計(ji)㊙️可使内(nèi)部介質(zhi)近似📞無(wu)剪切流(liu)動,大大(dà)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼消除了(le)😘渦流和(he)停滞區(qu)等流動(dong)結☂️構;研(yán)究發現(xian)在孔闆(pan)流量計(ji)下遊插(cha)入-個環(huán)可以有(yǒu)效減少(shǎo)壓力損(sǔn)失,并利(lì)用數值(zhí)模拟和(he)遺傳算(suan)法優化(huà)結構,可(kě)減少33.5%的(de)壓力損(sǔn)失,極大(dà)的降🙇‍♀️低(dī)了能耗(hào)和🙇‍♀️成本(ben)。
　　因此,本(ben)文進行(háng)了孔闆(pan)流量計(ji)結構參(can)數對于(yú)流量系(xì)數影響(xiǎng)的模拟(nǐ)研究,包(bāo)括直徑(jing)比、節流(liú)孔厚度(du)、孔闆厚(hòu)度等結(jie)構參數(shù),明确了(le)在超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳工(gōng)✏️質典型(xíng)工況下(xia)⭕不同結(jié)構參數(shu)✔️對流量(liàng)系數的(de)影響,同(tong)時将通(tong)過現行(hang)孔⛱️闆流(liu)量計國(guó)際标準(zhun)文件中(zhōng)經🤩驗公(gōng)式計算(suàn)得到的(de)結果🈲與(yu)數值模(mo)拟㊙️結果(guǒ)進行比(bi)🚩較,提出(chū)了針對(duì)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhì)的孔闆(pǎn)流量計(ji)結構參(can)數推薦(jiàn)範圍與(yu)推薦設(shè)計🔞值,提(ti)升了其(qi)測量精(jīng)度。除此(ci)之外，還(hái)探究了(le)孔闆人(rén)口直角(jiǎo)邊緣鈍(dùn)化對孔(kong)闆流量(liàng)計測量(liàng)精度的(de)🌏影響,并(bing)據此提(ti)出了新(xīn)的針對(dui)現行孔(kong)闆流量(liang)計國際(ji)标準文(wén)件中經(jing)驗🤞公式(shì)計算得(dé)🙇🏻到的流(liú)量系數(shu)的修正(zheng)系數。
1.計(jì)算模型(xíng)與模拟(nǐ)方法
1.1模(mó)型建立(lì)與網格(ge)劃分
　　根(gen)據标準(zhun)文件[1]規(gui)定的孔(kong)闆流量(liang)計結構(gòu)設計與(yu)參數🔞要(yao)求📧，本🈲文(wen)分别建(jiàn)立了DN25和(hé)DN200兩種管(guan)徑的孔(kong)闆流量(liàng)計,結構(gou)參數如(rú)表1所示(shi),在後文(wén)進行相(xiàng)關研究(jiū)時均以(yi)該表中(zhōng)的結構(gou)參數爲(wèi)基礎參(cān)數,依💯據(ju)該參數(shu)使用SolidWorks軟(ruan)件建立(li)了孔闆(pǎn)流量計(jì)及其前(qian)後一定(dìng)長度管(guan)道的幾(jǐ)何模型(xing),如圖2所(suo)示🚶‍♀️。
 
 
　　本文(wén)采用非(fei)結構化(hua)網格進(jìn)行模拟(ni)計算,利(li)用AnsysMeshing軟件(jian)将孔闆(pǎn)流量計(ji)管道劃(huà)分爲四(si)面體網(wǎng)格和六(liù)面體🐪網(wǎng)格相結(jie)🔴合的混(hun)合形式(shi)。除此之(zhi)外,爲了(le)準确捕(bu)捉到流(liu)場内的(de)細😄微變(biàn)化,在介(jiè)質與管(guan)道内壁(bi)接觸處(chù)進行邊(bian)界層的(de)網格劃(hua)分，采用(yòng)平滑過(guò)渡法,第(di)一層高(gao)度根據(jù)面㊙️網格(gé)和過渡(dù)比進行(háng)确定,最(zui)大層數(shu)爲5層，增(zeng)長率爲(wèi)1.2,這時邊(bian)界層總(zong)厚度是(shì)變化的(de),對👅于複(fú)雜流動(dong)更☔有效(xiào)，結果如(rú)圖💛3所示(shì)。
 
　　爲提高(gāo)節流孔(kong)闆内部(bu)及其到(dao)前後取(qǔ)壓截面(miàn)處的🚶‍♀️模(mo)拟精度(dù),利☔用影(ying)響球對(duì)孔闆前(qián)後長度(du)爲D的流(liu)場範圍(wéi)⛷️内進行(hang)了♉局部(bù)網格加(jiā)密,網格(ge)數量過(guò)少會導(dǎo)緻計算(suàn)精度不(bú)足,而過(guo)多的網(wang)格數量(liàng)則會無(wú)謂地加(jiā)大計算(suàn)工作量(liang),降🔱低計(ji)算速度(du)。本文對(duì)DN25和DN200兩種(zhǒng)管🤩徑不(bú)同的管(guǎn)道進行(hang)網格數(shu)量與計(jì)算結果(guo)無關性(xing)的驗證(zheng)，綜合計(jì)🍉算精度(dù)與計算(suan)速度考(kǎo)慮,對于(yú)DN25管道,選(xuǎn)取網格(gé)數分别(bie)爲956036和1190483時(shí),在各點(dian)測出的(de)壓力相(xiàng)差均小(xiǎo)于0.01%，因此(ci)選擇劃(hua)分網格(gé)數爲956036;對(duì)于DN200管道(dào),選取網(wǎng)格數分(fen)别♍爲2308874與(yu)4328293時,在各(gè)點測出(chū)的壓力(li)相差均(jun)小于0.01%，因(yīn)此選擇(zé)劃分網(wang)格數爲(wèi)🌂2308874。
1.2模拟程(cheng)序參數(shu)設置
1.2.1物(wù)性參數(shù)設置
　　Refprop軟(ruan)件由NIST開(kāi)發，該軟(ruan)件含有(you)豐富的(de)數據庫(kù)以及适(shì)用于🍉超(chao)臨界CO,的(de)多個狀(zhuàng)态方程(chéng)。本文通(tong)過在Fluent軟(ruan)件中激(ji)活NISTRealGas模🔴型(xing)[川進行(hang)調用,計(jì)算超臨(lin)界二氧(yang)化碳流(liú)體的物(wù)性參數(shù)。其中物(wù)性參數(shu)采用FEK狀(zhuang)态方⛷️程(cheng)模型計(jì)算✔️，黏度(du)采用VS1模(mo)型,導熱(rè)系數采(cai)用TC1模型(xíng),各模🔞型(xing)的相關(guān)㊙️參數如(ru)表2所示(shì)。
 
1.2.2邊界條(tiáo)件設置(zhì)
　　本文針(zhēn)對超臨(lín)界二氧(yǎng)化碳鍋(guo)爐人口(kou)處的循(xún)環工質(zhì)進行流(liu)量系數(shù)測量的(de)數值模(mo)拟研究(jiū),設置了(le)質量流(liú)量人口(kǒu)與壓力(lì)出口,溫(wēn)度、壓力(li)等參數(shù)的選取(qu)爲超臨(lin)界二氧(yǎng)🤞化碳鍋(guo)爐入口(kǒu)處工質(zhi)典型參(cān)數,即750K、21MPa。由(you)于循環(huán)系統運(yun)行于高(gao)壓環境(jing)，管道的(de)壓力損(sǔn)失相較(jiào)而言很(hěn)小，因此(cǐ)可認爲(wèi)管道壓(ya)力🔞爲恒(héng)定.值,壓(ya)🐆力出口(kou)參數設(she)🥰置與人(ren)口相同(tong),其餘參(can)數保持(chí)默認不(bu)變;由于(yú)超臨界(jiè)🌍二氧化(hua)碳鍋爐(lu)人口處(chù)管道一(yī)般采㊙️取(qu)嚴格保(bao)溫措施(shi),因此可(ke)忽略壁(bì)面與工(gong)質間的(de)換熱,設(she)置爲絕(jué)熱邊界(jiè)。
1.2.3數值模(mo)型設置(zhi)
　　本文主(zhu)要模拟(ni)超臨界(jie)二氧化(huà)碳工質(zhi)流經孔(kǒng)闆流量(liàng)計🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的流(liú)💚動過程(chéng),基本方(fāng)程包含(han)質量、動(dong)量和能(néng)量🐆輸運(yun)方程,由(yóu)雷💛諾數(shù)的定義(yi)公式
 
　　計(ji)算可知(zhī)本文針(zhen)對的超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tàn)工況下(xià)雷諾數(shù)均遠大(da)于4000,因此(cǐ)管道内(nèi)的流動(dòng)均處于(yu)湍流狀(zhuàng)态,在👉進(jin)行♊數值(zhí)模拟時(shí)需進行(hang)湍流模(mo)型的設(she)置,本文(wen)選擇SSTh-ɷ湍(tuan)流模型(xíng)。
1.2.4求解參(cān)數設置(zhì)
　　FLUENT中的亞(ya)松弛因(yin)子主要(yao)控制計(jì)算過程(cheng)中每次(cì)叠代的(de)變化量(liang),可以通(tong)過減少(shǎo)兩層次(ci)之間計(ji)算.結果(guo)的差值(zhí)從而促(cu)進收斂(liǎn)。本文設(she)置的亞(ya)松弛因(yin)子如表(biǎo)3所示。
 
1.3模(mó)型的驗(yan)證
　　基于(yú)上述設(she)置，本文(wén)針對溫(wen)度爲535.1~642.5K、壓(ya)力爲19MPa、質(zhi)量流量(liàng)爲1.28kg/s的😍實(shí)驗工♊況(kuàng)進行了(le)模拟研(yan)究,模拟(ni)的孔闆(pan)結構參(can)數、溫度(dù)、壓力、流(liu)量等參(cān)數以及(jí)數據處(chù)理方法(fa)均與實(shí)驗保持(chí)--緻,得到(dào)了超臨(lín)界二氧(yang)化碳工(gōng)質的流(liu)✏️量系數(shu)。将模拟(ni)計算得(de)到的流(liu)量系數(shu)與實流(liu)測量結(jie)果進行(hang)對比,結(jié)果如圖(tu)🈲4所示。,通(tong)過數🏃‍♂️值(zhi)模拟得(de)到的流(liú)量系數(shù)與實驗(yan)數據總(zong)體趨勢(shì)相似,在(zai)數值上(shang)均高于(yú)實㊙️驗數(shù)據,但相(xiàng)對于實(shi)驗數📱據(ju)的偏差(chà)較小🌈,偏(pian)差爲1.62%~2.69%。
 
　　造(zao)成偏差(chà)的原因(yīn)可能有(yǒu)多種,如(rú)實驗選(xuǎn)用測量(liàng)儀表具(jù)有♉一定(dìng)的不确(què)定度、模(mó)拟參數(shù)的設置(zhi)無法與(yu)真實情(qing)況完全(quan)對應、收(shou)斂🈲判據(ju)設置不(bu)嚴格等(deng)等。爲🔅了(le)降低模(mo)拟結🚶果(guǒ)與實驗(yàn)數據❗的(de)偏差,本(ben)文分别(bie)按‼️各模(mó)拟結🐅果(guo)相對同(tóng)工況下(xia)實驗數(shù)據的偏(piān)差平均(jun)值進行(háng)修正。模(mo)拟得到(dao)流量系(xi)數相對(duì)🏃實驗數(shu)據平均(jun1)增大0.013,因(yīn)此對模(mó)拟結果(guǒ)減去該(gāi)修正值(zhi),修正後(hòu)相對偏(piān)差爲🐆0.016%~0.674%。
上(shàng)述結果(guǒ)說明數(shu)值模拟(nǐ)方法與(yu)實驗結(jie)果的一(yī)緻性較(jiao)好,因🐅此(ci)❗本文建(jiàn)立的數(shù)值模拟(ni)方法可(ke)用于後(hou)續進一(yi)步💔的研(yán)究。
2孔闆(pan)結構參(can)數對流(liu)量系數(shu)影響
2.1直(zhi)徑比的(de)影響
　　直(zhí)徑比會(hui)顯著影(ying)響孔闆(pan)對于介(jiè)質流過(guò)的節流(liu)效果,改(gai)變介質(zhì)流過的(de)速度、壓(yā)力等參(cān)數,是影(ying)響孔闆(pan)流量計(jì)測量性(xìng)能的首(shou)要因素(su)。ISO國際标(biao)準中規(gui)定,孔闆(pǎn)流量計(jì)的直徑(jing)比一般(ban)在0.1~0.75内變(biàn)化,本文(wen)分别選(xuǎn)取直徑(jìng)比在0.3~0.9之(zhī)内的7個(gè)💔工況進(jìn)行了模(mo)拟計算(suàn),探究孔(kǒng)闆流量(liang)計直徑(jìng)比對流(liu)量✂️系數(shù)的影響(xiǎng)⛷️，得到的(de)結果❤️如(rú)圖5所示(shi)。
對數據(jù)進行分(fèn)析可知(zhi):
(1)孔闆流(liú)量系數(shù)随直徑(jing)比的變(bian)化趨勢(shi)與管徑(jing)無關。随(sui)着孔闆(pan)直徑比(bi)增大,DN25和(he)DN200管道内(nei)孔闆流(liú)量系數(shù)呈現近(jìn)👌似相同(tóng)變化趨(qu)勢;上升(shēng)-平穩-.上(shàng)升,主要(yao)區别在(zai)😍于前者(zhe)在β爲0.4~0.8範(fàn)❗圍内較(jiào)平穩、而(er)後者在(zài)0.5~0.8範圍内(nei)較平穩(wen);
(2)标準文(wén)件[10]中經(jing)驗計算(suan)公式的(de)結果随(sui)直徑比(bi)增加而(ér)逐漸🌈下(xia)降,其中(zhōng)直徑比(bǐ)在0.3~0.6範圍(wei)内時下(xià)降趨勢(shì)較平緩(huan),當超過(guo)0.6時下降(jiàng)值逐漸(jian)增大;
(3)孔(kǒng)闆流量(liàng)系數在(zài)β爲0.3~0.6時小(xiǎo)于經驗(yan)公式計(jì)算值,此(cǐ)範圍内(nei)使用經(jing)驗計算(suàn)公式會(hui)使測量(liàng)結果較(jiào)真實值(zhi)🌈大2.45%~47.03%;β在0.7~0.9時(shí)孔⭐闆流(liú)量系數(shù)大于經(jing)驗公式(shì)計算值(zhí)，此時♋使(shi)用經🔞驗(yàn)計算♋公(gong)式會使(shǐ)測量😍值(zhí)比實際(ji)值小0.5%~60.19%;
(4)當(dāng)直徑比(bǐ)在标準(zhǔn)文件[10]規(guī)定的0.1~0.75範(fàn)圍内時(shi),孔闆流(liu)量系數(shù)的模拟(ni)結果與(yu)經驗公(gong)式計算(suan)結果的(de)相對誤(wù)差波動(dong)較大,如(rú)對DN25管🐇道(dao)而言,β爲(wei)0.3時相對(dui)偏差達(da)到47.03%,而β爲(wei)0.7時相🔴對(dui)偏差僅(jin)爲0.5%。因此(ci)對于超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tan)工質而(ér)言，孔🈲闆(pǎn)直徑比(bi)💯的選擇(zé)範🈲圍應(yīng)較标準(zhǔn)規定範(fàn)圍縮小(xiao);對于超(chao)臨界二(er)氧化碳(tan)工質而(ér)言,直徑(jìng)比在🌈0.6~0.7範(fan)圍内時(shí)孔闆流(liu)量系數(shu)的模‼️拟(ni)結果與(yǔ)經驗公(gōng)式計算(suàn)結果🏃🏻的(de)相對誤(wù)差較小(xiǎo)，其中DN25管(guan)💚道相對(duì)誤差爲(wèi)0.5%~2.45%,DN200管道相(xiang)對誤差(cha)爲2.27%~3.6%。
 
2.2節流(liú)孔厚度(du)的影響(xiang)
　　孔闆節(jie)流孔厚(hòu)度決定(ding)了超臨(lín)界二氧(yang)化碳工(gōng)質流過(guò)收縮管(guan)道的長(zhǎng)度,是影(ying)響孔闆(pan)節流能(neng)力的主(zhu)要參數(shù)之一，會(huì)對工質(zhi)流過孔(kǒng)闆的流(liu)速、壓力(li)等參數(shù)産生影(yǐng)響,進而(er)影響測(cè)🏃‍♀️量結果(guǒ)。标準文(wen)件[10]規定(dìng)标準孔(kǒng)闆節流(liú)孔厚度(dù)應🌈在0.005D~0.02D之(zhī)間,對應(ying)DN25管道的(de)e應在0.115~0.46mm,DN200管(guan)道的e應(ying)在0.695~2.78,本文(wen)分别模(mó)拟了DN25管(guǎn)道e爲0.1~0.7mm、DN200管(guǎn)道e爲0.2~4.2mm時(shi)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhì)‼️流過節(jie)流孔闆(pǎn)😄的流量(liàng)系數變(biàn)化,爲便(bian)于對比(bi),以e/D爲橫(heng)坐标将(jiang)結果表(biao)示👈在圖(tú)6中。
 
對數(shù)據進行(hang)分析可(kě)知:
(1)孔闆(pǎn)流量系(xi)數随e/D的(de)變化趨(qu)勢與管(guǎn)徑無關(guan)。随着e/D逐(zhú)💯漸增加(jia),DN25和DN200管道(dao)内孔闆(pan)的流量(liang)系數均(jun1)呈現先(xian)減小後(hòu)增大的(de)趨勢，分(fen)别在e/D爲(wèi)☀️0.017和0.023時達(dá)到最小(xiao)值，此後(hou)流🍓量系(xì)數先急(ji)劇增大(dà),随後保(bao)持平緩(huǎn)增長;
(2)标(biao)準文件(jian)[I0]中經驗(yàn)計算公(gōng)式的結(jie)果不随(sui)節流孔(kǒng)厚度而(ér)發生改(gǎi)變,其中(zhong)DN25管道的(de)經驗公(gōng)式計算(suan)結果略(luè)大-一✉️些(xiē),模拟得(dé)到的DN25和(he)DN200管道的(de)流量系(xì)數均小(xiǎo)于經驗(yan)公式計(jì)算結果(guo),其中前(qian)者的相(xiang)對誤差(cha)爲0.18%~1.84%,後者(zhe)的相對(duì)誤差爲(wei)0.31%~2.05%;
(3)在标準(zhun)文件[10]規(guī)定孔闆(pan)節流孔(kong)厚度範(fan)圍内,孔(kǒng)闆流量(liang)系數模(mó)拟結果(guǒ)與經驗(yan)公式的(de)相對誤(wu)差均在(zai)2%以下,因(yīn)此标準(zhǔn)中規定(dìng)的孔闆(pǎn)節流孔(kǒng)厚度範(fàn)圍可以(yi)接受;同(tóng)時還發(fa)👉現當節(jiē)流孔厚(hou)度超過(guo)規定範(fan)圍一定(ding)值後,相(xiàng)對誤差(chà)仍可接(jie)受,甚至(zhì)相對誤(wu)差還可(ke)能⚽減少(shao)，如DN25管道(dào)的e爲0.6mm、0.7mm時(shi),均超出(chu)了規定(ding)上限0.46mm,但(dàn)相對誤(wu)差分别(bie)達到🌈了(le)0.3%和0.18%，因此(cǐ)标準中(zhong)🏃🏻規定的(de)節流孔(kǒng)厚度範(fan)圍在針(zhen)☀️對超臨(lín)❤️界二氧(yang)化碳工(gong)質時可(kě)以适當(dang)擴🏃🏻‍♂️大,推(tuī)薦DN25管道(dào)孔闆節(jie)流孔厚(hòu)度可在(zài)0.004D~0.03D内變化(hua)，DN200管道在(zài)0.005D~0.03D範圍内(nei);
(4)基于模(mo)拟結果(guǒ)給出相(xiang)對誤差(chà)更小時(shi)對應孔(kǒng)闆節🌈流(liú)孔厚度(du)的推薦(jiàn)值,其中(zhōng)DN25管道孔(kǒng)闆在e/D爲(wèi)0.004~0.008及0.02~0.03之間(jian),即e爲0.1~0.2mm.0.5~0.7mm時(shi)，相對誤(wù)差小于(yú)🚶1.5%;DN200管道💘孔(kong)闆在e/D爲(wèi)0.005~0.012及0.027~0.03時,對(dui)應e爲0.7~1.7mm及(ji)3.7~4.2mm時，相對(dui)😘誤差小(xiao)于等于(yu)1.5%。
2.3孔闆厚(hou)度的影(ying)響
　　由圖(tu)1可知，标(biao)準孔闆(pǎn)在節流(liu)孔之後(hòu)還設置(zhì)一定長(zhǎng)度✌️的錐(zhuī)👅形擴流(liu)段,與節(jie)流孔段(duàn)共同組(zǔ)成孔闆(pǎn)的節🏃🏻‍♂️流(liu)段,該擴(kuò)流段‼️長(zhǎng)度也會(hui)對孔闆(pǎn)的節流(liú)能力産(chan)生影響(xiǎng),從而改(gai)變工質(zhi)流過孔(kǒng)闆後的(de)速度、壓(ya)力等參(can)數,對測(ce)量精度(dù)産生影(ying)響。标準(zhǔn)文件[10]規(gui)定孔闆(pǎn)厚度🌈E應(yīng)在e~0.05D之間(jian),對應DN25管(guan)道的E應(yīng)不大于(yu)1.15mm,DN200管道的(de)E不超過(guò)6.95mm。
　　本文在(zai)保持節(jiē)流孔厚(hou)度不變(biàn)的情況(kuàng)下，分别(bie)設置了(le)不同的(de)孔🔴闆厚(hou)度用以(yi)探究流(liu)量系數(shù)的變化(huà),其中DN25管(guan)道孔闆(pǎn)厚度E爲(wèi)0.5~1.4mm,DN200管道孔(kǒng)闆厚度(du)E爲3~8mm,模拟(ni)結果如(ru)圖7所示(shì)。
 
對數據(ju)進行分(fèn)析可知(zhi):
(1)孔闆流(liu)量系數(shu)随E/D的變(biàn)化趨勢(shi)與管徑(jing)無關。随(sui)着E/D逐漸(jian)增加✊,DN25管(guǎn)道和DN200管(guan)道内孔(kong)闆流量(liang)系數呈(chéng)現近似(si)相同的(de)變化趨(qū)勢:即下(xià)降上升(shēng)-平穩-下(xià)降,主要(yao)區别在(zai)于DN200管道(dao)内孔闆(pǎn)流量系(xì)數下降(jiàng)💚和上升(shēng)的趨勢(shi)更加明(ming)顯;
(2)流量(liang)系數經(jīng)驗計算(suàn)公式的(de)結果不(bú)随孔闆(pan)厚.度而(er)發生變(biàn)化，其中(zhong)DN25管道的(de)經驗公(gōng)式計算(suàn)結果偏(pian)大--些,DN25和(he)DN200管道的(de)流量💯系(xi)數✨均小(xiǎo)于經驗(yan)公式計(jì)算值,因(yin)此❌當使(shi)用經驗(yan)公式進(jin)行工質(zhì)流量計(ji)算🤞時會(huì)造成計(jì)算結果(guǒ)偏大;
(3)在(zai)标準文(wén)件[10]規定(ding)孔闆厚(hòu)度範圍(wei)内,DN25和DN200管(guan)道内孔(kǒng)闆流🌏量(liàng)系數🔞與(yǔ)🔆經驗計(ji)算公式(shi)的相對(duì)誤差均(jun1)在2%以下(xia)，因此🔞标(biao)準中的(de)規定範(fan)圍可以(yǐ)接受,但(dàn)該規定(dìng)範圍👉對(duì)于超臨(lin)界二氧(yang)化碳工(gong)質可适(shi)當擴充(chōng),如模拟(nǐ)結果所(suo)示，當DN25和(hé)DN200兩種管(guǎn)徑的孔(kǒng)闆📞厚度(du)E達到🚶0.06D左(zuo)右時，雖(sui)然已經(jing)超出了(le)規定的(de)0.05D這一限(xian)值,但相(xiàng)對誤差(chà)仍小于(yú)2%，處于可(ke)接受的(de)範圍,但(dan)依據變(biàn)化趨勢(shi)可以合(hé)理預測(cè)，當孔💞闆(pǎn)厚度繼(ji)續增🆚加(jiā)時，相對(duì)🔞誤差将(jiāng)大于2%，因(yīn)此建議(yi)對于超(chāo)臨界二(er)氧化碳(tàn)工質而(er)言,孔闆(pan).厚度可(ke)設置在(zai)💰0.02D~0.06D之間。
2.4孔(kǒng)闆流量(liàng)計結構(gou)參數設(she)計建議(yì)
　　通過對(dui)孔闆流(liu)量計各(gè)結構參(can)數的模(mo)拟研究(jiū),明确🌐了(le)在進❌行(hang)超臨界(jiè)二氧化(huà)碳工質(zhi)質量流(liu)量測量(liang)時🈲,孔闆(pan)流量系(xi)數随各(ge)結構參(can)數的變(biàn)化趨勢(shi)與相對(duì)誤差,本(ben)節主要(yao)對以上(shàng)模拟結(jie)果進行(hang)總結分(fen)析,參🚶考(kao)《用能單(dān)♻️位能源(yuán)計量器(qi)具配備(bei)和管理(li)通則》中(zhong)的精度(dù)規定，，給(gei)出了針(zhen)對超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳工(gong)質的孔(kong)🏃闆流量(liang)計結構(gòu)參數推(tui)薦設計(jì)範圍,在(zai)該範圍(wei)内經驗(yan)計算公(gōng)式的計(jì)算結果(guo)㊙️可滿足(zú)2.5精度等(děng)級要求(qiú),還☁️進一(yī)步提出(chu)了該範(fan)圍内精(jīng)度相對(duì)更高的(de)結構參(cān)數推薦(jian)值，将以(yi)上結果(guǒ)🛀🏻與現行(hang)🛀🏻國際标(biāo)準ISO5167-2:2003中标(biāo)準孔闆(pǎn)流量計(ji)各結構(gòu)參數的(de)規定範(fan)圍進行(háng)對比,如(rú)表👅4所示(shì)。
 
　　可以看(kan)出,對于(yu)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhì)而言,标(biao)準文件(jian)🍓[10]規🍓定🚶的(de)孔🔞闆流(liú)量計各(ge)結構參(can)數的設(she)計範圍(wéi)并不完(wan)全适用(yòng),其中直(zhí)徑比的(de)規定範(fàn)圍過大(dà),對應的(de)流量系(xi)☎️數的相(xiang)對誤差(chà)也波動(dòng)較大,從(cóng)0.5%到47.03%不等(děng),而當直(zhí)徑比在(zài)0.6~0.7範圍内(nei)時,可将(jiāng)相對誤(wu)差有效(xiào)降低至(zhi)0.5%~3.6%;在标準(zhun)文件[10]規(guī)定的節(jie)流孔🌈厚(hou)度、孔闆(pan)厚度等(děng)參數範(fan)圍内,絕(jué)大多♉數(shu)❄️流量系(xi)數的相(xiang)✊對誤差(cha)可控制(zhi)在2%以下(xia)，因此其(qí)規定範(fan)圍可以(yi)繼續使(shǐ)用,同時(shí)本文的(de)數值模(mó)拟結果(guo)顯示，當(dāng)🐕孔闆的(de)以，上幾(ji)個結構(gou)參數的(de)數值超(chao).出其規(guī)定範圍(wéi)時,最大(dà)🔆相對誤(wù)差也僅(jǐn)爲2%左右(you)，因此對(duì)于超臨(lin)界二氧(yang)化碳工(gōng)質而言(yán)❓，孔闆的(de)節✏️流孔(kong)厚度、孔(kong)闆厚度(dù)等參💞數(shù)均可一(yī)定程度(dù)上超出(chu)♉标準中(zhong)的規定(ding)範圍，相(xiang)對❄️誤差(chà)也👄可接(jiē)受。
3入口(kou)直角邊(bian)緣尖銳(ruì)度及其(qí)修正系(xì)數的模(mó)拟研究(jiu)☔
　　一般而(er)言,孔闆(pǎn)人口邊(biān)緣應該(gai)是尖銳(rui)的,其與(yu)超臨界(jiè)💁二氧💔化(hua)碳工質(zhi)首先直(zhi)接接觸(chù),如果其(qi)尖銳度(du)不夠的(de)話則無(wú)法保證(zheng)㊙️對于工(gong)質的節(jie)流作用(yòng)達到預(yu)期,因而(ér)🙇🏻會對測(cè)量精度(dù)🥰産生影(yǐng)響。在孔(kǒng)☂️闆實際(jì)工作過(guò)程:中,可(kě)能存在(zài)加工精(jing)度不足(zu)、工質磨(mo)損、腐蝕(shí)等問題(ti)的存在(zài),造成直(zhi)角邊緣(yuan)變鈍,故(gu)标準文(wen)件[10]規定(dìng),孔闆人(rén)口邊緣(yuán)🧡的圓弧(hú)半徑應(ying)小于等(děng)于0.0004D,在此(cǐ)限值之(zhi)内的誤(wù)差是可(ke)以接受(shòu)的,若超(chāo)過這一(yī)-限值,則(ze)無法⭐保(bǎo)證測量(liang)精度,應(yīng)💯進行相(xiang)應的維(wéi)修、更🏒換(huan)或修正(zhèng)等。本文(wen)模拟了(le)孔闆人(ren)口邊緣(yuán)圓弧半(ban)徑爲0~0.015D時(shi)孔闆🌈的(de)流量系(xì)數變化(hua)趨勢,結(jié)果如圖(tu)8所示。
 
分(fèn)析結果(guǒ)可以得(de)出:
(1)孔闆(pǎn)人口邊(biān)緣尖銳(ruì)度對于(yú)孔闆流(liu)量系數(shu)的影響(xiang)趨勢與(yǔ)管徑無(wú)關。随着(zhe)孔闆人(ren)口邊緣(yuán)逐漸變(bian)鈍,DN25和DN200兩(liǎng)種🐕管道(dao)的孔闆(pan)流量系(xì)數呈現(xiàn)近似相(xiàng)同的變(bian)化趨勢(shì)，均随着(zhe)人口圓(yuan)弧半徑(jìng)的增大(dà)而先增(zeng)大後減(jian)❗小,分别(bié)在r達到(dào)0.01D和0.008D時流(liú)量系數(shù)達到最(zuì)大;
(2)孔闆(pan)人口邊(biān)緣開始(shǐ)鈍化時(shi),流量系(xì)數顯著(zhe)增加,遠(yuǎn)大💃🏻于經(jing)驗計算(suan)公式結(jie)果,因此(ci)造成使(shi)用經驗(yàn)計算公(gong)式時得(dé)到的工(gong)質質量(liang)流量相(xiang)對真實(shí)值很小(xiao)，其中DN25管(guan)道㊙️内相(xiàng)對誤差(chà)爲5.16%~12.61%,DN200管道(dao)的🙇🏻相對(duì)誤🈲差爲(wei)5.13%~11.96%;
(3)對于超(chao)臨界二(èr)氧化碳(tan)工質而(er)言,當孔(kǒng)闆人口(kou)直角邊(bian)🌏緣變鈍(dun)後⛱️,應立(li)即進行(háng)相應的(de)處理或(huò)流量系(xì)數的修(xiu)㊙️正,否則(ze)誤差将(jiāng)會變得(dé)很大。
　　當(dāng)使用标(biāo)準文件(jiàn)[10]給出的(de)不同邊(bian)緣尖銳(rui)度對應(yīng)的修正(zhèng)系數b進(jìn)行孔闆(pǎn)流量系(xi)數的修(xiū)正時,可(ke)以--定程(cheng)🌈度上減(jiǎn)少❌流量(liàng)系數的(de)相對誤(wù)差。本文(wén)使用表(biǎo)5中的🐪修(xiū)正系數(shù)b對經驗(yan)公式計(ji)算結果(guo)進行修(xiu)正,結果(guǒ)如圖9所(suǒ)示。
 
 
　　結果(guo)顯示，對(dui)于超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳工(gōng)質而言(yan),當使用(yòng)修正系(xì)💁數✉️b進行(háng)孔闆流(liu)量系數(shù)的修正(zhèng)後,僅可(ke)使部分(fen)邊緣圓(yuán)弧半徑(jing)對🐕應的(de)孔闆流(liú)量系數(shu)相對誤(wù)差降低(dī)到可以(yi)接🧑🏾‍🤝‍🧑🏼受的(de)程🏃‍♂️度,而(ér)大部分(fen)情況下(xià)相對誤(wù)差仍比(bǐ)較大,如(ru)DN25管道多(duo)數情況(kuang)下的流(liú)量系數(shù)相對誤(wu)差在4.41%~6.94%之(zhī)間,DN200管道(dào)的相對(dui)誤差多(duo)數在3.74%~7.11%,因(yīn)此該修(xiu)正🔱系數(shù)b對于超(chao)🔞臨界二(èr)氧化碳(tàn)工質并(bìng)不适用(yòng)。
　　對DN25和DN200管(guǎn)道的模(mó)拟流量(liang)系數及(jí)經驗公(gong)式計算(suàn)結果求(qiú)平均,得(de)到🙇🏻針對(dui)超臨界(jiè)二氧化(huà)碳工質(zhi)的不同(tong)孔闆邊(biān)緣尖銳(rui)度對應(yīng)的修正(zhèng)系數b,如(rú)表6所示(shi)。将更正(zhèng)的修正(zheng)🔞系數應(ying)用于模(mó)拟數據(ju)，結果如(ru)圖10所示(shi)。
 
　　可以看(kan)出,當使(shǐ)用更正(zheng)後的修(xiu)正系數(shu)b進行孔(kǒng)闆的流(liu)量🔞系數(shu)經驗公(gōng)式計算(suàn)結果的(de)修正後(hòu),得到的(de)流量系(xi)數與模(mo)拟結果(guǒ)拟合較(jiào)好,其中(zhōng)DN25管道相(xiàng)對誤差(cha)爲0.11%~1.21%,DN200管道(dào)相對誤(wù)😍差爲0.11%~1.85%。
4結(jié)論
　　本文(wen)開展了(le)孔闆流(liú)量計的(de)數值模(mo)拟研究(jiū)，探究了(le)孔闆的(de)各㊙️結🌐構(gòu)參數對(dui)超臨:界(jiè)二氧化(huà)磯工質(zhì)流量系(xi)數🏃‍♂️的影(yǐng)響,基于(yú)此給出(chū)了孔闆(pǎn)流量計(ji)結構參(cān)數的設(she)計建議(yì),并且探(tàn)究了人(rén)口直角(jiǎo)邊緣尖(jiān)銳度對(dui)流量系(xi)數♻️的影(yǐng)響,得到(dào)的主要(yào)結論如(ru)下:
(1)現行(hang)标準文(wén)件中的(de)孔闆流(liú)量計結(jie)構參數(shù)的規定(dìng)範圍測(cè)量🏃相對(duì)誤差在(zai)0.5%~47%的較大(da)範圍内(nèi)波動,對(duì)于超臨(lin)界二氧(yǎng)化碳工(gōng)質并不(bu)适用。
(2)本(ben)文針對(dui)超臨界(jie)二氧化(hua)碳工質(zhì)提出了(le)孔闆.流(liú)量計結(jie)構參✔️數(shù)推薦設(shè)計範圍(wéi),其中直(zhi)徑比應(yīng)爲0.6~0.7,節流(liu)孔厚度(du)應🌂爲0.004~0.03倍(bèi)的管道(dào)内徑,孔(kǒng)闆厚度(du)應爲0.02~0.06倍(bei)的管道(dao)内徑,在(zai)該範圍(wei)内絕大(dà)多數工(gong)況下流(liú)量系數(shù)的相對(duì)誤差可(kě)控制在(zai)2%以下;
(3)孔(kǒng)闆人口(kǒu)邊緣鈍(dùn)化會使(shi)流量系(xì)數顯著(zhe)增加,且(qiě)修正✉️系(xi)數b并不(bu)能使相(xiang)對誤差(chà)降低至(zhì)可以接(jie)受的範(fàn)圍,修正(zheng)後相對(duì)誤差仍(réng)有約3.74%-7.11%,本(ben)文針對(dui)不同工(gōng)況提出(chū)不同修(xiū)正參數(shu),修正後(hòu)經驗公(gong)式的相(xiang)對誤差(chà)降低爲(wei)0.11%~1.85%。

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