在流(liú)體機械瞬态流(liu)動的過程中,需(xū)要對瞬時流量(liàng)進行測試．電磁(cí)流量計在測量(liàng)快速變化的流(liú)量時,其轉換器(qì)的信号處理🏃時(shi)♉間普遍🍓超過0．２s,需(xu)要經過特殊設(she)計才能達到要(yao)求[5];渦輪流量計(jì)在測試小流量(liang)的瞬時變化時(shi),存在強烈的非(fei)線性問題✂️．而在(zài)許多場合,孔闆(pǎn)流量計能較好(hǎo)地用于瞬💔态流(liu)量的測試．
　　基于(yu)CFD技術,通過改變(biàn)流量﹑直徑比﹑孔(kong)闆厚度和流體(tǐ)介質🍉等,對孔闆(pan)内部穩定流動(dong)進行了研究．采(cǎi)用CFD技🔅術研究了(le)方形孔和圓形(xíng)孔闆流量計在(zài)測量濕夭然氣(qi)時的異同;對錐(zhuī)體流量計的孔(kong)流系🐪數進行數(shù)🐪值模拟;對周期(qi)性波動的流量(liàng)流經孔闆進行(hang)了👈實驗和理♋論(lun)分析後指出,孔(kong)闆前後壓差呈(cheng)現非線性,且滞(zhì)後于流量的🧡變(bian)化,稱👅之爲“渦慣(guan)性”．
　　鑒于目前未(wei)見有對孔闆流(liú)量計在測量流(liú)量加速瞬态過(guò)程的相關研究(jiū),爲了從内流角(jiǎo)度揭示壓差滞(zhi)後于流量變化(hua)的原因,考妞到(dào)采用試驗測量(liàng)較爲困難,文中(zhōng)采用CFD方法分别(bié)對穩态和加速(su)過程的孔流系(xi)數進行數值預(yù)測,重點分析孔(kong)流系數與流動(dòng)狀态瞬時轉變(biàn)間的聯系,爲實(shí)現采用孔闆流(liú)量計測量瞬時(shi)流量提供參考(kǎo)。
1物理模型和數(shu)值方法
1.1基本理(lǐ)論
　　孔闆流量計(jì)是一種差壓式(shì)流量計．對于不(bú)可壓流😄體的水(shui)💋平🥰管流動,忽略(lue)管壁摩擦阻力(li)損失,根據流體(tǐ)的😄連續性和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化可得

1.2模型﹑網(wǎng)格和邊界條件(jian)
　　圖1爲孔闆流量(liang)計的物理模型(xing)示意.根據标準(zhun)孔闆⭕流量計的(de)安裝,圖1a中,上下(xià)遊直管段長分(fèn)别取10D和5D作爲穩(wěn)🐇定直🔞管段.其中(zhong)💁上下遊管内徑(jìng)D取100mm,孔闆厚度δ取(qǔ)3mm.
　　流量從0以恒定(ding)加速度增長,如(rú)圖1b所示;測壓點(diǎn)的位置✉️示于圖(tu)1c.

　　爲了準确捕捉(zhuo)孔闆前後流場(chang)的變化情況,首(shǒu)先在壁🚶‍♀️面附近(jin)劃分了邊界層(céng)網格,邊界層第(dì)1層厚度爲📐0.1mm,共10層(ceng),高度增長因子(zǐ)爲1.1;其次,用與孔(kong)闆等孔徑的圓(yuan)柱面作爲分界(jiè)面,對内部流域(yu)進行切割,并對(dui)該邊㊙️界面附近(jìn)劃分同上的邊(bian)界層網格,其内(nei)部區域采♻️用蝶(dié)形網格劃分;最(zuì)後,在邊界層設(she)置好的基礎上(shang)💯,采用結構化網(wang)格生成方式完(wán)成其餘部分的(de)網格🈲劃分.
　　圖２給(gei)出了孔闆附近(jin)的網格分布.以(yǐ)常溫狀态下液(yè)态水🐅作爲🔞流體(ti)介質,動量﹑湍動(dong)能和湍流耗散(sàn)率方程的離散(san)選擇二階迎風(feng)格式,壓力和速(sù)度耦合選用SＩMＰLＥ算(suan)法,穩态和加速(sù)條🙇🏻件下的湍流(liú)模型分别采用(yong)Realizablek－ε和RealizableDＥS模型.穩态和(he)加速過程的進(jìn)口均采用速度(du)進口邊界條件(jiàn),流體加速曲線(xian)見圖1b,管壁爲無(wu)滑移壁面邊界(jiè)條件.

　　由于流速(sù)不斷增大,考妞(niū)采用變時間步(bu)長的方式🐇以提(ti)高㊙️叠🐅代過程的(de)經濟性,時間步(bu)長△t與時刻t采用(yong)式(1)的關系式:

　　流(liú)場求解軟件爲(wèi)Liｎux平台下的Flueｎｔ6．3,采用(yong)曙光1800工作站上(shang)的😍8個ＩｎｔelXeoｎ處理器(3．２GHz)進(jìn)行并行計算,穩(wen)态叠代4000次約需(xū)２h,瞬态叠代２50個♉時(shí)間💯步約需２２h．
2結果(guo)分析
2.1孔流系數(shu)和壓降
　　圖3給出(chu)了孔流系數的(de)數值模拟結果(guo),Realiza-blek－ε模拟的穩态👄孔(kong)流系數C0與ＩSO試驗(yàn)回歸曲線[10]的最(zui)大誤差在3％以内(nèi),标準k－ε的最大🔞誤(wù)差達6％[6]．
　　對于流量(liang)Q≤0．6m3/h,C0随流量的增加(jiā)緩慢下降,之後(hou)保持在0．63左右．與(yǔ)🤩C0不同的是,C從0開(kāi)始随流量的增(zēng)大而增大,并逐(zhu)漸向💃🏻C0靠近,直至(zhi)Q≥3．5m3/h後才🤩達到㊙️C0的水(shui)平．C在時間上滞(zhi)後于C0．圖4中△p－Q曲線(xiàn)顯示,Q≤3．0m3/h時,加速🛀🏻過(guò)程孔闆前後壓(ya)降高于同等流(liu)量下☎️穩态壓降(jiang);Q≥3．0m3/h後,瞬态壓降才(cái)降爲穩态水平(ping)．

2.2速度和壓力場(chang)分析
　　從内流角(jiǎo)度分析導緻第(di)２．1節中C和C0不同的(de)原因,圖5和圖6分(fèn)别給出并對比(bi)了相同流量下(xià)穩态和加速過(guo)程中流經孔闆(pan)前後流體🏃🏻‍♂️的速(su)度和壓力場．對(duì)于Q≤3．0m3/h穩🥰态條件,孔(kǒng)闆後方始終可(ke)觀察到一個被(bèi)拉長的主渦和(hé)孔闆右上方的(de)小渦,流動的損(sǔn)失較大,同時表(biǎo)👉明流場中已✊形(xing)成穩定的⭕流動(dòng)通道,動能和壓(yā)能的轉化已達(da)到平衡,流動的(de)損失(長漩渦)也(ye)趨于穩定,并且(qiě)壓差随流量的(de)增大而穩定增(zēng)大．
　　加速過程中(zhōng)孔闆後方的漩(xuan)渦是逐漸形成(cheng)的:小流量時流(liú)動較爲平穩,流(liú)體不斷被加速(sù)的流體向下遊(yóu)推動,漩渦來不(bu)及形成,流動的(de)損失較小;随着(zhe)流🛀🏻量的不斷加(jiā)大,孔闆後方開(kai)始出現流動分(fen)離(約在Q＞1．1m3/h時);當流(liú)量進一步加✨大(dà),孔闆後方出現(xiàn)了♈較大的漩渦(wo)．加速前期,壓力(li)沿整個管道逐(zhú)漸向㊙️下遊傳播(bo),壓🙇🏻能傳播的距(ju)離較長,沒有在(zai)短距離内快速(sù)轉換爲🛀動能．
經(jīng)上述分析可以(yǐ)認爲,導緻加速(sù)前期C和C0之間差(cha)異的内流原因(yin)是,漩渦形成的(de)滞後以及加速(su)前期壓力能沒(mei)有在短距離内(nei)全🌏部轉化爲動(dòng)能．
　　随着流量的(de)增大,孔闆後方(fang)出現了明顯的(de)漩渦,漩🈲渦🏃‍♂️中心(xīn)附近區域即爲(wei)低壓區．雖然孔(kong)流系數和壓降(jiang)的瞬态和穩态(tài)值分别相互接(jiē)近,然而由于流(liu)體仍然處于加(jia)速階段,因此流(liu)動👨‍❤️‍👨狀态(漩渦的(de)形狀和位置)和(he)壓力分布與穩(wen)态條件相比,仍(réng)然存在較大差(cha)異．


3結論
　　通過CFD技(ji)術,實現了穩态(tai)和加速流體流(liu)經孔闆後流場(chǎng)的數💜值模拟,得(dé)到了孔流系數(shu)﹑流場和壓力的(de)模拟結果,主要(yào)概括爲:
1)穩态孔(kong)流系數C0的數值(zhi)預測值與ＩSO試驗(yan)回歸曲線十分(fèn)接近,Realizablek－ε比标準k－ε的(de)C0預測值更接近(jìn)ＩSO試驗回歸曲線(xian),誤♈差分别爲3％和(hé)6％;
２)加速過程,C随流(liú)量的增大逐漸(jian)增大并靠近穩(wěn)态C0;加速前🌂期,壓(yā)差高于穩态水(shui)平,随着流量的(de)不斷增大,瞬态(tai)☂️和穩✨态壓差相(xiàng)互接近．3)導緻加(jia)速前期C和C0之間(jian)差異的内流原(yuan)☂️因是,漩渦形成(cheng)的滞後以及加(jiā)速前期壓力能(néng)沒有在短距離(li)内全🙇🏻部轉化爲(wei)動能．文中内容(róng)可爲利用孔闆(pan)流量計測量瞬(shun)時流量提供參(cān)考依據,爲流🥰體(ti)機械内部非定(dìng)常流動等特殊(shu)問題的提供基(jī)本保障🥵．今後的(de)工作将圍🐉繞流(liú)量波動﹑階躍和(hé)突減等其他瞬(shùn)⛷️态狀況．

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