摘要:針(zhen)對孔闆(pan)流量計(ji) 測量精(jing)度及節(jie)能降耗(hao)的要求(qiu)，對5種結(jie)構的單(dan)孔闆進(jin)行了數(shu)🚶值模拟(ni)研究。進(jin)行了數(shu)值模拟(ni)與标準(zhun)孔🔴闆實(shi)驗比對(dui),對模拟(ni)方法的(de)可靠性(xing)進行了(le)驗證，在(zai)此基礎(chu)上進一(yi)步完成(cheng)🐆了5種結(jie)構10組流(liu)速下的(de)數值研(yan)究。通過(guo)♌速度矢(shi)量圖得(de)出孔口(kou)後流态(tai)的變化(hua);計算流(liu)量系數(shu)，得出流(liu)量系數(shu)與雷諾(nuo)數關系(xi)曲線、軸(zhou)線距離(li)與壓力(li)關系圖(tu)、壓差與(yu)雷諾數(shu)關系圖(tu)。結果表(biao)明,5種孔(kong)闆中外(wai)🈚凹型孔(kong)闆流量(liang)計II因爲(wei)闆前緩(huan)沖段較(jiao)爲理想(xiang),對流體(ti)起到了(le)整流的(de)作用，減(jian)弱了闆(pan)前流體(ti)死區的(de)形成和(he)闆後渦(wo)流的形(xing)成,降低(di)了孔🏃‍♂️闆(pan)流量計(ji)的壓力(li)損失,且(qie)流量系(xi)數大,随(sui)雷諾數(shu)增大壓(ya)差增大(da)緩慢,壓(ya)力恢複(fu)快。
　　孔闆(pan)流量計(ji)是常見(jian)的測流(liu)量裝置(zhi)，以連續(xu)性方程(cheng)和伯努(nu)♉利方程(cheng)爲理論(lun)基礎。流(liu)體在通(tong)過節流(liu)元件時(shi),由于流(liu)通面積(ji)的突然(ran)收縮促(cu)使流體(ti)加速，産(chan)生節流(liu)效應,使(shi)孔🐇闆前(qian)後産生(sheng)壓差,通(tong)過測量(liang)壓差從(cong)而計算(suan)出管道(dao)中的流(liu)量。節流(liu)元件的(de)尺寸和(he)結構的(de)不同,會(hui)導緻測(ce)量精度(du)、測量壓(ya)力、管徑(jing)範圍及(ji)流量系(xi)數随雷(lei)諾⛹🏻‍♀️數變(bian)化關系(xi)的差異(yi)。選擇或(huo)者設計(ji)出較爲(wei)理想的(de)孔✨闆流(liu)量計,是(shi)計量行(hang)業發展(zhan)的需要(yao)。采用數(shu)值模拟(ni)分💛析研(yan)究管内(nei)孔闆💋類(lei)節流元(yuan)件的相(xiang)關流場(chang)已有數(shu)十年的(de)曆史,采(cai)用ANSYSFluent軟件(jian),選擇5種(zhong)💰标準及(ji)非标準(zhun)孔闆作(zuo)爲對象(xiang),爲非标(biao)準🈲孔闆(pan)流量✨計(ji)的與發(fa)展提供(gong)一定依(yi)🈲據。
1研究(jiu)模型
1.1幾(ji)何模型(xing)
　　模拟5種(zhong)不同孔(kong)闆形狀(zhuang)的孔闆(pan)流量計(ji)，見圖1。
　　5種(zhong)孔闆均(jun)按照ISO5167國(guo)際标準(zhun)，确定孔(kong)闆尺寸(cun)。根據相(xiang)關規定(ding),孔闆節(jie)流元件(jian)的孔徑(jing)與孔闆(pan)通徑比(bi)值d/D=0.2~0.8;最小(xiao)孔徑dmin≥12.5mm;直(zhi)孔部分(fen)厚度h=(0.005~0.02)D;總(zong)厚度H<0.05D這(zhe)5種孔闆(pan)公稱通(tong)徑D=40mm,節流(liu)元件的(de)孔徑d=20mm,d/D=0.5。
 
 
1.2流(liu)量系數(shu)計算模(mo)型
　　計算(suan)每個孔(kong)闆流量(liang)計對應(ying)的流量(liang)系數見(jian)公式(1)
 
　　式(shi)中:qm爲流(liu)體的質(zhi)量流量(liang),kg/s;A0爲孔口(kou)截面積(ji),m2;p爲流體(ti)密度,kg/m3;△p爲(wei)孔🔞口兩(liang)💁側壓差(cha),Pa。
2模型驗(yan)證及數(shu)值模拟(ni)
2.1實驗驗(yan)證過程(cheng)
　　爲了确(que)保數值(zhi)模拟過(guo)程設置(zhi)正确,将(jiang)模拟結(jie)果與實(shi)驗值進(jin)行🙇🏻了比(bi)對實驗(yan)采用裝(zhuang)置見圖(tu)2。
 
　　水由離(li)心泵從(cong)水箱抽(chou)出後,經(jing)過孔闆(pan)流量計(ji)，通過彎(wan)管📞再流(liu)回水箱(xiang)。其中孔(kong)闆流量(liang)計爲标(biao)準型，管(guan)道内徑(jing)40mm,孔闆口(kou)徑35mm,孔闆(pan)厚度5mm。在(zai)不同的(de)閥門開(kai)度下,測(ce)試孔闆(pan)♻️流量計(ji)壓差,計(ji)算流量(liang)及流量(liang)💛計流量(liang)系數。實(shi)驗、模拟(ni)結果對(dui)比見圖(tu)3。
 
　　由圖3可(ke)知，模拟(ni)與實驗(yan)吻合,對(dui)模拟方(fang)法的可(ke)靠性進(jin)行了驗(yan)證.。
2.2數值(zhi)模拟設(she)置
　　由于(yu)孔闆流(liu)量計的(de)軸對稱(cheng)特性，流(liu)體在經(jing)過孔闆(pan)流量🥰計(ji)時❤️也是(shi)對稱的(de),因此選(xuan)用1/2實體(ti)及對稱(cheng)面結構(gou)。應用“mesh”進(jin)行模拟(ni)實體的(de)網格劃(hua)分，見圖(tu)4。
 
　　由于孔(kong)闆流量(liang)計結構(gou)簡單,因(yin)此在劃(hua)分網格(ge)時隻需(xu)在節流(liu)元件處(chu)既縮口(kou)處進行(hang)網格的(de)加密。該(gai)模拟中(zhong)采用✨的(de)介質爲(wei)20℃的水,p=998.2kg/m3,η=0.001Pa·s,操(cao)作壓力(li)爲标準(zhun)大氣壓(ya)。采用3D求(qiu)解器，湍(tuan)流方程(cheng)👨‍❤️‍👨用“标準(zhun)k-epsilon”方程;選(xuan)⁉️用速度(du)進口和(he)壓力出(chu)🌂口邊界(jie)條💰件,進(jin)行叠代(dai)求解計(ji)算。
　　在模(mo)拟過程(cheng)中取闆(pan)前2D、闆後(hou)5D,即闆前(qian)80mm、闆後200mm爲(wei)計算域(yu)。5種孔闆(pan)設定10個(ge)統一的(de)進口流(liu)速,分别(bie)爲0.2.0.5.1.1.5.2、2.5.3.3.5.4.4.5m/s,對應(ying)的雷諾(nuo)數💋值分(fen)别爲🚶7.9X103、1.2X104、4.0X104、5.98X104、7.99X104、9.98X104、1.20X105、1.40X105、1.60X105、1.80X105。
3結(jie)果與讨(tao)論
　　以ʋ=0.2m/s時(shi)孔闆的(de)模拟結(jie)果爲例(li),各孔闆(pan)流量計(ji)的速度(du)矢量雲(yun)圖見圖(tu)5.
 
 
 
　　由圖5可(ke)知，流體(ti)在經過(guo)闆前區(qu)域時流(liu)道急劇(ju)收縮，速(su)🏃‍♀️度增☁️大(da)。其中标(biao)準孔闆(pan)I所形成(cheng)的孔後(hou)大速度(du)值高,爲(wei)1.2m/s;外凸型(xing)孔闆川(chuan)I、加厚型(xing)孔闆IV次(ci)之,約爲(wei)1m/s;外凹型(xing)孔闆I1和(he)直邊型(xing)⚽孔闆V較(jiao)小,分别(bie)爲0.88和0.74m/s。外(wai)💛凸型孔(kong)闆II低流(liu)速較大(da)👉，直邊型(xing)孔闆V次(ci)之,其餘(yu)均基本(ben)相等。經(jing)過孔口(kou)後部分(fen)流體流(liu)動方向(xiang)發生改(gai)變,産生(sheng)了一定(ding)🛀🏻的渦流(liu)區域，形(xing)成湍流(liu),孔闆的(de).結構不(bu)同造成(cheng)的旋渦(wo)湍流區(qu)🙇‍♀️域形狀(zhuang)及發展(zhan)長度也(ye)明顯不(bu)同。标準(zhun)孔闆I湍(tuan)流區較(jiao)寬,湍流(liu)長度較(jiao)長。外凹(ao)型孔闆(pan)II湍流段(duan)較短,流(liu)場爲整(zheng)齊,從而(er)也推測(ce)出其節(jie)流損失(shi)小。
　　對5種(zhong)孔闆進(jin)行了進(jin)一步的(de)數據采(cai)集,保持(chi)孔闆的(de)直徑比(bi)🔴不改變(bian)。由流量(liang)分别計(ji)算對應(ying)的雷諾(nuo)數,采集(ji)每個孔(kong)闆每個(ge)流㊙️速所(suo)對應的(de)闆前D、闆(pan)後D/2取壓(ya)點所在(zai)平面的(de)平均壓(ya)力，即闆(pan)前40mm、闆後(hou)20mm計算壓(ya)差,并根(gen)據公式(shi)(1)計算出(chu)每個💚孔(kong)闆對應(ying)的流量(liang)系數,得(de)到流量(liang)系數與(yu)雷諾數(shu)關系曲(qu)線圖見(jian)圖6。
 
　　由圖(tu)6可知,雷(lei)諾數的(de)變化對(dui)流量系(xi)數影響(xiang)不大,說(shuo)明這☎️幾(ji)種孔闆(pan)都具有(you)良好的(de)穩定性(xing)。外凹型(xing)孔闆II的(de)流😘量系(xi)數比其(qi)他4種大(da)，标準孔(kong)闆I小;加(jia)厚型孔(kong)闆IV的流(liu)量系數(shu)曲線在(zai)較大及(ji)較小雷(lei)諾數時(shi)變化明(ming)顯,因此(ci)該類型(xing)穩定性(xing)稍差;直(zhi)邊型孔(kong)闆V穩定(ding)性好。
　　沿(yan)軸向的(de)距離L與(yu)壓力的(de)關系見(jian)圖7。
 
　　由圖(tu)7可知，幾(ji)種孔闆(pan)壓降位(wei)置、壓降(jiang)大小及(ji)壓力恢(hui)💞複😘性不(bu)🔆同❓。加厚(hou)型孔闆(pan)IV的壓降(jiang)位置靠(kao)前,直邊(bian)型孔闆(pan)V靠後,其(qi)餘三🧑🏽‍🤝‍🧑🏻者(zhe)基本接(jie)近;标準(zhun)孔闆I的(de)壓降大(da),外凹型(xing)孔✍️闆II壓(ya)降📞小;外(wai)凹型孔(kong)闆II的壓(ya)力💔恢複(fu)快。
　　壓差(cha)△p與雷諾(nuo)數的關(guan)系曲線(xian)見圖8。
 
　　由(you)圖8可知(zhi)，幾種孔(kong)闆壓差(cha)△p随着雷(lei)諾數的(de)增大而(er)增🏃大,增(zeng)加趨♈勢(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼基本相(xiang)同,其中(zhong)标準孔(kong)闆I增加(jia)快大,外(wai)凹型孔(kong)闆II增大(da)緩慢🛀🏻。
4結(jie)論
　　通過(guo)流場模(mo)拟雲圖(tu)、流量系(xi)數與雷(lei)諾數的(de)曲線關(guan)系、中心(xin)💰軸線壓(ya)力分布(bu)曲線、壓(ya)差△p與雷(lei)諾數的(de)曲線關(guan)系的分(fen)析可以(yi)得出,5種(zhong)孔闆中(zhong)外凹型(xing)孔闆流(liu)量💃🏻計II因(yin)爲闆前(qian)緩沖段(duan)較爲理(li)想,對流(liu)體🔴起到(dao)了整流(liu)的作用(yong),減弱了(le)闆前流(liu)體死區(qu)的形成(cheng)和🔞闆後(hou)渦流的(de)形成,降(jiang)低了孔(kong)闆流量(liang)計的壓(ya)力.損失(shi)。且流量(liang)系數大(da),随雷諾(nuo)數增大(da)壓差增(zeng)大緩慢(man),壓力恢(hui)複快，是(shi)5個類型(xing)中☂️性能(neng)較📐好的(de)一種。在(zai)進行單(dan)孔闆流(liu)量計🌈的(de)設計時(shi)，不但要(yao)滿足直(zhi)徑比,還(hai)應該💋考(kao)慮孔闆(pan)的厚度(du)和孔闆(pan)闆前的(de)過渡段(duan)。孔闆的(de)厚度不(bu)宜太薄(bao)也不宜(yi)過厚,過(guo)渡段對(dui)流♍體要(yao)能進行(hang)整合,使(shi)流體盡(jin)可能緩(huan)和的流(liu)人。在孔(kong)闆的設(she)計及使(shi)用中,應(ying)結合實(shi)際情況(kuang),應用合(he)适尺寸(cun)類⭐型的(de)孔闆，确(que)保流量(liang)系數穩(wen)定,并降(jiang)低壓力(li)損失,保(bao)證👉流場(chang)穩定,進(jin)而提高(gao)孔闆流(liu)量計的(de)質量和(he)測量的(de)精度。

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