摘(zhai)要:超臨界(jie)二氧化碳(tan)循環發電(dian)技術采用(yong)超臨界狀(zhuang)态下的二(er)氧化碳代(dai)替傳統水(shui)蒸氣工質(zhi),由于物性(xing)發生巨大(da)變化,質量(liang)流量測量(liang)與計算方(fang)法需重新(xin)構建。本文(wen)開展了孔(kong)闆流量計(ji)
數值模拟(ni)研究,使用(yong)fluent軟件模拟(ni)計算了孔(kong)闆直徑比(bi)💚、節流⛹🏻♀️孔厚(hou)度🐉、孔闆厚(hou)度等結構(gou)參數對流(liu)量系數的(de)影響,結果(guo)表明現行(hang)标準對超(chao)臨界二氧(yang)化碳并不(bu)适用。本文(wen)提出了針(zhen)對超臨界(jie)🈲二氧化碳(tan)工質的孔(kong)🌐闆流量計(ji)結構參數(shu)推薦範圍(wei),在該範圍(wei)🐕内絕大多(duo)數計算結(jie)果相對誤(wu)差小于2%,并(bing)針對入⭐口(kou)邊緣鈍化(hua)提出了新(xin)修正系數(shu),修正後計(ji)😘算結果相(xiang)對誤差爲(wei)0.11%~1.85%,滿足測量(liang)🏒精度要求(qiu)。
伴随着經(jing)濟社會的(de)不斷發展(zhan),我國發電(dian)機組在發(fa)電效㊙️率、能(neng)源結構、環(huan)境效益等(deng)多方面都(dou)面臨着轉(zhuan)型升級的(de)嚴峻💛挑戰(zhan)。中國在2007年(nian)已經成爲(wei)全球溫室(shi)氣體第㊙️一(yi)大排放國(guo)家川。習近(jin)平總書❤️記(ji)在聯合國(guo)-般性辯論(lun)會.上承諾(nuo)[2],中國碳排(pai)😄放量力争(zheng)分别于2030年(nian)和2060年前實(shi)現達峰和(he)中和,作爲(wei)一種變革(ge)性火力發(fa)⛱️電技術超(chao)臨🤟界二氧(yang)化碳循環(huan)是實現能(neng)源結構轉(zhuan)型進程中(zhong)的重要🔞手(shou)段。
随着“雙(shuang)碳”目标的(de)逐步落實(shi)，超臨界二(er)氧化碳(溫(wen)度高于303.98K、壓(ya)力高于7.38MPa)被(bei)廣泛應用(yong),其作爲工(gong)質的布雷(lei)頓🔞循環具(ju)有極高的(de)熱源适用(yong)性,可應用(yong)于太陽能(neng)、核能、餘熱(re)等多種場(chang)景。且由于(yu)超臨界二(er)氧化碳密(mi)度🈲大、黏性(xing)小、壓縮性(xing)好、循環過(guo)程無相變(bian)，相📐比于傳(chuan)統水工質(zhi),超臨界二(er)氧化碳循(xun)環珂以實(shi)🚶♀️現更高的(de)循㊙️環效率(lü),Dostal等[3]指‼️出在(zai)透平人口(kou)工質溫度(du)高于550℃條件(jian)下,超臨界(jie)二氧化碳(tan)👉循環發電(dian)系統性能(neng)顯著高于(yu)水循環系(xi)統。此外，配(pei)合⛷️間歇性(xing)、随機性強(qiang)的可再生(sheng)能源供電(dian)以保障社(she)會用電穩(wen)定是未來(lai)火力發電(dian)重要任務(wu),超臨界二(er)氧化碳系(xi)統靈活性(xing)高⭕、能實現(xian)完全熱電(dian)解耦的特(te)點也使其(qi)更能滿足(zu)未來火力(li)發電的深(shen)度調峰需(xu)求。
系統内(nei)部流動工(gong)質流量的(de)正确測量(liang)是其得以(yi)應用的基(ji)♋礎✌️。當前超(chao)臨界二氧(yang)化碳主要(yao)用于藥物(wu)/化學試劑(ji)萃取、油田(tian)驅油等溫(wen)度、壓力相(xiang)對較低的(de)場景,而超(chao)👉臨界二氧(yang)化碳循環(huan)系統需要(yao)💔二氧化碳(tan)工質達到(dao)極🈲高的溫(wen)度與壓力(li),二氧化碳(tan)的🧑🏾🤝🧑🏼密度、比(bi)熱、黏度等(deng)物性✌️參數(shu)發生了顯(xian)著變化,對(dui)于該條件(jian)下📱二氧化(hua)碳流量測(ce)量,傳統流(liu)量測量方(fang)法将不🌐再(zai)适用。孔闆(pan)流🐆量計是(shi)⭐--種技術✂️成(cheng)熟且适😍合(he)于高溫高(gao)壓流體流(liu)量測:量的(de)方法,經過(guo)多年發展(zhan)孔闆流量(liang)計已形成(cheng)标💃🏻準化形(xing)式,主要包(bao)括兩部分(fen),分别是📱具(ju)有直角邊(bian)緣的-段節(jie)流孔,以及(ji)在節流孔(kong)後具有一(yi)斜🚩角的錐(zhui)形擴流段(duan),其結構如(ru)圖1所示。然(ran)而有關測(ce)量📧超臨界(jie)二氧化碳(tan)循環中工(gong)質流♋量的(de)孔闆流量(liang)計設計方(fang)案,國内外(wai)并無經驗(yan)借鑒。因此(ci)♈需要針對(dui)超🐉臨界二(er)氧化碳工(gong)質的全新(xin)特性,探究(jiu)孔闆結構(gou)參🈲數的變(bian)化對于流(liu)量系數的(de)影響,同時(shi)驗證現有(you)标準中的(de)相關規定(ding)對于超臨(lin)界二氧化(hua)碳工質是(shi)否适用。.
我(wo)國學者采(cai)用數值模(mo)拟爲主,實(shi)驗驗證爲(wei)輔的研究(jiu)方式,以水(shui)或天然氣(qi)爲研究對(dui)象,開展了(le)管徑、孔徑(jing)厚度等結(jie)構🏒參數對(dui)孔闆流量(liang)計的影響(xiang)研究。孔🈚闆(pan)直徑比、厚(hou)度等參數(shu)會顯著影(ying)響孔🛀闆的(de)節流特性(xing),從而影響(xiang)流量計的(de)計量性能(neng)。當直徑比(bi)小于0.3時,流(liu)量系數随(sui)直徑比增(zeng)加而快速(su)下降🌏,當直(zhi)徑比大于(yu)0.3時，流量系(xi)數👅逐漸遞(di)增,但增速(su)較緩;直徑(jing)比在0.2~0.8範圍(wei)内時，流量(liang)系數随β增(zeng)大呈先減(jian)小後增大(da)的趨勢,并(bing)以0.55爲分界(jie)點,其中☁️β在(zai)0.45~0.65之間時可(ke)控制誤差(cha)在3%以内。與(yu)直徑比不(bu)同,流量系(xi)數随孔💚闆(pan)厚度的變(bian)化特性❄️較(jiao)--緻。厚度e增(zeng)加，流出系(xi)數⛷️直線上(shang)升;林棋等(deng)人[4-5]也認爲(wei)流出系數(shu)随縮徑孔(kong)厚度增大(da)而增大;在(zai)模型中🙇♀️考(kao)慮了引壓(ya)管的存在(zai),結果顯♍示(shi)🌈,e變化0.15mm時，流(liu)出系數變(bian)化1.56%;e變化1mm時(shi)，流出系數(shu)變化2.125%。
近年(nian)來的理論(lun)知識、不斷(duan)優化的算(suan)法以及不(bu)斷更新擴(kuo)充的實驗(yan)數據庫等(deng)都保證了(le)數值模拟(ni)研究的正(zheng)确率與精(jing)度,因而逐(zhu)漸成爲主(zhu)流研究方(fang)法之一。孔(kong)闆流量計(ji)管道内部(bu)介質🙇♀️流動(dong)複雜,參數(shu)變化🐆劇烈(lie),采用數值(zhi)模拟方法(fa)可以有效(xiao)捕捉到管(guan)道内⁉️部的(de)細微變化(hua),因此是孔(kong)闆流量計(ji)研究的有(you)力工🏃🏻♂️具。部(bu)分學者利(li)用數值模(mo)拟對孔闆(pan)流量計結(jie)構進行了(le)優化設計(ji)。利用Fluent模拟(ni)了一種半(ban)雙曲線型(xing)的新式⭐孔(kong)闆流量計(ji),并同🔆時利(li)用牛頓流(liu)體和非牛(niu)頓流體進(jin)行驗🈲證，發(fa)現這種流(liu)量計可使(shi)内部介質(zhi)近似🧡無剪(jian)切流動,大(da)大消除了(le)渦流和停(ting)滞區等流(liu)動結🧑🏾🤝🧑🏼構;研(yan)究發現在(zai)孔闆流量(liang)計下遊插(cha)入-個環可(ke)以有效減(jian)少壓力損(sun)失,并利用(yong)數值🆚模拟(ni)和遺傳算(suan)法優化結(jie)構,可㊙️減少(shao)33.5%的壓力損(sun)失,極大🏃♀️的(de)降低了能(neng)耗和👉成本(ben)。
因此,本文(wen)進行了孔(kong)闆流量計(ji)結構參數(shu)對于流量(liang)系數影響(xiang)的模拟研(yan)究,包括直(zhi)徑比、節流(liu)孔厚度、孔(kong)⛷️闆厚度等(deng)結構參數(shu),明确了在(zai)超臨界二(er)氧化碳工(gong)🔴質典型工(gong)況下不同(tong)結構參數(shu)對流量系(xi)數的影響(xiang)✌️,同時将通(tong)過現行孔(kong)✏️闆流量計(ji)國際标準(zhun)文件中經(jing)驗公式計(ji)算得到的(de)結果與數(shu)值模拟結(jie)果進行比(bi)較,提出了(le)針對🔆超臨(lin)界二氧化(hua)碳工質的(de)孔闆流量(liang)計結構參(can)數推薦範(fan)圍與推薦(jian)設計💯值,提(ti)升了其測(ce)量精度。除(chu)此之外，還(hai)探究了孔(kong)闆人口⭕直(zhi)❤️角邊緣鈍(dun)化對孔闆(pan)流量計測(ce)量🛀🏻精度的(de)♈影響,并據(ju)此提出了(le)🍓新的針對(dui)現行孔🥵闆(pan)流量🔴計國(guo)際标準文(wen)件中經驗(yan)公式計算(suan)得🐉到的流(liu)量系數的(de)修正系數(shu)。
1.計算模型(xing)與模拟方(fang)法
1.1模型建(jian)立與網格(ge)劃分
根據(ju)标準文件(jian)[1]規定的孔(kong)闆流量計(ji)結構設計(ji)與參數要(yao)求，本文分(fen)别建立了(le)DN25和DN200兩種管(guan)徑的孔闆(pan)流量♌計,結(jie)構參數如(ru)表1所示,在(zai)後文進行(hang)相關研究(jiu)時均🈲以該(gai)表中的結(jie)🥰構參數✊爲(wei)基礎☔參數(shu),依據該參(can)數使💰用SolidWorks軟(ruan)件建立了(le)孔闆流量(liang)計及其前(qian)後一定長(zhang)度管🈚道的(de)幾何模型(xing),如圖2所示(shi)🤩。
本文采用(yong)非結構化(hua)網格進行(hang)模拟計算(suan),利用AnsysMeshing軟件(jian)将孔闆流(liu)💜量計管道(dao)劃分爲四(si)面體網格(ge)和六面體(ti)🔴網格✍️相結(jie)合的混合(he)形式。除此(ci)之外,爲了(le)準确捕捉(zhuo)到流場内(nei)的細微變(bian)化⭕,在介質(zhi)與管道内(nei)壁接觸處(chu)進行邊界(jie)層的網格(ge)劃分，采用(yong)平滑過渡(du)✔️法,第一層(ceng)高度根據(ju)面網格和(he)過渡比進(jin)行确定,最(zui)大層數爲(wei)🔞5層，增長率(lü)爲1.2,這時邊(bian)界層總厚(hou)度是變化(hua)的,對于複(fu)雜流動更(geng)有效，結果(guo)如圖3所示(shi)。
爲提高節(jie)流孔闆内(nei)部及其到(dao)前後取壓(ya)截面處的(de)模拟精度(du),利用影響(xiang)球對孔闆(pan)前後長度(du)爲D的流場(chang)範圍😄内進(jin)行了局部(bu)網格加密(mi),網格數量(liang)過少會導(dao)📱緻計算📱精(jing)度不足,而(er)過多的網(wang)🌈格數量則(ze)會無謂地(di)加大計算(suan)工作量,降(jiang)低計算速(su)度。本文對(dui)DN25和DN200兩種管(guan)徑不同的(de)管💘道進行(hang)網格數量(liang)與計算結(jie)果無關性(xing)的驗證，綜(zong)合計算精(jing)度與計算(suan)速度考慮(lü),對于DN25管道(dao),選取網格(ge)數分别爲(wei)956036和1190483時,在各(ge)點測出的(de)壓力相差(cha)均小于0.01%，因(yin)此選擇劃(hua)💞分網格數(shu)爲956036;對于DN200管(guan)道,選取網(wang)格數分别(bie)爲2308874與4328293時,在(zai)各點測出(chu)的壓力相(xiang)差均小于(yu)0.01%，因此選擇(ze)劃分網格(ge)數爲2308874。
1.2模拟(ni)程序參數(shu)設置
1.2.1物性(xing)參數設置(zhi)
Refprop軟件由NIST開(kai)發，該軟件(jian)含有豐富(fu)的數據庫(ku)以及适用(yong)‼️于超臨界(jie)CO,的多個狀(zhuang)态方程。本(ben)文通過在(zai)Fluent軟件中激(ji)活NISTRealGas模型[川(chuan)進行調用(yong),計算💃🏻超臨(lin)界二氧化(hua)碳流體的(de)🥵物性參數(shu)。其中物性(xing)參數采用(yong)💰FEK狀态方程(cheng)模型計算(suan)，黏度采用(yong)VS1模型,導熱(re)系數采用(yong)⭐TC1模型,各模(mo)🈚型的相關(guan)參數如表(biao)2所示。
1.2.2邊界(jie)條件設置(zhi)
本文針對(dui)超臨界二(er)氧化碳鍋(guo)爐人口處(chu)的循環工(gong)質進👅行流(liu)㊙️量系數測(ce)量的數值(zhi)模拟研究(jiu),設置了質(zhi)量流量人(ren)口與壓力(li)出口♊,溫度(du)、壓力等參(can)數的選取(qu)爲超臨界(jie)二氧化碳(tan)鍋爐入口(kou)處工質典(dian)型參數,即(ji)750K、21MPa。由于循環(huan)系統運行(hang)🔞于高壓環(huan)☁️境，管道的(de)壓力損失(shi)相較而言(yan)很🛀小，因此(ci)可認爲管(guan)道壓力爲(wei)恒定.值,壓(ya)🐆力出口參(can)數設置與(yu)人口相同(tong),其餘參數(shu)保持默認(ren)不變;由于(yu)♋超臨界二(er)氧化碳鍋(guo)爐人口處(chu)管道一般(ban)采取嚴格(ge)保溫措施(shi),因此可忽(hu)略壁面與(yu)工質間的(de)換熱,設置(zhi)💁爲絕熱邊(bian)界。
1.2.3數值模(mo)型設置
本(ben)文主要模(mo)拟超臨界(jie)二氧化碳(tan)工質流經(jing)孔闆流量(liang)♊計的流動(dong)過程,基本(ben)方程包含(han)質量、動量(liang)和能量輸(shu)運方程,由(you)雷諾數😄的(de)定義公式(shi)
計算可知(zhi)本文針對(dui)的超臨界(jie)二氧化碳(tan)工況下雷(lei)🏃🏻♂️諾🙇♀️數均👈遠(yuan)大于4000,因此(ci)管道内的(de)流動均處(chu)于湍流狀(zhuang)态,在進行(hang)❓數值⁉️模拟(ni)🧑🏾🤝🧑🏼時需進行(hang)湍流模型(xing)的設置,本(ben)文選擇SSTh-ɷ湍(tuan)流模型。
1.2.4求(qiu)解參數設(she)置
FLUENT中的亞(ya)松弛因子(zi)主要控制(zhi)計算過程(cheng)中每次叠(die)代👄的變🙇♀️化(hua)量,可🌐以通(tong)過減少兩(liang)層次之間(jian)計算.結果(guo)的♻️差值從(cong)而促進收(shou)斂👉。本文設(she)置的亞松(song)弛因子如(ru)表3所示。
1.3模(mo)型的驗證(zheng)
基于上述(shu)設置，本文(wen)針對溫度(du)爲535.1~642.5K、壓力爲(wei)19MPa、質量流量(liang)爲1.28kg/s的實👨❤️👨驗(yan)工況進行(hang)了模拟研(yan)究,模拟的(de)孔闆結構(gou)參數、溫度(du)、壓力👈、流量(liang)等參數以(yi)及數據處(chu)理方法均(jun)與實驗保(bao)持--緻,得到(dao)了👉超臨界(jie)二氧化碳(tan)工質的流(liu)量系數。将(jiang)模拟計算(suan)得到的流(liu)量系數與(yu)實流測量(liang)😍結果進行(hang)對比,結果(guo)如圖4所示(shi)。,通過數🐇值(zhi)模拟得到(dao)的流量系(xi)數與實驗(yan)數據總體(ti)趨勢相似(si),在數值上(shang)均高于實(shi)💛驗數據,但(dan)相對于實(shi)驗數據的(de)偏差較小(xiao),偏差爲1.62%~2.69%。
造(zao)成偏差的(de)原因可能(neng)有多種,如(ru)實驗選用(yong)測量儀表(biao)具♻️有一定(ding)的不确定(ding)度、模拟參(can)數的設置(zhi)無法與真(zhen)實情況完(wan)全對應👈、收(shou)斂判據設(she)置不嚴格(ge)等等。爲了(le)降低模拟(ni)結果與實(shi)驗數據的(de)偏差♍,本文(wen)分别按🙇♀️各(ge)模拟結果(guo)相對同💃🏻工(gong)況下實驗(yan)數據的偏(pian)差平均值(zhi)進行修正(zheng)。模拟得到(dao)流量系數(shu)相對實驗(yan)數據平均(jun)增大0.013,因此(ci)對模拟結(jie)果減去該(gai)修正值,修(xiu)正🈲後相對(dui)偏差爲0.016%~0.674%。
上(shang)述結果說(shuo)明數值模(mo)拟方法與(yu)實驗結果(guo)的一緻性(xing)較好,因此(ci)本文建立(li)的數值模(mo)拟方法可(ke)用于後🏒續(xu)進㊙️一步的(de)研究。
2孔闆(pan)結構參數(shu)對流量系(xi)數影響
2.1直(zhi)徑比的影(ying)響
直徑比(bi)會顯著影(ying)響孔闆對(dui)于介質流(liu)過的節流(liu)效果,改變(bian)介質流過(guo)的速度、壓(ya)力等參數(shu),是影響孔(kong)闆流量計(ji)測🌈量性能(neng)的首要因(yin)素。ISO國際标(biao)準中規定(ding),孔闆流量(liang)計的直💘徑(jing)比一般在(zai)0.1~0.75内變化,本(ben)文分别選(xuan)取直徑比(bi)在0.3~0.9之内的(de)7個工況進(jin)行了模拟(ni)計算,探究(jiu)孔闆流量(liang)計直徑比(bi)對流量系(xi)數的影響(xiang)，得到的結(jie)果如圖5所(suo)示。
對數據(ju)進行分析(xi)可知:
(1)孔闆(pan)流量系數(shu)随直徑比(bi)的變化趨(qu)勢與管徑(jing)無關。随着(zhe)孔闆直徑(jing)比增大,DN25和(he)DN200管道内孔(kong)闆流量系(xi)數呈現近(jin)💘似相😍同變(bian)化趨勢;上(shang)🎯升-平穩-.上(shang)升,主要區(qu)别在于前(qian)者在β爲0.4~0.8範(fan)圍内較平(ping)穩、而後者(zhe)在0.5~0.8範圍内(nei)較平穩;
(2)标(biao)準文件[10]中(zhong)經驗計算(suan)公式的結(jie)果随直徑(jing)比增加而(er)🌐逐漸下降(jiang),其中直徑(jing)比在0.3~0.6範圍(wei)内時下降(jiang)趨勢較平(ping)緩💰,當超過(guo)0.6時下降值(zhi)逐漸增大(da);
(3)孔闆流量(liang)系數在β爲(wei)0.3~0.6時小于經(jing)驗公式計(ji)算值,此範(fan)💜圍⚽内使用(yong)經驗計算(suan)公式會使(shi)測量結果(guo)較真實值(zhi)大2.45%~47.03%;β在0.7~0.9時孔(kong)闆流量系(xi)🌂數大于經(jing)驗公式計(ji)算值，此時(shi)使用經驗(yan)計算公式(shi)會使測量(liang)☂️值比實際(ji)值小0.5%~60.19%;
(4)當直(zhi)徑比在标(biao)準文件[10]規(gui)定的0.1~0.75範圍(wei)内時,孔闆(pan)流量系數(shu)的模拟結(jie)果與經驗(yan)公式計算(suan)結果的相(xiang)對誤差波(bo)動較💃🏻大,如(ru)對DN25管道而(er)言,β爲0.3時相(xiang)對偏差達(da)到47.03%,而β爲0.7時(shi)相對偏差(cha)僅爲0.5%。因此(ci)對于🈲超臨(lin)界🌈二氧化(hua)碳工🍓質而(er)言，孔🌍闆直(zhi)徑比的選(xuan)擇範圍應(ying)較标準規(gui)定範圍縮(suo)小;對于超(chao)臨界二氧(yang)化碳工質(zhi)而言,直徑(jing)比在0.6~0.7範圍(wei)内時孔闆(pan)流量系數(shu)的模拟結(jie)果與經驗(yan)公式💚計算(suan)結果的相(xiang)對誤差較(jiao)小，其中DN25管(guan)道相對誤(wu)差爲0.5%~2.45%,DN200管道(dao)相對誤差(cha)爲2.27%~3.6%。
2.2節流孔(kong)厚度的影(ying)響
孔闆節(jie)流孔厚度(du)決定了超(chao)臨界二氧(yang)化碳工質(zhi)流過㊙️收縮(suo)🔞管道的長(zhang)度,是影響(xiang)孔闆節流(liu)能力的主(zhu)要參數之(zhi)一，會對工(gong)質流過孔(kong)闆的流速(su)、壓力等參(can)數産生影(ying)響,進而影(ying)響測量結(jie)果。标準文(wen)件[10]規定标(biao)準孔闆節(jie)流㊙️孔厚度(du)應在0.005D~0.02D之間(jian),對應DN25管道(dao)的e應在0.115~0.46mm,DN200管(guan)道的e應在(zai)0.695~2.78,本文分别(bie)模拟了⛷️DN25管(guan)道e爲0.1~0.7mm、DN200管道(dao)e爲0.2~4.2mm時超臨(lin)界🔞二氧化(hua)碳工🔞質流(liu)過節流孔(kong)闆的流量(liang)系數變化(hua),爲便于對(dui)比🧑🏾🤝🧑🏼,以e/D爲橫(heng)坐标将結(jie)果表示在(zai)圖6中。
對數(shu)據進行分(fen)析可知:
(1)孔(kong)闆流量系(xi)數随e/D的變(bian)化趨勢與(yu)管徑無關(guan)。随着e/D逐漸(jian)增🎯加,DN25和DN200管(guan)🐉道内孔闆(pan)的流量系(xi)數均呈現(xian)先減小後(hou)增大的趨(qu)勢，分别在(zai)e/D爲❓0.017和0.023時達(da)到最小值(zhi)，此後流🈲量(liang)系數先急(ji)劇增大,随(sui)⛱️後保持🥰平(ping)緩增長;
(2)标(biao)準文件[I0]中(zhong)經驗計算(suan)公式的結(jie)果不随節(jie)流孔厚🌈度(du)而發生改(gai)變,其中DN25管(guan)道的經驗(yan)公式計算(suan)結果略大(da)-一些,模拟(ni)得到的DN25和(he)DN200管道的流(liu)量系數均(jun)小于經驗(yan)公式計算(suan)結👨❤️👨果,其中(zhong)前者的相(xiang)對誤差爲(wei)0.18%~1.84%,後者的☀️相(xiang)對誤差爲(wei)0.31%~2.05%;
(3)在标準文(wen)件[10]規定孔(kong)闆節流孔(kong)厚度範圍(wei)内,孔闆流(liu)量系數模(mo)拟🥰結果與(yu)經驗公式(shi)的相對誤(wu)差均在2%以(yi)下,因此标(biao)準中規定(ding)的孔闆節(jie)流孔厚度(du)範圍可以(yi)😍接受;同🥵時(shi)還發現當(dang)節流孔厚(hou)度超過規(gui)定範圍一(yi)定值後,相(xiang)對誤差仍(reng)🐪可接受,甚(shen)至相對誤(wu)差還可能(neng)🥰減少，如DN25管(guan)道的e爲0.6mm、0.7mm時(shi),均超出了(le)規定上限(xian)0.46mm,但相對誤(wu)差分别達(da)到🈚了0.3%和0.18%，因(yin)此标準中(zhong)🌈規定的節(jie)流孔厚度(du)範圍在針(zhen)對超臨界(jie)二氧💚化碳(tan)工質時可(ke)以适當擴(kuo)大,推薦DN25管(guan)道孔闆節(jie)🌐流孔厚度(du)可在0.004D~0.03D内變(bian)化，DN200管道在(zai)0.005D~0.03D範圍内;
(4)基(ji)于模拟結(jie)果給出相(xiang)對誤差更(geng)小時對應(ying)孔闆節流(liu)孔厚度的(de)🈲推薦值,其(qi)中DN25管道孔(kong)闆在e/D爲0.004~0.008及(ji)0.02~0.03之間,即e爲(wei)0.1~0.2mm.0.5~0.7mm時，相對誤(wu)差小于1.5%;DN200管(guan)道孔闆在(zai)e/D爲0.005~0.012及0.027~0.03時,對(dui)應e爲0.7~1.7mm及3.7~4.2mm時(shi)，相對誤差(cha)小于等于(yu)1.5%。
2.3孔闆厚度(du)的影響
由(you)圖1可知，标(biao)準孔闆在(zai)節流孔之(zhi)後還設置(zhi)一定長💞度(du)的錐形擴(kuo)流段,與節(jie)流孔段共(gong)同組成孔(kong)闆的節流(liu)段,該擴流(liu)段長度🌈也(ye)會對孔闆(pan)的節流能(neng)力産生⭕影(ying)響,從而改(gai)變工質流(liu)過孔闆後(hou)的速度、壓(ya)力等參數(shu),對測量精(jing)度産生影(ying)響。标準文(wen)件[10]規定👨❤️👨孔(kong)闆厚度E應(ying)在e~0.05D之間,對(dui)應DN25管道的(de)E應🏃🏻不大于(yu)1.15mm,DN200管道的E不(bu)超過6.95mm。
本文(wen)在保持節(jie)流孔厚度(du)不變的情(qing)況下，分别(bie)設置🈲了不(bu)同的孔闆(pan)厚度用以(yi)探究流量(liang)系數的變(bian)化,其中DN25管(guan)道孔闆厚(hou)度E爲0.5~1.4mm,DN200管道(dao)孔闆厚度(du)E爲3~8mm,模拟結(jie)果如圖7所(suo)示。
對數據(ju)進行分析(xi)可知:
(1)孔闆(pan)流量系數(shu)随E/D的變化(hua)趨勢與管(guan)徑無關。随(sui)着E/D逐🧡漸增(zeng)加🌈,DN25管道和(he)DN200管道内孔(kong)闆流量系(xi)數呈現近(jin)似相同的(de)變化趨勢(shi):即下降上(shang)升-平穩-下(xia)降,主要區(qu)别在于DN200管(guan)道内孔闆(pan)♌流量系✌️數(shu)下降和上(shang)升的趨勢(shi)更加㊙️明顯(xian);
(2)流量系數(shu)經驗計算(suan)公式的結(jie)果不随孔(kong)闆厚.度而(er)㊙️發生變🔱化(hua)，其㊙️中DN25管道(dao)的經驗公(gong)式計算結(jie)果偏大--些(xie),DN25和DN200管道的(de)🌏流量系數(shu)均小于經(jing)驗公式計(ji)算值,因此(ci)當使用經(jing)驗公式進(jin)行工質流(liu)量計算時(shi)會造成計(ji)算結果偏(pian)大;
(3)在标準(zhun)文件[10]規定(ding)孔闆厚度(du)範圍内,DN25和(he)DN200管道内孔(kong)闆流💰量系(xi)數與經驗(yan)計算公式(shi)的相對誤(wu)差均在2%以(yi)下🔴，因此标(biao)準中的規(gui)定範圍可(ke)以接受,但(dan)該規定範(fan)圍對于超(chao)⭕臨界二氧(yang)化碳工質(zhi)可适當擴(kuo)充,如模拟(ni)結果所示(shi)，當DN25和DN200兩種(zhong)管徑的孔(kong)闆厚度E達(da)到0.06D左右時(shi)，雖然已經(jing)超出了規(gui)定的0.05D這一(yi)限值,但相(xiang)對誤差仍(reng)小于2%，處于(yu)可接受❗的(de)範圍,但依(yi)據變化趨(qu)勢可以合(he)理預測，當(dang)孔闆厚度(du)繼續增加(jia)時，相對誤(wu)差将大于(yu)2%，因此建議(yi)對于超臨(lin)界💃🏻二氧化(hua)碳工質而(er)言,孔闆.厚(hou)度可設置(zhi)在0.02D~0.06D之間。
2.4孔(kong)闆流量計(ji)結構參數(shu)設計建議(yi)
通過對孔(kong)闆流量計(ji)各結構參(can)數的模拟(ni)研究,明确(que)了♋在進行(hang)超👄臨界二(er)氧化碳工(gong)質質量流(liu)量測量時(shi),孔闆流量(liang)系數随各(ge)結構參數(shu)的變化趨(qu)勢與相對(dui)誤差,本節(jie)主要對以(yi)上模拟結(jie)🈲果進行總(zong)結分析,參(can)考《用能單(dan)位能源計(ji)量器具配(pei)備和管理(li)通則》中的(de)精度規定(ding)，，給出了針(zhen)對超臨界(jie)二氧化碳(tan)工質的孔(kong)❓闆流量計(ji)結📐構參數(shu)推薦設計(ji)㊙️範圍,在該(gai)範圍🏃♀️内經(jing)驗計算公(gong)式的計算(suan)結果可滿(man)足2.5精♌度等(deng)級要求,還(hai)進♊一步提(ti)出了該範(fan)圍内精度(du)相對更高(gao)的結構參(can)數推薦值(zhi)，将以上結(jie)果與現行(hang)國際标準(zhun)ISO5167-2:2003中标準孔(kong)闆流量計(ji)各結構參(can)數的規定(ding)範圍進行(hang)對比,如表(biao)4所示。
可以(yi)看出,對于(yu)超臨界二(er)氧化碳工(gong)質而言,标(biao)準文件[10]規(gui)定的孔闆(pan)流量計各(ge)結構參數(shu)的設計範(fan)圍并不完(wan)全适用,其(qi)中直徑比(bi)的規定範(fan)圍過大,對(dui)應的流量(liang)系數的相(xiang)對誤差也(ye)波動較大(da),從0.5%到47.03%不等(deng),而當直徑(jing)比在0.6~0.7範圍(wei)内時,可将(jiang)相對誤差(cha)有效降低(di)至0.5%~3.6%;在标準(zhun)文件[10]規定(ding)的節流孔(kong)厚度、孔闆(pan)厚度等參(can)數範圍内(nei),絕大多數(shu)流量系數(shu)的相對誤(wu)差可控制(zhi)在2%以🈲下，因(yin)此其規定(ding)範圍可以(yi)繼續使用(yong),同時本文(wen)的數值模(mo)拟結果顯(xian)示，當孔闆(pan)的以，上幾(ji)個結構參(can)數的數值(zhi)超.出其規(gui)定範圍♻️時(shi),最大相對(dui)誤差也僅(jin)爲2%左右，因(yin)此對于超(chao)臨界二氧(yang)化碳工質(zhi)而言，孔闆(pan)的節流孔(kong)厚度、孔闆(pan)厚度等參(can)數均可一(yi)定程度上(shang)超出📞标準(zhun)中的規定(ding)範圍，相對(dui)誤差也🔴可(ke)接受。
3入口(kou)直角邊緣(yuan)尖銳度及(ji)其修正系(xi)數的模拟(ni)研究
一般(ban)而言,孔闆(pan)人口邊緣(yuan)應該是尖(jian)銳的,其與(yu)超臨界二(er)氧化碳工(gong)質首先直(zhi)接接觸,如(ru)果其尖銳(rui)度不夠的(de)📧話則無法(fa)保證對于(yu)♻️工質的節(jie)流作用達(da)到預期,因(yin)而🏃會對測(ce)🛀量精度産(chan)生影響。在(zai)孔闆實際(ji)工作過程(cheng):中,可🥰能存(cun)在加工精(jing)度不足、工(gong)質磨損、腐(fu)蝕等🥵問題(ti)的存在,造(zao)成直角邊(bian)緣變鈍,故(gu)标準文件(jian)[10]規定♊,孔闆(pan)人口邊♍緣(yuan)的圓弧半(ban)徑應小于(yu)等于0.0004D,在此(ci)🙇♀️限值之内(nei)的誤差是(shi)可以接受(shou)的,若超過(guo)這一-限值(zhi),則無法保(bao)證測量精(jing)度,應🔅進行(hang)相應的維(wei)修、更換或(huo)修正等。本(ben)文模拟了(le)孔闆人口(kou)邊緣圓弧(hu)半徑爲0~0.015D時(shi)孔闆✂️的流(liu)量系數變(bian)化趨勢,結(jie)果如圖8所(suo)示。
分析結(jie)果可以得(de)出:
(1)孔闆人(ren)口邊緣尖(jian)銳度對于(yu)孔闆流量(liang)系數的影(ying)響趨勢與(yu)管徑無關(guan)。随着孔闆(pan)人口邊緣(yuan)逐漸變鈍(dun),DN25和DN200兩種管(guan)道的孔闆(pan)流量系數(shu)呈現近似(si)相同的變(bian)化趨勢，均(jun)随着人口(kou)圓弧半徑(jing)的增大而(er)🏃先增大後(hou)減小,分别(bie)在😍r達到0.01D和(he)0.008D時流量系(xi)數達到最(zui)大;
(2)孔闆人(ren)口邊緣開(kai)始鈍化時(shi),流量系數(shu)顯著增加(jia),遠大于經(jing)驗✔️計算公(gong)式結果,因(yin)此造成使(shi)用經驗計(ji)算公式時(shi)得到的工(gong)質質量流(liu)量相對真(zhen)實值很小(xiao)，其中DN25管道(dao)内相對誤(wu)差爲5.16%~12.61%,DN200管道(dao)的相對誤(wu)差爲5.13%~11.96%;
(3)對于(yu)超臨界二(er)氧化碳工(gong)質而言,當(dang)孔闆人口(kou)直角邊緣(yuan)變鈍後,應(ying)立即進行(hang)相應的處(chu)理或流量(liang)系數的修(xiu)正,否則誤(wu)差将會變(bian)得很大。
當(dang)使用标準(zhun)文件[10]給出(chu)的不同邊(bian)緣尖銳度(du)對應的修(xiu)正系數b進(jin)行孔闆流(liu)量系數的(de)修正時,可(ke)以--定程🈲度(du)上減少🏃🏻♂️流(liu)量系數的(de)相對誤差(cha)。本文使用(yong)表5中的修(xiu)正系數b對(dui)經驗公式(shi)計算結果(guo)進行🔴修正(zheng),結果如圖(tu)9所示。
結果(guo)顯示，對于(yu)超臨界二(er)氧化碳工(gong)質而言,當(dang)使用修正(zheng)系數b進行(hang)孔闆流量(liang)系數的修(xiu)正後,僅可(ke)使部分邊(bian)緣圓弧半(ban)徑對🚶應的(de)孔闆流量(liang)系數相對(dui)誤差降低(di)到可以接(jie)受的程度(du),而大部分(fen)情💔況下相(xiang)對誤差仍(reng)比較大,如(ru)DN25管道🈚多數(shu)情況下的(de)流量🍉系數(shu)相對誤差(cha)在4.41%~6.94%之間㊙️,DN200管(guan)道的相對(dui)誤差多數(shu)在3.74%~7.11%,因此該(gai)修正系數(shu)b對于超臨(lin)🈚界二氧化(hua)碳工質并(bing)不适用。
對(dui)DN25和DN200管道的(de)模拟流量(liang)系數及經(jing)驗公式計(ji)算結果求(qiu)平💜均,得到(dao)針對超臨(lin)界二氧化(hua)碳工質的(de)不同孔闆(pan)邊緣尖銳(rui)度對應的(de)修✍️正系數(shu)b,如表6所示(shi)。将更正的(de)修正系數(shu)應用于模(mo)✌️拟數據🚶♀️，結(jie)果如💋圖10所(suo)示。
可以看(kan)出,當使用(yong)更正後的(de)修正系數(shu)b進行孔闆(pan)的📱流量🔞系(xi)❌數經驗公(gong)式計算結(jie)果的修正(zheng)後,得到的(de)流⛷️量系數(shu)與模拟結(jie)果拟合較(jiao)好,其中DN25管(guan)道相對誤(wu)差🈲爲0.11%~1.21%,DN200管道(dao)❓相對誤差(cha)爲0.11%~1.85%。
4結論
本(ben)文開展了(le)孔闆流量(liang)計的數值(zhi)模拟研究(jiu)，探究了💁孔(kong)闆⛹🏻♀️的各結(jie)🛀🏻構參數對(dui)超臨:界二(er)氧化磯工(gong)質流量系(xi)數🧑🏾🤝🧑🏼的影響(xiang),基于此🏃🏻給(gei)出了孔闆(pan)流量計結(jie)構參數的(de)設計🚶♀️建議(yi),并且探究(jiu)了人口直(zhi)角邊緣尖(jian)銳度對流(liu)量系數✍️的(de)影響,得到(dao)的主要結(jie)論如下:
(1)現(xian)行标準文(wen)件中的孔(kong)闆流量計(ji)結構參數(shu)的規定範(fan)圍測量相(xiang)對誤差在(zai)0.5%~47%的較大範(fan)圍内波動(dong),對于超臨(lin)界🔞二氧化(hua)碳工質并(bing)不适用。
(2)本(ben)文針對超(chao)臨界二氧(yang)化碳工質(zhi)提出了孔(kong)闆.流量計(ji)結構❤️參數(shu)推薦設計(ji)範圍,其中(zhong)直徑比應(ying)爲0.6~0.7,節流孔(kong)厚度應爲(wei)0.004~0.03倍🚶的管道(dao)内徑,孔闆(pan)厚度應爲(wei)0.02~0.06倍的管道(dao)内徑,在該(gai)範圍内絕(jue)大多數工(gong)況下流量(liang)系數的相(xiang)對誤差可(ke)控制在2%以(yi)下;
(3)孔闆人(ren)口邊緣鈍(dun)化會使流(liu)量系數顯(xian)著增加,且(qie)修正系數(shu)b并不能使(shi)相對誤差(cha)降低至可(ke)以接受的(de)範🍉圍,修正(zheng)後相對🈲誤(wu)差仍有約(yue)3.74%-7.11%,本文針對(dui)不同工況(kuang)提出不同(tong)修正參♊數(shu),修正後經(jing)驗公式的(de)相對誤差(cha)降低爲0.11%~1.85%。
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