摘(zhai)要:本文(wen)分析了(le)孔闆流(liu)量計的(de)結構,其(qi)工作原(yuan)理屬差(cha)壓流量(liang)計範疇(chou),從仿真(zhen)角度❗對(dui)孔闆流(liu)量計進(jin)行瞬态(tai)分析,得(de)出“壓差(cha)-流量點(dian)”、“壓差開(kai)方根-流(liu)量點🍉"的(de)拟合方(fang)程,流量(liang)值x;與壓(ya)差開方(fang)根yi的🚶‍♀️線(xian)性關系(xi);随着流(liu)量的💞逐(zhu)漸增大(da),壓差差(cha)值呈增(zeng)大的趨(qu)勢.且流(liu)🐅體介質(zhi)的分子(zi)量越大(da),k系數越(yue)小;相較(jiao)于對稱(cheng)偏離,偏(pian)離程度(du)的大小(xiao)🐕對h系數(shu)的影🧡響(xiang)不穩定(ding),呈先增(zeng)大後減(jian)小、再增(zeng)大波浪(lang)線上升(sheng)的趨勢(shi),沒有嚴(yan)格的🈲規(gui)律而言(yan)。
0引言
　　孔(kong)闆流量(liang)計是根(gen)據伯努(nu)利公式(shi),利用流(liu)體在流(liu)動過程(cheng)中遵守(shou)🛀🏻能量守(shou)恒定律(lü),即動能(neng)和靜壓(ya)能之和(he)不變,以(yi)流體通(tong)過節✏️流(liu)作用的(de)孔闆時(shi)産生壓(ya)差的🔞原(yuan)理而🔞進(jin)行測量(liang),廣泛應(ying)用于石(shi)油、化工(gong)、冶金、電(dian)力、供熱(re)供水等(deng)領域的(de)過程控(kong)制和測(ce)量。”
　　目前(qian),CFD仿真手(shou)段是比(bi)較熱門(men)的方法(fa),廣泛應(ying)用于産(chan)品👈設計(ji)、優化參(can)數。采用(yong)solidworks軟件建(jian)立DN150标準(zhun)孔闆流(liu)量計幾(ji)何模型(xing),基于CFD軟(ruan)件對此(ci)狀态下(xia)孔闆流(liu)量計内(nei)部流✔️場(chang)進行🈲數(shu)值模拟(ni)分析;等(deng)應用FLUENT流(liu)體仿真(zhen)軟件,對(dui)🔅空氣經(jing)過孔闆(pan)前後🌈的(de)壓力和(he)速度進(jin)行仿真(zhen)研究✍️;'應(ying)用計算(suan)流體力(li)學軟件(jian),對不同(tong)結構參(can)數的孔(kong)闆流量(liang)計進行(hang)數值模(mo)拟;運用(yong)CFD方法,在(zai)Fluent軟件中(zhong)采用标(biao)準k-e模型(xing)和離散(san)相模型(xing)對孔闆(pan)内濕天(tian)然氣流(liu)動進✏️行(hang)模拟，将(jiang)模拟結(jie)果與NEL實(shi)驗數據(ju)進行驗(yan)證;(5]趙奇(qi)等以計(ji)算流體(ti)力學(CFD)爲(wei)工具,模(mo)拟了标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)與♌一類(lei)兩通道(dao)非标準(zhun)孔闆流(liu)量計的(de)内部流(liu)場;[6]李過(guo)房自主(zhu)開發了(le)孔闆流(liu)星計流(liu)場的數(shu)值模拟(ni)軟件,詳(xiang)細分析(xi)軟件收(shou)斂的條(tiao)件,并給(gei)出了在(zai)層流和(he)🐅湍流條(tiao)件下流(liu)出系數(shu)的計⭐算(suan)結果;采(cai)用計算(suan)流體力(li)學(CFD)模拟(ni)方法對(dui)孔闆流(liu)㊙️動進行(hang)了較準(zhun)确的預(yu)測;等采(cai)用CFD模拟(ni)方法,确(que)定了單(dan)相非🐕牛(niu)頓流體(ti)的流量(liang)系數與(yu)雷諾數(shu)(比0.4.0.6和0.8)的(de)關系,并(bing)對不同(tong)濃度的(de)非牛頓(dun)流體的(de)流量系(xi)數進行(hang)了分析(xi)。
　　此外,孔(kong)闆流量(liang)計作爲(wei)差壓流(liu)量計範(fan)疇,流經(jing)孔闆的(de)流量與(yu)節流件(jian)前後壓(ya)差開方(fang)根成一(yi)定的線(xian)性關系(xi),存在h系(xi)數,但很(hen)⭕少有人(ren)對k系數(shu)的影響(xiang)因子進(jin)🌈行分析(xi),本文将(jiang)從以下(xia)幾個方(fang)面去探(tan)讨不同(tong)楔角🛀🏻大(da)小、不同(tong)流體介(jie)，質不同(tong)偏離👣情(qing)況對壓(ya)差及k系(xi)數的影(ying)響,爲在(zai)實際檢(jian)測、使用(yong)及産品(pin)設計等(deng)領域提(ti)供參考(kao)。
1孔闆流(liu)量計結(jie)構與工(gong)作原理(li)
1.1孔闆流(liu)量計結(jie)構
　　孔闆(pan)流量計(ji)屬于差(cha)壓流量(liang)計範疇(chou),作爲一(yi)個節流(liu)件,使上(shang)下遊㊙️産(chan)生壓力(li)差，主要(yao)分爲标(biao)準孔闆(pan)和非标(biao)準孔闆(pan)(錐形人(ren)口💋孔闆(pan)、1/4圓孔闆(pan)、偏心孔(kong)闆、圓缺(que)孔闆、多(duo)孔孔闆(pan)等)。其結(jie)構簡單(dan),如🈚圖1所(suo)示:D爲管(guan)道内徑(jing),d爲孔闆(pan)内徑,E爲(wei)孔闆厚(hou)度,e爲節(jie)🔅流孔厚(hou)度。其中(zhong)d≥12.5mm,出口楔(xie)角φ在30°~60°之(zhi)間，e在(0.005~0.02)D之(zhi)間,E在e~0.05D之(zhi)間。
 
1.2工作(zuo)原理
　　孔(kong)闆流量(liang)計工作(zuo)時，是将(jiang)孔闆與(yu)多參數(shu)差壓變(bian)送器♉(或(huo)差壓變(bian)送器、溫(wen)度變送(song)器及壓(ya)力變送(song)器)配套(tao)組成的(de)差壓流(liu)量裝置(zhi),可測量(liang)氣體、蒸(zheng)汽、液體(ti)等介質(zhi)的流量(liang),孔闆流(liu)量計的(de)流量公(gong)式爲:
 
式(shi)中:qv---流過(guo)孔闆流(liu)量計的(de)體積流(liu)量,m³/h;
C---流出(chu)系數,通(tong)過标準(zhun)流量實(shi)驗裝置(zhi)檢定.得(de)到;
ε---膨脹(zhang)系數,當(dang)被測介(jie)質爲液(ye)體時,ε=1可(ke)忽略,當(dang)被測介(jie)質爲氣(qi)體時😄,因(yin)介質可(ke)壓縮,ε爲(wei)小于1的(de)數值,需(xu)要經過(guo)研究方(fang)能得到(dao);
m---流通截(jie)面與管(guan)道截面(mian)之比,僅(jin)與孔闆(pan)流量計(ji)相關🛀🏻幾(ji)何參數(shu)有關;
D--管(guan)道内徑(jing),m;
△p---孔闆節(jie)流件前(qian)後産生(sheng)的差壓(ya)，由差壓(ya)變送器(qi)測量得(de)到,Pa;
ρ---被測(ce)流體密(mi)度,kg/m³。
因此(ci)C、ε、m、D、ρ爲常數(shu),設:
 
　　由式(shi)(3)可知,流(liu)過孔闆(pan)流量計(ji)的體積(ji)流量與(yu)節流件(jian)前後壓(ya)差的🏃開(kai)方根呈(cheng)線性關(guan)系,且經(jing)過原點(dian)。
2仿真理(li)論與試(shi)驗方案(an)設計
2.1模(mo)型建立(li)
　　本文三(san)維模型(xing)建立由(you)SolidWorks2020完成,根(gen)據上文(wen)1.1中有關(guan)要求,初(chu)步設計(ji):D=200mm、d=100mm.E=8mm、e=4mm、φ=45°建立數(shu)學模型(xing)。
2.2仿真理(li)論分析(xi)[2]
　　計算流(liu)體動力(li)學基本(ben)思想是(shi)把原來(lai)在時間(jian)域及空(kong)間域上(shang)連🏃🏻‍♂️續的(de)物理量(liang)的場(速(su)度場、壓(ya)力場等(deng)),用一系(xi)列有限(xian)個✔️離散(san)點上的(de)變量值(zhi)的集合(he)來代替(ti),通過一(yi)定的原(yuan)則和方(fang)式建立(li)起關于(yu)這些離(li)散點上(shang)場變量(liang)之間關(guan)系的代(dai)數方程(cheng)組,然後(hou)♍求解方(fang)程組獲(huo)得場變(bian)量的近(jin)似值。
2.3試(shi)驗思路(lu)
　　通過仿(pang)真分析(xi):一是研(yan)究流體(ti)介質在(zai)管道内(nei)的流動(dong)狀态,根(gen)據2.1相關(guan)參數建(jian)立模型(xing),滿足“前(qian)十後五(wu)”直管段(duan)💋要求,進(jin)行瞬時(shi)🚩動态分(fen)析,研究(jiu)壓力、流(liu)速的分(fen)布及變(bian)化規律(lü);二是研(yan)究不同(tong)楔角φ對(dui)k系數及(ji)節流件(jian)前後壓(ya)差的影(ying)響,分别(bie)取ψ爲30°、40°、45°、50°,60°條(tiao)件下k系(xi)數的變(bian)化規律(lü);三是研(yan)究不同(tong)流體介(jie)質對h系(xi)數🐪的影(ying)響,分别(bie)✍️取流體(ti)介質爲(wei)👅空氣、水(shui)、天然氣(qi)等對k系(xi)數的影(ying)♌響;四是(shi)根據上(shang)㊙️下遊管(guan)道夾持(chi)孔闆形(xing)成偏心(xin)狀态,研(yan)究孔闆(pan)對中性(xing)對h系數(shu)💞的影響(xiang)等。
3仿真(zhen)分析
3.1瞬(shun)态分析(xi)
　　根據2.1參(can)數設計(ji),建立模(mo)型;分析(xi)類型選(xuan)擇内部(bu),排出内(nei)部📐不具(ju)備流動(dong)條件的(de)腔,物理(li)特征選(xuan)擇瞬态(tai)分🌐析,分(fen)析總🌐時(shi)間設定(ding)爲2s,輸出(chu)時間步(bu)長設定(ding)爲0.02s;進行(hang)✔️瞬态分(fen)析選擇(ze)流體介(jie)質爲空(kong)氣,入口(kou)🚶流量分(fen)别選取(qu)5m³/h、10m³/h、15m³/h.20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h.50m³/h、100m³/h、150m³/h、200m³/h、250m³/h、300m³/h、400m³/h、500m³/h、1000m³/h等16個流(liu)量點;如(ru)圖2所示(shi),上、下遊(you)取壓口(kou)壓差随(sui)着人口(kou)流量的(de)🈚增大呈(cheng)增大趨(qu)勢;設x爲(wei)各流量(liang)點.單位(wei)爲m³/h,yw爲各(ge)流量點(dian)對應的(de)上/下遊(you)📐取壓口(kou)壓差值(zhi)、單位爲(wei)Pa,y爲xix0.5、單位(wei)爲Pa0.5。
 
　　瞬态(tai)分析如(ru)圖3所示(shi),以了解(jie)孔闆流(liu)量計在(zai)進行工(gong)作時,介(jie)🌈質㊙️的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻流(liu)動狀态(tai)及壓力(li)、速度實(shi)時分别(bie)情況。設(she)定進口(kou)流量㊙️爲(wei)100m³/h,出口壓(ya)力條件(jian)爲标準(zhun)大氣壓(ya)、溫度爲(wei)20℃;孔闆流(liu)量計的(de)結構設(she)計🔴造成(cheng)氣流通(tong)道變窄(zhai)(管道突(tu)然變徑(jing)),氣流進(jin)入管道(dao)短時間(jian)(0.005s)内上遊(you)取壓口(kou)壓力突(tu)然增大(da),空氣流(liu)動加劇(ju),下遊🌂管(guan)道壓力(li)突然間(jian)變小形(xing)成負壓(ya)區,但壓(ya)力分布(bu)不明顯(xian),僅在孔(kong)闆口周(zhou)圍形成(cheng)不同壓(ya)力分層(ceng);下遊😍管(guan)道壓力(li)出現明(ming)顯分層(ceng)、且逐漸(jian)趨于穩(wen)定。
 
　　根據(ju)仿真數(shu)據得出(chu)“壓差-流(liu)量點”、“壓(ya)差開方(fang)根-流量(liang)點”的拟(ni)合方程(cheng),分别爲(wei):
Yoi=0.0017xi2-0.0197xi+0.6342,R2=1
yi=0.0409xi-0.065,R2=1
　　由于孔(kong)闆流量(liang)計工作(zuo)原理屬(shu)差壓流(liu)量計範(fan)疇,流量(liang)值xi與壓(ya)差😘開方(fang)根yi存在(zai)線性關(guan)系,通過(guo)變形可(ke)得:
xi=24.46yi+1.5926,R2=1
　　則通(tong)過自定(ding)義設置(zhi)截距爲(wei)0,xi=24.533yi,即系數(shu)k=24.533。
3.2不同楔(xie)角φ對h系(xi)數、壓差(cha)差值的(de)影響
　　根(gen)據2.1參數(shu)設計，建(jian)立模型(xing),其他條(tiao)件不變(bian)，隻改變(bian)楔角的(de)大小，分(fen)别取φ爲(wei)30°、40°.45°、50°、60°條件下(xia)k系數的(de)變化規(gui)律;仿真(zhen)流程如(ru)3.1所述。得(de)到結果(guo)如圖4所(suo)示,不同(tong)楔角下(xia)，“壓差開(kai)方根-流(liu)量點”均(jun)呈理想(xiang)線性關(guan)系(R2=1),圖像(xiang)幾乎是(shi)重合的(de),說明楔(xie)角對h系(xi)數影響(xiang)較小;線(xian)性關系(xi)分别爲(wei):
 
xi=24.458yi+1.5721
xi=24.569yi+1.6285
xi=24.46yi+1.5926
xi=24.21yi+1.3936
xi=24.186yi+1.7416
　　令截距(ju)均爲零(ling),則楔角(jiao)30°、40°、45°、.50°.60°對應的(de)系數k分(fen)别爲:24.53、24.645、24.533、24.274、24.265。
　　通(tong)過計算(suan),不同楔(xie)角條件(jian)下,仿真(zhen)壓差與(yu)計算壓(ya)差基本(ben)一緻,如(ru)圖5所示(shi)，
 
　　不難發(fa)現:整體(ti)來看,不(bu)論楔角(jiao)是哪一(yi)種情況(kuang)，在50m³/h以㊙️内(nei)的🔞流🏃‍♂️量(liang)下📞,差值(zhi)基本--緻(zhi),且均接(jie)近于0;随(sui)着流量(liang)的逐漸(jian)增大,壓(ya)差差值(zhi)呈增大(da)的趨勢(shi);楔角40°和(he)楔角45°條(tiao)件下，差(cha)值變化(hua)趨勢基(ji)本緻,且(qie)🈲偏離方(fang)向一緻(zhi);楔角50°與(yu)楔角60°條(tiao)件下，差(cha)值基本(ben)重合,且(qie)偏離方(fang)向一緻(zhi);楔🔞角30°對(dui)差值的(de)影響最(zui)大,在流(liu)量爲500m³/h時(shi),達到最(zui)大值1.94Pa。流(liu)量400m³/h是差(cha)值的“拐(guai)點”，當楔(xie)角爲40°、45°時(shi),差值最(zui)大,之後(hou)差值👈開(kai)始降低(di);當楔角(jiao)爲30°、50°、60°時，差(cha)值開始(shi)突然變(bian)大。
3.3不同(tong)流體介(jie)質對h系(xi)數的影(ying)響
　　爲了(le)研究不(bu)同介質(zhi)對k系數(shu)的影響(xiang),本文選(xuan)擇氣态(tai)水、空氣(qi)、甲烷等(deng)三種氣(qi)體作爲(wei)流體介(jie)質進行(hang)單因🚩素(su)試🙇🏻驗仿(pang)真，取楔(xie)角爲45°等(deng)其他參(can)數因素(su)不變進(jin)行仿真(zhen),結🤩果如(ru)圖6所示(shi);三種不(bu)同介質(zhi)條件下(xia)，壓差與(yu)流量的(de)關系分(fen)别爲😘:
 
　　由(you)于孔闆(pan)流量計(ji)工作原(yuan)理屬差(cha)壓流量(liang)計範疇(chou)，流量值(zhi)❤️xi與壓差(cha)開方根(gen)yi存在線(xian)性關系(xi),根據3.1分(fen)析,氣态(tai)🔅水、空氣(qi)、甲烷等(deng)三種氣(qi)體作爲(wei)流體介(jie)質對應(ying)的系數(shu)h:分别爲(wei)31.407、24.533.33.304;綜上所(suo)述,流體(ti)介質不(bu)同,壓差(cha)與流量(liang)、壓㊙️差開(kai)方根與(yu)流量的(de)變化趨(qu)勢一緻(zhi),但不🏒同(tong)流體介(jie)質對應(ying)的k系數(shu)卻相差(cha)很🌍大。
 
　　根(gen)據三種(zhong)氣體介(jie)質的分(fen)子量分(fen)别爲18(H20)、29(空(kong)氣)、16(CH4),與k系(xi)數的對(dui)應關系(xi)如圖7所(suo)示;流體(ti)介質的(de)分子量(liang)越大,h系(xi)數越小(xiao);随☂️着分(fen)子量的(de)增大、h:系(xi)數逐漸(jian)減小。
3.4孔(kong)闆對中(zhong)性對k系(xi)數的影(ying)響
　　本文(wen)孔闆對(dui)中性是(shi)指在安(an)裝孔闆(pan)或實驗(yan)室檢定(ding)孔闆時(shi),孔闆😍孔(kong)口的中(zhong)心線與(yu)管道中(zhong)心線--緻(zhi)程度,将(jiang)上⛷️述中(zhong)✌️心線的(de)偏離距(ju)離作爲(wei)試驗因(yin)子;如圖(tu)8所示,偏(pian)離分爲(wei)對稱偏(pian)離(DCPL)和偏(pian)離(PL)兩種(zhong);分别取(qu)偏離距(ju)離△x爲5mm、10mm、15mm.20mm,楔(xie)角⛷️爲45°,介(jie)質爲空(kong)氣進行(hang)♋仿真實(shi)驗等。
 
　　如(ru)圖9所示(shi),仿真結(jie)果顯示(shi):不論哪(na)種偏離(li)情況壓(ya)差與流(liu)🏃‍♂️量的關(guan)系曲線(xian)(變化趨(qu)勢)是一(yi)緻的,且(qie)幾乎是(shi)重合的(de),并随着(zhe)流量的(de)不斷增(zeng)大,壓差(cha)也不斷(duan)成增💃🏻大(da)趨勢;根(gen)據3.3中流(liu)量值xi與(yu)壓差開(kai)方根yi存(cun)在線性(xing)關系,得(de)出不同(tong)偏離情(qing)況下對(dui)應的k系(xi)數,對稱(cheng)偏離的(de)情況下(xia),随着偏(pian)離程度(du)的增大(da)h系數呈(cheng)增大趨(qu)勢;相🔞較(jiao)于對稱(cheng)偏離,偏(pian)離程度(du)的大小(xiao)對h系數(shu)的影響(xiang)不穩定(ding),先增🔅大(da)後減小(xiao)再增💰大(da)波浪線(xian)上升的(de)趨勢,沒(mei)有嚴格(ge)的規律(lü)而言;因(yin)此,在使(shi)用或檢(jian)定孔闆(pan)流量計(ji)時,--定要(yao)保證對(dui)中性，這(zhe)樣檢💃🏻出(chu)來的數(shu)據才有(you)意義。
4結(jie)論
　　通過(guo)建模進(jin)行仿真(zhen)實驗得(de)出以下(xia)結論:
(1)分(fen)析了孔(kong)闆流量(liang)計的結(jie)構,其工(gong)作原理(li)屬差壓(ya)流量計(ji)範疇，推(tui)導出流(liu)量值xi與(yu)壓差開(kai)方根yi之(zhi)間存在(zai)線性關(guan)系,且通(tong)過原點(dian)。
 
(2)完成對(dui)孔闆流(liu)量計瞬(shun)态分析(xi),得出“壓(ya)差-流量(liang)點”、“壓差(cha)開方根(gen)-流量點(dian)”的拟合(he)方程,根(gen)據.流量(liang)值xi與壓(ya)差開方(fang)🐪根yi的線(xian)性關系(xi),通過自(zi)定義設(she)置截距(ju)爲0,得出(chu)h系數。
(3)不(bu)同楔角(jiao)φ對h系數(shu)、壓差差(cha)值的影(ying)響:楔.角(jiao)30°、40°、45°、50°、60°對應的(de)系數💘k分(fen)🍉别爲:24.53.24.645、24.533、24.274、24.265;不(bu)論楔角(jiao)是哪一(yi)種情況(kuang),在50m³/h以内(nei)的流量(liang)🌈下,差值(zhi)基本一(yi)緻,且均(jun)接近于(yu)0;随着流(liu)量的逐(zhu)漸增⛱️大(da),壓差差(cha)值呈增(zeng)大的趨(qu)勢。
(4)氣态(tai)水、空氣(qi)、甲烷等(deng)三種氣(qi)體作爲(wei)流體介(jie)質對應(ying)的系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數(shu)k分别爲(wei)31.407、24.533.33.304;且流體(ti)介質的(de)分子量(liang)越大,k系(xi)數越小(xiao);随着分(fen)👅子量的(de)增大.h系(xi)數逐漸(jian)減小。
(5)不(bu)論哪種(zhong)偏離情(qing)況,壓差(cha)與流量(liang)的關系(xi)曲線(變(bian)化趨勢(shi))是⛱️一.緻(zhi)的,且幾(ji)乎是重(zhong)合的，并(bing)随着流(liu)量的不(bu)斷增大(da),壓差也(ye)不斷成(cheng)增大趨(qu)勢;但在(zai)對稱偏(pian)離的情(qing)況下💯,随(sui)着偏✌️離(li)程度的(de)增大㊙️k系(xi)數呈增(zeng)大趨勢(shi);相🐪較于(yu)對稱🧡偏(pian)離,偏離(li)程度的(de)大小對(dui)h系數的(de)影響不(bu)🐉穩定,先(xian)增大後(hou)減小再(zai)增大波(bo)浪線上(shang)升的趨(qu)勢,沒有(you)嚴格的(de)規律🔴而(er)言。
　　綜上(shang)所述,在(zai)設計孔(kong)闆流量(liang)計時,一(yi)定要考(kao)慮流量(liang)範圍及(ji)楔角大(da)小的選(xuan)擇兩個(ge)重要因(yin)素;在使(shi)用時,-定(ding)要❄️保證(zheng)對中性(xing),這樣得(de)出的數(shu)據才有(you)意義。另(ling)外🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,在對(dui)孔闆流(liu)量計(差(cha)壓流量(liang)計)進行(hang)檢測時(shi),出.具證(zheng)書一定(ding)要給出(chu)檢定介(jie)質,用戶(hu)在使用(yong)時，一定(ding)要注🆚意(yi)檢定用(yong)介質與(yu)實際流(liu)體介質(zhi)的差别(bie),适時進(jin)行修正(zheng),才能保(bao)證流量(liang)計的性(xing)能準确(que)結算科(ke)學,以免(mian)帶來不(bu)必要的(de)麻煩等(deng)。

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