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      振蕩流態下孔板流量計的瞬時壓力-流量特性分析

      作者: 來源: 發布時間:2018-03-08 09:46:16

       摘要 為了研究孔板流量計在動態非穩定流態或振蕩流態下的瞬時壓力-流量特性,借助 CFD 數值解析方法,建立孔板模型,并在模型入口加載某一頻率下的正弦流速,對孔板流量計在振蕩流態下的壓力-流量特性進行分析。結果表明:當孔板流量計處于低頻振蕩流動狀態時,孔板兩端差壓也處于周期振蕩狀態,差壓與節流孔瞬時流量同頻不同相 ,差壓幅值隨入口流速振幅增大而線性增大,且線性增長系數與振蕩頻率相關;孔板的入口與出口存在周期波動的瞬時流量差,振蕩頻率越大或入口流速峰值越小,瞬時流量差的波動越小。

       
      孔板流量計因其結構簡單、耐用而成為目前國際上標準化程度最高、應用最為廣泛的一種流量計,因此研究節流孔的流量特性,對提高孔板流量計測量不確定度的認識具有很重要的意義。孔板流量計通過測量壓差進而獲得流量。圖 1 所示為典型的標準孔板流量計內部流場結構,其中 D 為管徑,d 為節流孔孔口直徑。當液流經過節流孔,流束縮小,流速變大并伴隨著較大的壓力降。流束的最小橫斷面出現在實際縮口的下游,稱為縮流斷面。在縮流斷面處,壓力最低。壓降的產生是由于在孔板的兩側側面出現回流區及漩渦域,造成較大的內部紊流和能量損耗的結果 。漩渦域的大小取決于流動雷諾數,隨著雷諾數的增大,渦旋強度增加。
       
      孔板流量計內部流場結構示意圖
          流體力學中對孔口恒定出流的描述為孔板結構的設計提供力理論依據。但實際應用中,由于外界激勵引起的壓力波動,圓管內流體常處于動態非穩定流態或振蕩流態,孔板流量計內部流場結構變化極為復雜因此,計量孔板的瞬時流量特性往往與理論分析結果存在偏差。因此,有必要對孔板在非穩定流態下的流量特性進行研究。本文通過FLUENT流體仿真程序,對不同節流孔直徑比的孔板,以水為介質在振蕩流態下的流動過程進行仿真,對其瞬時壓力一流量特性進行進行了分析。
       
      1、理論分析
          通常在特定的測壓位置和特定的流體參數情況下,根據流體流動的連續性方程方程和伯努利方程可推導出孔板前后差壓助與流經節流孔的體積流量QV滿足以下函數關系。
      20180308094850.jpg20180308094917.jpg
       
      孔板流量計通過測量節流孔兩端差壓進而獲得節流孔流量Qv。對于不可壓縮的定常流,圓管進口流量On和出口流量QOUt與節流孔流量Qv相等,聯立以上方程可得節流孔兩端差壓與入口流速的關系表達式:
       
      當孔板流量計入口流速為某一頻率下的正弦流動:
      20180308094956.jpg式中,Uavg為入口平均流速,Uamp為流速振蕩幅值,f為流體振蕩頻率。
       
          由公式(3)可知,孔板兩端差壓也呈周期性波動,其振蕩頻率與孔板入口流速振蕩頻率相同。
          孔板前后存在漩渦域。漩渦域的大小占據圓管空間,液體在漩渦域停留,不流向下游管道。漩渦域增大,則流向圓管出口的液流減少。由于孔板前后游渦旋強度隨流動雷諾數增大而增大,即隨流速增加漩渦域變大。在振蕩流態下,漩渦域大小隨入口流速變化也表現為周期性變化狀態,變化頻率與流速振蕩頻率相同。因此,在某一極短時間段內,漩渦域的體積變化量表現為圓管進、出口的瞬時流量之差。對于不可壓縮的非定常流,入口瞬時流量Qin與出口瞬時流量Qout和節流孔瞬時流量Qv滿足以下關系:
      20180308094941.jpg
       
      瞬時流量差的存在,使孔板流量計實際測量流量Qv與出口瞬時流量Qout。之間不可避免存在偏差。
          事實上,由于節流孔的壓降作用,當孔板下游壓力低于液體飽和蒸氣壓以下,氣泡將在下游管道產生,形成閃蒸現象。當壓力上升,氣泡破裂瞬間產生局部空穴,高壓液體重新流向這些空間。顯然,氣泡和空穴的占據了下游管道空間,使進、出口流量湯t與Qv。存在差異,出現瞬時流量差。實際孔板流量計使用過程中避免閃蒸和空穴現象的出現,故本文對其影響不做表述。
          為進一步探究孔板的瞬時壓力流量特性,本文以上述理論分析為基礎,結合有限元分析思想,對孔板流量計在低頻微幅振蕩流態下的壓力流量特性進行了分析。
       
      3結果分析
      3.1振蕩差壓
          通過后處理后可以觀察到,當入口流速為某一頻率下的正弦流動流動時,孔板兩端將出現與入口流速頻率相同的振蕩差壓。如圖3所示,節流孔瞬時流量與差壓振蕩頻率相等且具有固定的相位滯后。相位滯后意味著測量壓差不能反映當時的流量情況。此外,由于壓差測量裝置的動作時限,測量壓差滯后,不能及時反映瞬時壓差的變化。因此,在振蕩流態下,孔板流量計對瞬時流量的測量存在不確定性。
      振蕩差壓與瞬時流量曲線(1.差壓 2.瞬時 流量,f=8Hz)
          圖4為入口流速振幅與差壓幅值的關系。對于同一振蕩頻率的入口流速,孔板兩端差壓幅值隨入口流速振幅增大而線性增大,但其線性增長系數與振蕩頻率有關。
      入口流速振幅與差壓幅值關系
          圖5為孔板兩端差壓的幅頻關系擬合曲線。當入口流速振幅一定時,節流孔兩端差壓的振蕩幅值隨振蕩頻率的增大而增大。差壓幅值與振蕩頻率存在近似一次線性關系。
          在孔口恒定出流情況下,測量流量與實際節流孔流量Qv相同。而在振蕩流態下,差壓幅值隨振蕩頻率線性增大,則測量流量幅值越大,與實際節流孔流量的偏差也越大。
       
          圖6為入口平均流速與差壓幅值的關系。可以看出,平均入口流速的變化,對壓力幅值的影響幾乎可以忽略。
       
       
       
       

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