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      影響多孔孔板流量計計量精度的因素分析

      作者: 來源: 發布時間:2017-10-14 14:51:31
       
              多孔孔板流量計是一種節流式流量計,在圓形板片上布置多個介質流通孔.文獻【1-2】對按照特定方式設計的多孔孔板局部壓力損失系數e和節流特性的主效應因素進行實驗研究,擬合出局部壓力損失系數ξ與等效直徑比β之問的關系式,并且得出等效直徑比β是影響多孔孔板節流效應的主效應因素.文獻[3-4]將A + FlowTeK的多孔孔板流量計同傳統節流裝置進行比較,得出多孔孔板流量計具有精度高、壓損小、需要前后直管段短等優點.文獻【5】利用實驗方法研究了孔分布、孔板厚度以及擾動對多孔孔板的流出系數Cd的影響.科研人員對多孔孔板的研究工作主要是利用實驗和數值仿真的方法對宏觀上的性能指標進行驗證,本文對流場中的流動機理進行深人細致的研究,進一步提高孔孔板流量計的性能.
              介質經過多孔節流件后形成多股受限型射流,由于多股射流之間的卷吸和摻混,增加了流場的復雜性.Taylor在1949年提出了射流卷吸假說,1986年Tume:對這個假說的發展進行了詳細說明.文獻【6-8】系統地研究了射流人射間距對雙股射流匯聚區和聯合區流動結構的影響;文獻【9】利用PIV技術在人射速度不同的情況下對雙股平行射流的卷吸效應、湍流強度、速度剖面以及雷諾應力進行了研究.文獻【10】利用PLIF技術對平行雙股射流流場中的混合區進行測量.長期以來研究人員分別從理論分析、實驗測量和數值模擬方面對多股射流進行了大量的研究工作,對流場中的一些流動特性和流動機理取得了豐富的成果.本文利用多股射流理論和實驗相結合的方法對多孔孔板計量精度的影響因素進行研究.
       
      1 結構與工作原理
              多孔孔板流量計的簡化結構如圖 1 所示,即在封閉的管道內同軸安裝多孔孔板,來流方向如圖 1
              (a)中箭頭所示,采用壁面取壓方式.
      多孔孔板流量計的結構
              不可壓縮流體的體積流量計算公式為
      不可壓縮流體的體積流量計算公式
              式中:****為體積流量,m3/s ;ΔP為差壓,為影響流出系數****的關鍵因素,Pa;*****為流出系數,無量綱,該參數是從實驗中獲得;ρ為流體密度,kg/m3; β為等效直徑比;ds 為節流孔的等效直徑.
       
      2、影響計量精度的因素分析
              圖2為管徑100 mm,β= 0.6的多孔孔板流量計在雷諾數為2x105的條件下的內部流場的速度矢量圖,在上下游取壓口處取截面I和II,根據不可壓縮流體的伯努利方程
      不可壓縮流體的伯努利方程
              可以推出
      截面I和截面II處的靜壓力之差
              公式中P1和P2分別是截面I和截面II處的靜壓力,ν1和ν2分別為截面Ⅰ和Ⅱ處的平均速度; ξ為局部壓損系數;20171014151659.jpg表示截面Ⅰ和Ⅱ處的動能變化量;20171014151704.jpg表示內能損失,與多孔孔板結構相關.根據動能第 2 表達式得
      20171014151731.jpg
              式中:ω為渦量;ν為速度矢量;γ為觀測點與旋轉中心之間的矢徑.
              各流量點下流出系數Cd的線性度是衡量多孔孔板計量精度的評價指標,由式(2)、式(5)、式(6)可知,流出系數Cd主要受渦量影響.
      速度矢量圖
              介質經過多孔孔板后形成多股受限型射流,射流自孔口出射后與周圍靜止流體間形成速度不連續的間斷面,間斷面失穩而產生漩渦.漩渦卷吸周圍流體進人到射流,同時不斷移動、變形、分裂產生紊動,其影響逐漸向內外發展形成內外兩個自由紊動的剪切層.自由剪切層中的漩渦通過分裂、變形、卷吸和合并等物理過程,除了形成大量的隨機運動小尺度紊動渦體外,還存在一部分有序的大尺度渦結構.大尺度渦的擬序結構由縱向渦和展向渦組成,其中展向渦結構對剪切層的發展控制起主要作用,對紊流的產生、能量的傳遞、動量輸運和紊動摻混等產生直接影響[11一13],因此,大尺度的展向渦結構是影響多孔孔板流量計計量性能的關鍵因素.
              大尺度渦對周圍流體有強烈的卷吸作用,使周圍流體隨射流而運動,增加了射流的總質量.卷吸量是反映射流卷吸作用強弱的標準,其大小與剪切層中大尺度渦的發展演化過程及強度相關.在管壁的約束下,介質進人多孔孔板后形成的射流只能卷吸有限的環境流體.在靜壓差的影響下,射流間以及射流與壁面之間產生回流,回流區的尺寸由流通孔之問的間距決定.由連續性方程可知,管道中任一與流向垂直截面上的質量通量與管道人口處的質量通量相等,從而可以得出漩渦的卷吸流量與回流通量相等的結論.因此,本文利用回流通量來表征漩渦卷吸作用的強度,從而揭示漩渦的卷吸作用對流量計計量精度的影響規律.
       
      3、設計實驗
              由于本文要利用回流通量來揭示大尺度渦對流量計計量精度的影響規律,因此需要獲取多孔孔板流量計內部流場的真實信息,本文對不同形式樣機進行實驗與CFD仿真,利用實驗結果及射流理論驗證仿真精度.
      獲取多孔孔板流量計內部流場的真實信息的實驗裝置
      3.1實流實驗
              該實驗是在天津大學流量實驗室水流量裝置上完成的,該裝置使用稱重法檢定,其不確定度為0.05,流量穩定性0.1,流量范圍5一300 L/h。文獻[14]對實驗裝置進行了詳細說明,實驗裝置如圖3所示.為了保證獲取準確的差壓信號,在實驗過程采用精度為0.075%的雙差壓變送器進行測量,當ΔP<lOkPa時,采用量程范圍為0一10 kPa的差壓變送器;當ΔP> l OkPa時,采用量程范圍為0一200 kPa的差壓變送器.依據流量計的檢定規程,本研究在0.3一7.5 m/s的流速范圍內選擇多點進行測量,每點至少測量3次.流量下限是決定流量計量程范圍的關鍵,因此在實驗過程中對小流量進行密集測量.該研究以管徑100 mm,β=0.6的多孔孔板流量計為研究對象,設計了多種不同形式的實驗樣機,本文選擇如圖4所示的3塊樣機來闡述研究結果.
      不同結構的多孔孔板實驗樣機
      3.2仿真實驗
              多孔孔板流量計流場情況較為復雜,這就要求湍流計算模型對含有大量漩渦及剪切層的流場具有較好的計算效果;多孔孔板流量計采用壁面取壓方式,該取壓方式要求湍流計算模型對近壁區域有較好的計算效果.本研究選擇SST (剪切應力傳輸)k一ω湍流模型.該模型是由Mente:提出的雙方程湍流模型,集成了Standard k一ω。模型與Standard k一ε模型的特點.不但在近壁區域及尾流有很好的預測效果,而且在高雷諾數流動區域和剪切層中有較好的預測效果.文獻「18]對多孔孔板的仿真計算進行了詳細描述.
              為了能夠較為全面地反映流場中回流通量的分布規律,本研究在仿真計算結果的后處理中截取多個徑向截面,該截面位于多孔孔板下游具有回流的區域中,提取整個截面上的軸向速度.為了求出各截面上的回流通量,利用delaunay三角化函數將整個截面上坐標點重構成三角形網格,計算每個網格的面積及通過該網格的法向速度,如圖5所示,其中圖5 (a)的坐標為管道徑向位置,單位為M.
       
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