多孔孔(kong)闆(pan)流量(liang)計 是(shi)一個對稱(cheng)的多(duo)孔圓盤,是(shi)在标(biao)準孔闆基(ji)礎上(shang)發(fa)展起來的非标(biao)準節流(liu)裝置.2006年該(gai)流量計被引入中國(guo)市場，開始(shi)應用(yong)于天(tian)然氣、化工(gong)、煉油等工(gong)業領(ling)域.從相關(guan)文獻(xian)[-3]可以看出該流(liu)量計(ji)具有比标(biao)準孔闆(pan)更爲出(chu)色的(de)計量性能(neng),如測量(liang)精度高(gao)、量程(cheng)範圍(wei)寬、壓(ya)力損失小(xiao)、前後直管段要(yao)求低(di)等優點.多孔孔(kong)闆流(liu)量計結構(gou)參數多,如(ru)節流(liu)孔的(de)大小、個數(shu)及排列(lie)方式等(deng),優化(hua)結(jie)構參數(shu)是提(ti)高多孔孔闆流量計性能(neng)的前提(ti)條(tiao)件.實(shi)現這(zhe)一研究有(you)實流(liu)實(shi)驗(yan)和數(shu)值模(mo)拟2種(zhong)方法(fa).數值(zhi)模拟方法(fa)是研(yan)究流量傳(chuan)感器(qi)特性(xing)的有(you)效手(shou)段之--,既可(ke)降低成本(ben),又可(ke)提高效(xiao)率.目前(qian),關于對多孔孔(kong)闆流量計(ji)流場(chang)仿真方(fang)法的研(yan)究國内外(wai)尚鮮(xian)見文獻報道.
　　因(yin)此,在(zai)對多孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的研(yan)究過程中引入(ru)該方法(fa)，一-方面(mian)可以(yi)加(jia)速(su)研究(jiu)進程(cheng)，另一方面(mian)通過(guo)選擇合适(shi)的計(ji)算(suan)模(mo)型提高多孔(kong)孔闆流(liu)量計流場(chang)計算的正确率(lü).
1湍流(liu)模型的選擇
　　由(you)于目(mu)前尚無對(dui)流場具有(you)普适性的湍流模型(xing)，科研人員(yuan)隻能根據(ju)流場概況(kuang)選擇相(xiang)對合理(li)的湍(tuan)流模型.在(zai)近幾(ji)年的(de)研究中，k-湍流模型被(bei)廣泛(fan)應(ying)用，上述研究(jiu)取(qu)得(de)較好(hao)的效果，這說明雙方(fang)程(cheng)形式的(de)k-0模型在計(ji)算近(jin)壁區(qu)流場、含有(you)尾渦(wo)及(ji)剪(jian)切層等流場(chang)具有較(jiao)好的計算(suan)效果.
　　由于多孔孔闆(pan)孔分布(bu)具(ju)有分(fen)散性(xing)，流(liu)體(ti)經過(guo)多孔(kong)孔闆(pan)後在(zai)管道(dao)中形成受(shou)限性(xing)多(duo)股射流(liu).射流(liu)自(zi)孔(kong)口出(chu)射後與周(zhou)圍靜(jing)止流(liu)體間形成(cheng)速度不(bu)連(lian)續的(de)間斷面，速度間(jian)斷面是不(bu)穩定的，必定(ding)會産生(sheng)波動，并(bing)發(fa)展成(cheng)漩渦，從而引起(qi)紊動.這樣(yang)就把(ba)原來(lai)周圍處于(yu)靜止狀态(tai)的流(liu)體卷(juan)吸到(dao)射流(liu)中，形成(cheng)射流的(de)卷吸(xi)現象(xiang)7.根據(ju)文獻[7]中的(de)雙股(gu)射流理論，流體(ti)經過多孔(kong)孔闆(pan)後多(duo)股射(she)流間(jian)形成會聚(ju)區，最(zui)終合而(er)爲一進(jin)人聯(lian)合區.由于(yu)卷吸(xi)現象(xiang)的存(cun)在，會聚(ju)區(qu)内形(xing)成射流(liu)間(jian)回流(liu)區，各股射(she)流與壁面之間産生(sheng)近壁面回(hui)流區(qu)，在壁(bi)面回(hui)流區(qu)和射流間回流區中有大量的(de)漩渦(wo)存在(zai)，流場(chang)如圖(tu)1所示(shi).

　　由于(yu)射流與周圍靜(jing)止流體的卷吸(xi)與摻混，相(xiang)應地産生了對(dui)射流(liu)的阻力(li)，使射流(liu)邊緣(yuan)部分流速(su)降低(di)，難(nan)以(yi)保持(chi)原來(lai)的(de)初始流(liu)速.射流與周圍流體的(de)摻(chan)混自(zi)邊緣部分(fen)向中(zhong)心發(fa)展，經(jing)過一(yi)-定的距離發展到射(she)流中(zhong)心，自(zi)此以後射(she)流的全斷(duan)面上都發(fa)展成湍流(liu).由孔(kong)口!邊(bian)界(jie)開(kai)始向(xiang)内外擴(kuo)展的摻(chan)混區即(ji)爲(wei)剪切(qie)層，因(yin)此，流體經過多孔孔(kong)闆形(xing)成的多(duo)股射流(liu)流場(chang)中存在較(jiao)多的剪切(qie)層.綜上所(suo)述，多(duo)孔孔(kong)闆流量計的流(liu)場情(qing)況較(jiao)爲複(fu)雜，這(zhe)就要(yao)求湍(tuan)流計(ji)算模型對(dui)含有(you)大量(liang)漩渦(wo)及剪(jian)切層(ceng)的流(liu)場具有(you)較好的(de)計算(suan)效果;由于(yu)多孔孔闆(pan)流量(liang)計采(cai)用壁(bi)面取(qu)壓方式(shi)，該取壓(ya)方式(shi)要求(qiu)湍流(liu)計算模型對近壁區域有較好(hao)的計算效果.
　　基于上(shang)述兩(liang)方面(mian)原因，采用雙方(fang)程形(xing)式的(de)Standardk-?模型(xing)、SSTk-模型(xing)以(yi)及Standardk-c+SSTk-組合(he)形式(shi)分(fen)别對10塊(kuai)100mm口徑、β=0.6的(de)多(duo)孔孔闆進行了數值(zhi)模拟(ni)與實流實驗，流速(su)範(fan)圍爲(wei)0.5~7.5m/s.本文(wen)選擇(ze)了其中3塊(kuai)具(ju)有代表(biao)性的多孔(kong)孔闆(pan)對結(jie)果(guo)進行說(shuo)明.
2湍流模型
　　Standardk-模型是(shi)一個通用(yong)雙方(fang)程(cheng)湍(tuan)流模(mo)型18-9],其(qi)中(zhong)一個變(bian)量是湍動(dong)能k，另(ling)一個變量爲耗(hao)散率(lü).Standardk-?模型是基于Wilcoxk-模(mo)型(xing)，該模型(xing)對近壁區(qu)域的(de)流動(dong)、尾(wei)流、射流(liu)、剪切層及低雷諾數流動有較(jiao)好的預(yu)測(ce)效果(guo).SSTk-0模型是由(you)Menter提出(chu)的雙方程湍流(liu)模型(xing)，該(gai)模(mo)型不(bu)但集成(cheng)了(le)Standardk-模型(xing)特點(dian)與(yu)Standardk-模型對(dui)高雷諾數流動(dong)具有(you)較(jiao)好(hao)計算(suan)效果的優點，而(er)且增(zeng)加了(le)橫向(xiang)擴散(san)導數(shu)項，在(zai)湍流黏(nian)度(du)定義(yi)中考(kao)慮了湍流(liu)剪切(qie)應力的傳(chuan)輸過程.其(qi)模型(xing)爲


3建(jian)模網格剖(pou)分
3.1多孔孔(kong)闆流量計(ji)的(de)幾何結(jie)構
　　圖2爲(wei)多(duo)孔孔闆流量計結構(gou)，其中圖2(a)爲流量(liang)計的(de)整體結構(gou)，圖2(b)爲多(duo)孔(kong)孔闆(pan)的結構及參數(shu)定義.圖(tu)2(b)中(zhong)D爲多(duo)孔孔(kong)闆流量計(ji)的管(guan)徑;D1爲(wei)中心(xin)節流(liu)孔(kong)直(zhi)徑;D2爲(wei)環狀(zhuang)排列(lie)孔直(zhi)徑;D3爲(wei)環狀排列(lie)孔的中心圓直(zhi)徑;多(duo)孔(kong)孔闆中(zhong)心節流孔與環(huan)形排列孔之間(jian)的距(ju)離爲(wei)d,環形(xing)排列(lie)孔與管壁(bi)之間的距(ju)離爲(wei)d2.圖3爲(wei)多孔孔闆(pan)實驗樣機(ji),dh、dh的大(da)小決(jue)定了射流(liu)間回流區(qu)及壁面回流區的尺(chi)寸，因(yin)此表1中給出了(le)各樣機的(de)d1、d2的具體數(shu)值.

3.2網格(ge)剖分(fen)
　　按照(zhao)流量(liang)計的實際尺寸在GAMBIT中(zhong)建(jian)立三維(wei)計算(suan)模型(xing)，前直(zhi)管段(duan)長度(du)設置(zhi)爲10倍管徑(jing)，後直管段(duan)長(zhang)度(du)設置(zhi)爲30倍管徑.爲了正确(que)獲得多孔(kong)孔闆(pan)附(fu)近(jin)的流場變(bian)化情況，多(duo)孔孔闆附(fu)近采用sizefunction函數進行加(jia)密處(chu)理，特(te)别在(zai)多孔(kong)孔(kong)闆的下(xia)遊，加密(mi)區域更(geng)大，而(er)在遠離多(duo)孔孔(kong)闆的(de)上下(xia)遊直(zhi)管段區域(yu)的網格逐(zhu)漸變(bian)得稀疏(shu)，最密處(chu)網格尺寸與兩側稀疏處的比(bi)爲1:5.網格質(zhi)量爲EquiSizeSkew值爲0.75,EquiAngleSkew值爲0.80，AspectRatio值爲(wei)1.0:
3.4.圖4爲多(duo)孔(kong)孔闆B仿真模(mo)型局部(bu)網格.

4計算(suan)結果(guo)分析
　　衡量湍流(liu)模型對節流式(shi)流量計數(shu)值計(ji)算效果(guo)優(you)劣标準如下(xia).
(1)在同樣(yang)的流(liu)量範(fan)圍内(nei)，比較(jiao)數(shu)值(zhi)計算(suan)得出(chu)的流(liu)出系數C與(yu)實(shi)流實驗(yan)結果(guo)是否(fou)具有一緻性;
(2)通過對(dui)不同物(wu)理量的(de)流場(chang)分析(xi)，判斷(duan)計算(suan)結果是否與相(xiang)應(ying)流體力(li)學理論(lun)-緻(zhi).
4.1流出系數(shu)C的(de)計算結(jie)果與(yu)分析(xi)
節流式流(liu)量計測量(liang)不可壓縮(suo)流體的體(ti)積流量計(ji)算公(gong)式(shi)爲

　　式中(zhong):qv爲體(ti)積流量，m/s;Ap爲(wei)上下遊(you)取壓點(dian)測得(de)的差(cha)壓值(zhi)，Pa,在仿真實驗中(zhong)，來自流(liu)場數值(zhi)計算結束(shu)後壓(ya)力場數據的提(ti)取，在實(shi)流(liu)實驗(yan)中則(ze)直(zhi)接(jie)來自(zi)差壓變送器 的(de)讀數(shu);ρ爲流體的(de)密度(du),kg/m3;β與d分别是(shi)多孔孔闆的等(deng)效直徑比(bi)和節(jie)流孔(kong)的(de)等效直(zhi)徑，在實驗(yan)中均(jun)爲确(que)定(ding)的幾何(he)參數(shu);C爲節(jie)流式(shi)流量計的流出(chu)系數(shu)，該(gai)參(can)數是從仿真計算或(huo)者是實(shi)流(liu)實驗(yan)中得(de)出，因(yin)此節(jie)流式流(liu)量計的流出系(xi)數(shu)C是評(ping)價節(jie)流(liu)式(shi)儀表性能(neng)的(de)最(zui)重要(yao)參數.
爲了便于(yu)書寫，Standardk-、SSTk-、Standardk-+SSTk-?分别采用(yong)如下縮(suo)寫(xie)形式:
　　STD、SST,STD+SST.圖5~圖(tu)7是(shi)STD模型、SST模(mo)型及STD+SsT組(zu)合形式(shi)在同(tong)一雷諾數(shu)範圍内對(dui)不同(tong)結構的多(duo)孔孔(kong)闆流量(liang)計計算(suan)得出(chu)的流出系(xi)數C.值(zhi)和(he)實流實(shi)驗值(zhi)(EXP)的比較.每(mei)個湍流模型的(de)8個仿真(zhen)實驗點(dian)對應人(ren)口(kou)流速(su)分别(bie)爲(wei)0.5m/s.1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s、6.0m/s和7.5m/s.
　　在數(shu)值計算(suan)過(guo)程中(zhong)，對于(yu)多孔孔闆(pan)A、B,SST模型(xing)在計算過(guo)程中發散.從圖(tu)5~圖7可以看(kan)出,在(zai)這3種(zhong)數(shu)值計算(suan)方式(shi)中(zhong)，SST模(mo)型或STD+SST模式計(ji)算(suan)得到(dao)的流出系數C在(zai)變化(hua)趨勢與實(shi)流實驗(yan)結(jie)果吻合得(de)最好;STD模型(xing)計算得到(dao)的流(liu)出系數(shu)C的(de)變化(hua)趨勢與(yu)實(shi)流實(shi)驗之(zhi)間有輕微(wei)的差(cha)異(yi),但(dan)總體(ti)趨勢--緻.

　　表(biao)2和表(biao)3中定量地(di)給出了采(cai)用(yong)各數值(zhi)計算(suan)方法(fa)得出的計(ji)算結果.表(biao)2中定量(liang)地(di)給出(chu)了采用各數值(zhi)計算方法(fa)得到的流(liu)出系數平(ping)均值、實流實驗(yan)得出的流出系(xi)數平均值(zhi)及其(qi)平均值(zhi)相對誤(wu)差,該(gai)誤(wu)差(cha)定義爲

　　表3中(zhong)定量地(di)給出了(le)采(cai)用各(ge)數值(zhi)計算方法(fa)得到(dao)流(liu)出(chu)系數(shu)線性(xing)度ELA以(yi)及實(shi)流實驗得(de)出的(de)流出(chu)系數線性(xing)度ELE,計算流(liu)出系數線(xian)性(xing)度的表(biao)達式爲(wei)

式(shi)中:Cmaxs爲所有(you)流(liu)量(liang)點中(zhong)流出系數(shu)最大值;Cmin爲所有流量(liang)點中(zhong)流出(chu)系數最小(xiao)值(zhi).

　　從表2中(zhong)可以(yi)看出(chu),對于多孔孔闆(pan)C,3種計(ji)算模式(shi)均(jun)收斂,STD模型計算結果(guo)的相(xiang)對(dui)誤(wu)差爲(wei)6.90%,SST模型與STD+SST模式計(ji)算結果(guo)的(de)相對(dui)誤差較小，分别(bie)爲4.30%與(yu)4.20%.對于(yu)多孔孔闆A與B,STD模(mo)型與(yu)STD+SST模式計算(suan)結果(guo)的相(xiang)對誤差均(jun)較小,其中(zhong)STD+SST模式(shi)對多孔孔闆計(ji)算結果的(de)相對誤差随(sui)着(zhe)d2值的(de)減小而減(jian)小從(cong)表3中(zhong)可以(yi)看出(chu)，利用(yong)STD+SST模式(shi)計算(suan)多孔孔闆可以(yi)較好地反映出不同(tong)形(xing)式多孔(kong)孔闆(pan)的流(liu)出系(xi)數線性(xing)度.
4.2不同(tong)物理量(liang)流(liu)場分析
(1)從上述(shu)分析(xi)可知(zhi),分别(bie)用STD湍流模型和STD+SST組合(he)模式(shi)計算多孔(kong)孔闆(pan)A、B得(de)出的流(liu)出系數(shu)計(ji)算結(jie)果與(yu)實流(liu)實驗(yan)結果相對誤差(cha)均較(jiao)小，但(dan)是速(su)度場和(he)湍(tuan)流強(qiang)度場(chang)卻有很大(da)差别，如圖(tu)8~圖13所(suo)示.Standardk-?湍(tuan)流模型對(dui)高雷(lei)諾數(shu)湍流及具(ju)有(you)自(zi)由剪(jian)切層的湍流具(ju)有很(hen)好的計算(suan)效果，SST模型(xing)中集(ji)成了(le)Standardk-湍流模型(xing)的這一優(you)點，所(suo)以利(li)用(yong)STD+SST模(mo)式仿(pang)真多(duo)孔(kong)孔闆A得到的(de)下遊(you)速度(du)流場(chang)具有(you)明顯(xian)的會聚(ju)趨(qu)勢，符(fu)合文(wen)獻[4]中(zhong)的雙股理(li)論(lun)，而利用(yong)STD仿真多孔(kong)孔闆(pan)A得到(dao)的下遊射(she)流沒有明(ming)顯會(hui)聚趨(qu)勢(shi).多孔孔(kong)闆B的(de)速(su)度場雲(yun)圖雖(sui)然符(fu)合射(she)流理論，但是利用STD+SST模(mo)式計算的(de)湍流(liu)強度(du)場中(zhong)湍流(liu)強度(du)最大(da)的位置在(zai)射流(liu)的剪(jian)切層中，與(yu)文獻(xian)[10]結(jie)論(lun)-緻.因(yin)此可(ke)以看出SST湍(tuan)流模(mo)型(xing)比(bi)STD湍流模型(xing)更适(shi)合計(ji)算受限性多股(gu)射流相互作用(yong)的流場(chang).

(2)從(cong)圖9、圖11和圖14中可(ke)以看(kan)出，相(xiang)對于多孔(kong)孔闆C,多孔(kong)孔闆(pan)A、B的射流間(jian)回流(liu)區域較大(da)，壁面(mian)回流區域(yu)較小.直接使用SST模型(xing)計算射流間回流區域(yu)較(jiao)大多(duo)孔孔(kong)闆時(shi)的收(shou)斂比(bi)較(jiao)困難，而(er)STD+SST組合(he)模式(shi)不但克服(fu)了上(shang)述缺(que)點并(bing)且計(ji)算效(xiao)果較好.

(3)如(ru)前文(wen)所述(shu)，SST模型(xing)在近壁區(qu)以外(wai)及剪(jian)切層中集成了(le)Standardk-ε湍流模型的特(te)點，而Standardk-ε湍流(liu)模型本身(shen)存在缺陷(xian),該模(mo)型在彎曲(qu)壁面、彎曲流線(xian)等情況下(xia)會産(chan)生失(shi)真.多孔孔(kong)闆A、B、C的壁面(mian)回流區依次(ci)增(zeng)大,所(suo)以采(cai)用(yong)壁面取(qu)壓方(fang)式(shi)時,計算(suan)得出流(liu)出(chu)系數平均(jun)值與實流(liu)實驗得出的流(liu)出系(xi)數平均值(zhi)之間的(de)相(xiang)對誤(wu)差依次減小.
5結(jie)語
　　通過有限體積法(fa)數(shu)值求解(jie)Reynolds平均N-S方程(cheng),湍流(liu)模型(xing)分别用STD模(mo)型、SST模型(xing)及(ji)STD+SST組合(he)模式(shi)對(dui)3塊多孔(kong)孔闆流(liu)量(liang)計進行了(le)數(shu)值模拟(ni).結果表明:對于中心(xin)節(jie)流孔與(yu)環形排(pai)列(lie)孔之(zhi)間距離較小的(de)多孔孔(kong)闆(pan)，SST模型(xing)收斂性較好;對(dui)于中心(xin)節(jie)流孔與環(huan)形排(pai)列的(de)小孔之(zhi)間(jian)距離(li)較大的(de)多(duo)孔孔(kong)闆,SST模型(xing)計(ji)算結(jie)果收(shou)斂困難,STD+SST組(zu)合模式(shi)在(zai)保證(zheng)計算(suan)精度的前(qian)提下(xia)改善(shan)了收(shou)斂效(xiao)果.相對STD模(mo)型,SST模型(xing)更加适合計算(suan)多孔孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的内(nei)部流場,計(ji)算結(jie)果與射流(liu)力學(xue)中的(de)雙(shuang)股射流(liu)理論(lun)-緻,與(yu)實流實驗結(jie)果(guo)誤差(cha)的最大值爲4.2%,并且能(neng)反(fan)映出不(bu)同多孔孔(kong)闆流(liu)出系(xi)數線性度(du)的差異.因(yin)此，利用該(gai)方法計算(suan)多孔(kong)孔闆(pan)流場對優(you)化多(duo)孔孔(kong)闆結構(gou)具有一(yi)定的指(zhi)導(dao)意義(yi)，并且對其他具有射流性質的(de)流場(chang)仿(pang)真(zhen)具有(you)一定(ding)的(de)參(can)考價(jia)值.

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