多孔孔板流量計(jì)是一種節(jié)流式流量計(jì)，在圓形板片上布置多個(gè)介質(zhì)流通孔．對(duì)按照特定方式設(shè)計(jì)的多孔孔板局部壓力損失系數(shù)ξ和節(jié)流特性的主效應(yīng)因素進(jìn)行分析，擬合出局部壓力損失系數(shù)ξ與等效直徑比β之間的關(guān)系式，并且得出等效直徑比β是影響多孔孔板節(jié)流效應(yīng)的主效應(yīng)因素．將A＋FlowTeK的多孔孔板流量計(jì)同傳統(tǒng)節(jié)流裝置進(jìn)行比較，得出多孔孔板流量計(jì)具有精度高、壓損小、需要前后直管段短等優(yōu)點(diǎn)．利用孔分布、孔板厚度以及擾動(dòng)對(duì)多孔孔板的流出系數(shù)Cd的影響．
　　介質(zhì)經(jīng)過(guò)多孔節(jié)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(chǎng)的復(fù)雜性．Taylor在1949年提出了射流卷吸假說(shuō)，1986年Tumer對(duì)這個(gè)假說(shuō)的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明．系統(tǒng)地研究了射流入射間距對(duì)雙股射流匯聚區(qū)和聯(lián)合區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響；利用PIV技術(shù)在入射速度不同的情況下對(duì)雙股平行射流的卷吸效應(yīng)、湍流強(qiáng)度、速度剖面以及雷諾應(yīng)力進(jìn)行了研究．利用PLIF技術(shù)對(duì)平行雙股射流流場(chǎng)中的混合區(qū)進(jìn)行測(cè)量．長(zhǎng)期以來(lái)研究人員分別從理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬方面對(duì)多股射流進(jìn)行了大量的工作，對(duì)流場(chǎng)中的一些流動(dòng)特性和流動(dòng)機(jī)理取得了豐富的成果．利用多股射流理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)多孔孔板計(jì)量精度的影響因素．
1結(jié)構(gòu)與工作原理
　　多孔孔板流量計(jì)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，即在封閉的管道內(nèi)同軸安裝多孔孔板，來(lái)流方向如圖1（a）中箭頭所示，采用壁面取壓方式．

不可壓縮流體的體積流量計(jì)算公式為

　　式中：qV為體積流量，m3/s；Δp為差壓，為影響流出系數(shù)Cd的關(guān)鍵因素，Pa；Cd為流出系數(shù)，無(wú)量綱，該參數(shù)是從實(shí)驗(yàn)中獲得；ρ為流體密度，kg/m3；β為等效直徑比；ds為節(jié)流孔的等效直徑．
2影響計(jì)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(jì)在雷諾數(shù)為52×10的條件下的內(nèi)部流場(chǎng)的速度矢量圖，在上下游取壓口處取截面Ⅰ和Ⅱ，根據(jù)不可壓縮流體的伯努利方程

　　式中：p1和p2分別為截面Ⅰ和Ⅱ處的靜壓力；v1和v2分別為截面Ⅰ和Ⅱ處的平均速度；ξ為局部壓損系數(shù)；表示截面Ⅰ和Ⅱ處的動(dòng)能變化量；表示內(nèi)能損失，與多孔孔板結(jié)構(gòu)相關(guān)．根據(jù)動(dòng)能
第2表達(dá)式得

式中：ω為渦量；v為速度矢量；r為觀測(cè)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心之間的矢徑．
　　各流量點(diǎn)下流出系數(shù)Cd的線性度是衡量多孔孔板計(jì)量精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，由式(2)、式(5)、式(6)可知，流出系數(shù)Cd主要受渦量影響．

　　介質(zhì)經(jīng)過(guò)多孔孔板后形成多股受限型射流，射流自孔口出射后與周?chē)�靜止流體間形成速度不連續(xù)的間斷面，間斷面失穩(wěn)而產(chǎn)生漩渦．漩渦卷吸周?chē)�流體進(jìn)入到射流，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂產(chǎn)生紊動(dòng)，其影響逐漸向內(nèi)外發(fā)展形成內(nèi)外兩個(gè)自由紊動(dòng)的剪切層．自由剪切層中的漩渦通過(guò)分裂、變形、卷吸和合并等物理過(guò)程，除了形成大量的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)小尺度紊動(dòng)渦體外，還存在一部分有序的大尺度渦結(jié)構(gòu)．大尺度渦的擬序結(jié)構(gòu)由縱向渦和展向渦組成，其中展向渦結(jié)構(gòu)對(duì)剪切層的發(fā)展控制起主要作用，對(duì)紊流的產(chǎn)生、能量的傳遞、動(dòng)量輸運(yùn)和紊動(dòng)摻混等產(chǎn)生直接影響[11-13]，因此，大尺度的展向渦結(jié)構(gòu)是影響多孔孔板流量計(jì)計(jì)量性能的關(guān)鍵因素．
　　大尺度渦對(duì)周?chē)�流體有強(qiáng)烈的卷吸作用，使周?chē)�流體隨射流而運(yùn)動(dòng)，增加了射流的總質(zhì)量．卷吸量是反映射流卷吸作用強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)，其大小與剪切層中大尺度渦的發(fā)展演化過(guò)程及強(qiáng)度相關(guān)．在管壁的約束下，介質(zhì)進(jìn)入多孔孔板后形成的射流只能卷吸有限的環(huán)境流體．在靜壓差的影響下，射流間以及射流與壁面之間產(chǎn)生回流，回流區(qū)的尺寸由流通孔之間的間距決定．由連續(xù)性方程可知，管道中任一與流向垂直截面上的質(zhì)量通量與管道入口處的質(zhì)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(jié)論．因此，利用回流通量來(lái)表征漩渦卷吸作用的強(qiáng)度，從而揭示漩渦的卷吸作用對(duì)流量計(jì)計(jì)量精度的影響規(guī)律．
3設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　　由于要利用回流通量來(lái)揭示大尺度渦對(duì)流量計(jì)計(jì)量精度的影響規(guī)律，因此需要獲取多孔孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)的真實(shí)信息．對(duì)不同形式樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與CFD仿真，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果及射流理論驗(yàn)證仿真精度
實(shí)流實(shí)驗(yàn)

　　該實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室水流量裝置上完成的，該裝置使用稱(chēng)重法檢定，其不確定度為0.05%，流量穩(wěn)定性0.1%，流量范圍5～300,L/h．文獻(xiàn)[14]對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示．為了保證獲取準(zhǔn)確的差壓信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用

3.2仿真實(shí)驗(yàn)
　　多孔孔板流量計(jì)流場(chǎng)情況較為復(fù)雜，這就要求湍流計(jì)算模型對(duì)含有大量漩渦及剪切層的流場(chǎng)具有較好的計(jì)算效果；多孔孔板流量計(jì)采用壁面取壓方式，該取壓方式要求湍流計(jì)算模型對(duì)近壁區(qū)域有較好的計(jì)算效果．選擇SST(剪切應(yīng)力傳輸)k-ω湍流模型．該模型是由Menter提出的雙方程湍流模型，集成了Standardk-ω模型與Standardk-ε模型的特點(diǎn)．不但在近壁區(qū)域及尾流有很好的預(yù)測(cè)效果，而且在高雷諾數(shù)流動(dòng)區(qū)域和剪切層中有較好的預(yù)測(cè)效果[15-17]．文獻(xiàn)[18]對(duì)多孔孔板的仿真計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)描述．
　　為了能夠較為全面地反映流場(chǎng)中回流通量的分布規(guī)律，在仿真計(jì)算結(jié)果的后處理中截取多個(gè)徑向截面，該截面位于多孔孔板下游具有回流的區(qū)域中，提取整個(gè)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(shù)將整個(gè)截面上坐標(biāo)點(diǎn)重構(gòu)成三角形網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的面積及通過(guò)該網(wǎng)格的法向速度，如圖5所示，其中圖5(a)的坐標(biāo)為管道徑向位置，單位為m．
回流通量的計(jì)算公式為
Qt=∑Aivi(7)
式中：iv表示與流向相反的速度；iA表示法向速度與流向相反的單元格面積．
3.3仿真結(jié)果驗(yàn)證
　　結(jié)合多股射流理論及實(shí)流實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行定性和定量驗(yàn)證，從表1中可以看出仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)，表中ε為仿真流出系數(shù)CCFD與實(shí)驗(yàn)流出系數(shù)CEXP的相對(duì)誤差，表達(dá)式為。圖6～圖8分別是樣機(jī)C速度云圖、湍流強(qiáng)度云圖、渦量云圖，從圖中可以看出介質(zhì)經(jīng)過(guò)多孔孔板后形成多股受限型射流，射流之間相互卷吸而產(chǎn)生會(huì)聚，最終合成一股射流；射流之間和射流與壁面之間有回流產(chǎn)生；湍流強(qiáng)度最大的位置在射流的剪切層中；在剪切層中產(chǎn)生大尺度展向渦．上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)[10]描述一致．因此，仿真計(jì)算結(jié)果與真實(shí)流動(dòng)狀況吻合．


1160-13
4數(shù)據(jù)處理
4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
　　節(jié)流式流量計(jì)的線性度δl及重復(fù)性σ是評(píng)價(jià)流量計(jì)性能的重要指標(biāo)，δl越小計(jì)量精度越高，σ越大穩(wěn)定性越差，表達(dá)式分別為

　　從圖9中可以看出，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的σi均隨著雷諾數(shù)Re的增大而減小，當(dāng)Re增大到一定程度時(shí)，σi接近常數(shù)，并且樣機(jī)A的σ值最大，樣機(jī)B次之，樣機(jī)C最�。畯膱D10中可以看出，隨著Re的增大，流出系數(shù)Cd由波動(dòng)較大發(fā)展到接近某一常數(shù)．流出系數(shù)Cd接近常數(shù)的流速區(qū)間為流量計(jì)的量程范圍，線性度δl表征在量程范圍內(nèi)的計(jì)量精度．樣機(jī)A在6∶1的量程范圍內(nèi)δl=0.91%；樣機(jī)B在8∶1的量程范圍內(nèi)δl=0.75%；樣機(jī)C在15∶1的量程范圍內(nèi)δl=0.57%．

4.2回流通量數(shù)據(jù)處理
　　圖11～圖13為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在不同流速下的回流通量隨流向距離的變化曲線，圖中以無(wú)量綱值Qr/Qv作為縱坐標(biāo)，表征回流通量的大小，Qr為回流通量，Qv為管道入口流量．從圖中可以看出，在各流速點(diǎn)下無(wú)量綱值Qr/Qv沿流向呈拋物線變化，并且各樣機(jī)的Qr/Qv的最大值出現(xiàn)位置固定；隨著流速的增加，Qr/Qv增加，當(dāng)流速增加到某一值時(shí)，Qr/Qv沿流向的分布曲線重合．因此，Qr/Qv從沿流向的非相似分布過(guò)渡到相似分布．在非相似分布速度區(qū)間中，各流速點(diǎn)下的回流通量沿流向分布差異較大；而在相似分布速度區(qū)間中，各流速點(diǎn)下的回流通量沿流向分布重合．非相似分布與相似分布之間一定存在一個(gè)臨界速度點(diǎn)vc，vc的取值與樣機(jī)的結(jié)構(gòu)相關(guān)，樣機(jī)A的cv取值是1.25,m/s，樣機(jī)B的vc取值是0.70,m/s，樣機(jī)C的vc取值是0.50,m/s．因此，v<1.25m/s、v<0.70,m/s、v<0.50m/s分別為樣機(jī)A、B、C的Qr/Qv的非相似分布速度區(qū)間；v≥1.25m/s、v≥0.70m/s、v≥0.50m/s分別為樣機(jī)A、B、C的Qr/Qv的相似分布速度區(qū)間．

　　樣機(jī)結(jié)構(gòu)不同，在相同速度點(diǎn)下的Qr/Qv不同．圖14與圖15分別為樣機(jī)A、B、C在流速v=0.3m/s和v=2.0,m/s時(shí)的回流通量沿流向的分布曲線．在v=0.3m/s時(shí)，樣機(jī)A、B、C的回流通量沿流向呈非相似分布；在v=2.0,m/s時(shí)，樣機(jī)A、B、C的回流通量沿流向呈相似分布．在這兩個(gè)速度點(diǎn)下，樣機(jī)A的Qr/Qv最大，樣機(jī)B次之，樣機(jī)C最�。�

4.3結(jié)果分析
　　從數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可以看出回流通量與多孔孔板流量計(jì)的計(jì)量性能之間具有較強(qiáng)的規(guī)律性．
　　對(duì)于同一塊多孔孔板流量計(jì)，在v<vc這一流速區(qū)間內(nèi)，各流速點(diǎn)下的回流通量Qr沿流向呈非相似分布，流出系數(shù)Cd波動(dòng)較大且重復(fù)性σ較低；在v≥vc這一流速區(qū)間內(nèi)，各流速點(diǎn)下的回流通量Qr沿流向呈相似分布，流出系數(shù)Cd的線性度δl較小且重復(fù)性σ較高．這說(shuō)明在低流速下，湍流脈動(dòng)頻率低，大尺度漩渦的運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)差壓信號(hào)影響明顯；在流速較高時(shí)，湍流脈動(dòng)頻率增強(qiáng)，大尺度漩渦的運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)差壓信號(hào)影響程度減弱．
　　對(duì)于不同多孔孔板流量計(jì)，在v＜vc流速區(qū)間內(nèi)的相同速度點(diǎn)下，流出系數(shù)Cd的重復(fù)性隨回流通量的增大而降低，各樣機(jī)的臨界速度vc隨回流通量的增加而升高，即量程范圍隨回流通量的增加而減�。辉趘≥vc的流速區(qū)間內(nèi)，流出系數(shù)Cd的線性度δl隨回流通量的增加而增大．
5結(jié)語(yǔ)
　　流體通過(guò)多孔孔板后產(chǎn)生的回流通量可以作為多孔孔板流量計(jì)的計(jì)量性能的優(yōu)化指標(biāo)．回流通量隨流速的變化呈非相似性分布與相似性分布，兩種分布狀態(tài)之間存在臨界速度vc，vc的大小與多孔孔板的結(jié)構(gòu)相關(guān)，vc越小，量程范圍越寬；當(dāng)回流通量沿流向呈非相似性分布時(shí)，同一塊多孔孔板在相同流速點(diǎn)下的流出系數(shù)Cd重復(fù)性較差，在不同流速下流出系數(shù)Cd波動(dòng)較大；當(dāng)回流通量沿流向分布具有相似性時(shí)，同一塊多孔孔板在相同流速點(diǎn)下的流出系數(shù)Cd重復(fù)性較好，在不同流速下流出系數(shù)Cd線性度較高；并且不同結(jié)構(gòu)的多孔孔板在相同流速點(diǎn)下的回流通量越小，流量計(jì)的計(jì)量性能越高．利用該方法優(yōu)化多孔孔板流量計(jì)不但可以降低成本、容易實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)優(yōu)化其他形式的節(jié)流式流量計(jì)具有一定的意義．

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