摘要：為了提高多孔孔板流量傳感器的計(jì)量性能,利用仿真計(jì)算與實(shí)流實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)多孔孔板流量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)計(jì)量性能的影響進(jìn)行了研究。利用實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果和多股射流的研究成果對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:多孔孔板安裝位置對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響程度受相對(duì)入射間距s影響;.流出系數(shù)C受到相對(duì)入射間距s、環(huán)狀排列孔所在區(qū)域的外緣與管壁之間的最小距離d2和厚度I的影響;流出系數(shù)C的線性度主要受環(huán)狀排列孔所在區(qū)域內(nèi)緣與中心節(jié)流孔邊緣之間的最小徑向距離d,影響。
多孔孔板流量傳感器是在標(biāo)準(zhǔn)孔板基礎(chǔ)上發(fā)展起來的節(jié)流裝置,是一個(gè)對(duì)稱的多孔圓盤。從文獻(xiàn)[1~3]可以看出，該流量計(jì)具有比標(biāo)準(zhǔn)孔板更為出色的計(jì)量性能。多孔孔板的孔排列方式及孔板的厚度等幾何參數(shù)決定了流量傳感器的測量性能。設(shè)計(jì)了6種口徑(D=100mm、等效直徑比β=0.6)具有不同孔分布形式和厚度的多孔孔板。在流速范圍為0.5~7.5m/s的工況下,利用仿真計(jì)算與實(shí)流實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)多孔孔板的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)量性能的影響進(jìn)行了研究。
多孔孔板流量傳感器簡介
由射流理論可知,介質(zhì)經(jīng)過多孔孔板后形成多股受限性淹沒射流，因此多股射流的研究成果對(duì)于研究多孔孔板流量傳感器具有一定的指導(dǎo)意義。多股射流與單股射流的主要區(qū)別是孔間射流射出后在其相鄰兩股射流之間存在相互卷吸作用,這直接影響著流動(dòng)的發(fā)生與發(fā)展過程,因此多;股射流的流場比單股射流的流場要復(fù)雜很多。國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬的方式對(duì)多股射流進(jìn)行了研究,目前已經(jīng)對(duì)流動(dòng)特性和流動(dòng)機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí)。為了便于研究，雙股射流成為眾多學(xué)者研究多股射流的基礎(chǔ)。
由文獻(xiàn)[4~8]可知,雙股射流按其流動(dòng)特性可分為會(huì)聚區(qū)和聯(lián)合區(qū),如圖1所示。由于兩股射流的卷吸和干擾,以致在兩股射流的匯聚區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓區(qū),在該區(qū)內(nèi)存在一對(duì)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦，旋渦的長度隨著孔間間距的增大而增長[6]。在兩股射流聯(lián)合后下游附近速度由會(huì)聚區(qū)內(nèi)的負(fù)值變?yōu)檎?預(yù)期存在一個(gè)點(diǎn),在該點(diǎn)的.速度為零,這個(gè)點(diǎn)稱為自由滯點(diǎn)或混合點(diǎn)95),通過確定該點(diǎn)的位置可以反映出會(huì)聚區(qū)內(nèi)旋渦的長度。射流的出射速度越大,對(duì)周圍流體的卷吸作用越強(qiáng)烈,射流之間的旋渦也越強(qiáng)烈,因此多股射流流場中會(huì)有射流運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生(8]參考雙股射流的流動(dòng)特征對(duì)多孔孔板的流場進(jìn)行了區(qū)域劃分，如圖2所示。
2多孔孔板流量傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)定義，
多孔孔板流量傳感器的簡化示意圖如圖3所示,其中d1為環(huán)形排列孔內(nèi)緣與中心節(jié)流孔外緣之間的最小距離;d2為環(huán)形排列孔外緣與管壁之間的最小距離;D為多孔孔板流量傳感器口徑;D1為中心節(jié)流孔的直徑;D2為環(huán)狀排列孔的直徑;D3為環(huán)狀排列孔圓心所在圓的直徑;τ為環(huán)狀排列孔中相鄰孔邊緣的最小距離;P1、P2為多孔孔板的安裝定位標(biāo)志，當(dāng)位置P1與上/下游取壓孔在一條直線上時(shí)為安裝方式一,當(dāng)位置P2與上/下游取壓孔在一條直線上時(shí)為安裝方式二;1為多孔孔板的厚度。
定義s為相對(duì)人射間距,其計(jì)算式為:
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
為了分析多孔孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多孔孔板計(jì)量性能的影響,設(shè)計(jì)了不同形式的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)(圖4),各樣機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。實(shí)流實(shí)驗(yàn)在兩種孔板安裝方式下進(jìn)行,并且在同一流量范圍內(nèi)利用稱重法檢定裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。在仿真計(jì)算中,按照實(shí)流實(shí)驗(yàn)方法利用SSTk-w湍流模型對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算[9.10],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%以內(nèi)。因此仿真計(jì)算結(jié)果可以對(duì)多孔孔板流量傳感器實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理分析。
3.1s對(duì)多孔孔板流量傳感器安裝位置的影響
結(jié)構(gòu)參數(shù)s=t/D2。從表1、2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)參數(shù)s較小時(shí)(s≤0.34),在兩種安裝方式下測得的流出系數(shù)平均值的相對(duì)誤差Ec較小(Ec≤0.23%),說明多孔孔板流量傳感器的安:裝位置變化對(duì)計(jì)量結(jié)果影響較小;當(dāng)參數(shù)s較大時(shí)(s≥0.72),在兩種安裝方式下測得的流出系數(shù)平均值的相對(duì)誤差Ec較大(Ec=2.35%),說明多孔孔板流量傳感器的安裝位置變化對(duì)計(jì)量結(jié)果影響較大。
3.2d2對(duì)多孔孔板流量傳感器計(jì)量性能的影響
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:
a.當(dāng)參數(shù)s≤0.34時(shí),樣機(jī)a、b、c、d、e的流出系數(shù)C隨著參數(shù)d,的減小而增大;
b.當(dāng)參數(shù)s(s=0.99)較大時(shí)(如樣機(jī)f),d2=0.0425D,是所有樣機(jī)中的最小值,但流出系
數(shù)C也最小。
3.3d,對(duì)多孔孔板流量傳感器性能的影響
當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)d1在較小的范圍內(nèi)(0.0450D≤D1≤0.0750D)變化時(shí),流出系數(shù)的線性度較好，約為0.5%,如樣機(jī)a、b、c;當(dāng)d1(d1≥0.1050D)較大時(shí)(如樣機(jī)d、e、f),流出系數(shù)C的線性度在0.8%以上。以具有相同厚度l的樣機(jī)a、b、d、e為例來分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。節(jié)流式流量傳感器差壓信號(hào)的穩(wěn)定性主要是受節(jié)流件下游的旋渦影響,多孔孔板下游的旋渦主要由壁面旋渦區(qū)和射流間旋渦區(qū)組成。由仿真計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)多孔孔板流量傳感器的參數(shù)s≤0.72時(shí),壁面旋渦區(qū)與射流間旋渦區(qū)是相互獨(dú)立的，因此經(jīng)過環(huán)狀排列孔的射流對(duì)壁面回流區(qū)的旋渦強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。由實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在相同流速下,樣機(jī)a、b、d、e的流出系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)d2的增大而減小,這表明壁面處旋渦強(qiáng)度隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)dr的增大而增強(qiáng)，而線性度卻隨著參數(shù)d2的增大而提高。上述分析表明多孔孔板射流間的旋渦是影響線性度的主要因素。從圖5中可以看出,經(jīng)過樣機(jī)a.b.d、e的環(huán)狀排列孔射流與中心節(jié)流孔射流之間的自由滯點(diǎn)分別在距離孔板下游面12、17、25、.85mm位置處,其中樣機(jī)d自由滯點(diǎn)幾乎與取壓位置重合,而樣機(jī)e的自由滯點(diǎn)遠(yuǎn)離取壓位置。這說明環(huán)狀排列孔射流與中心節(jié)流孔射流之間的旋渦的長度隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)d,的增大而增長,與文獻(xiàn)[6]的結(jié)論一致。當(dāng)射流間旋渦區(qū)長度接近取壓位置或者超出取壓位置時(shí),多孔孔板流出系數(shù)C的線性度較差;當(dāng)射流間旋渦的長度在離取壓位置在一-定距離范圍內(nèi)變化時(shí),多孔孔板流出系數(shù)C的線性度幾乎無變化。綜上所述,結(jié)構(gòu)參數(shù)D1是影響多孔孔板流量傳感器流出系數(shù)線性度的主要因素。
3.4厚度l對(duì)多孔孔板流量傳感器計(jì)量性能的影響
樣機(jī)b、c的厚度t不同,其中樣機(jī)b的厚度t=5mm,樣機(jī)c的厚度t=10mm,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,流出系數(shù)C隨著厚度t的增加而增大。對(duì)樣機(jī)b與c的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下:圖6為樣機(jī)b、c在孔板下游P1取壓位置處的速度曲線，圖中區(qū)域I為通過環(huán)狀排列孔的速度剖面。`Vb、`Vc分別表示樣機(jī)b、c流向上的平`均速度。從圖中可以看出,區(qū)域I中`Vc<`Vb。由多股射流理論可知,經(jīng)過樣機(jī)e環(huán)狀排列孔的射流對(duì)周圍流體的卷吸作用較弱,因此壁面處旋渦強(qiáng)度較小,從而使流出系數(shù)C變大。
4結(jié)論
4.1在不同安裝方式下測得的流出系數(shù)平均值的相對(duì)誤差Ec的大小受環(huán)狀排列孔之間的人射間距s影響。
4.2流出系數(shù)C受環(huán)狀排列孔人射間距s、結(jié)構(gòu)參數(shù)d2和厚度影響,影響方式為:當(dāng)s較小時(shí)(s<0.72),流出系數(shù)C隨著參數(shù)d2的減小而增大;當(dāng)s較大時(shí)(s=0.99),流出系數(shù)C的大小不受參數(shù)d2的影響,其大小接近相同β值的標(biāo)準(zhǔn)孔板;對(duì)于具有相同孔分布形式且β值相同的多孔孔板,流出系數(shù)C隨著厚度?的增加而增大。
4.3流出系數(shù)C的線性度受參數(shù)d,的影響:當(dāng)D1在較小范圍內(nèi)變化時(shí)(0.0450D≤d1≤0.0750D),流出系數(shù)的線性度較好(0.5%),并且?guī)缀醪蛔?當(dāng)d,在較大范圍內(nèi)時(shí)(d1≥0.1D),流出系數(shù)C的線性度變差,在0.9%以上。
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