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振荡流态下孔板流量计的瞬时压力-流量特性分析

作者: 来源:秒速飞艇 发布时间:2018-03-08 09:46:16

 摘要 为了研究孔板流量计在动态非稳定流态或振荡流态下的瞬时压力-流量特性,借助 CFD 数值解析方法,建立孔板模型,并在模型入口加载某一频率下的正弦流速,对孔板流量计在振荡流态下的压力-流量特性进行分析。结果表明:当孔板流量计处于低频振荡流动状态时,孔板两端差压也处于周期振荡状态,差压与节流孔瞬时流量同频不同相 ,差压幅值随入口流速振幅增大而线性增大,且线性增长系数与振荡频率相关;孔板的入口与出口存在周期波动的瞬时流量差,振荡频率越大或入口流速峰值越小,瞬时流量差的波动越小。

 
孔板流量计因其结构简单、耐用而成为目前国际上标准化程度最高、应用最为广泛的一种流量计,因此研究节流孔的流量特性,对提高孔板流量计测量不确定度的认识具有很重要的意义。孔板流量计通过测量压差进而获得流量。图 1 所示为典型的秒速飞艇彩票内部流场结构,其中 D 为管径,d 为节流孔孔口直径。当液流经过节流孔,流束缩小,流速变大并伴随着较大的压力降。流束的最小横断面出现在实际缩口的下游,称为缩流断面。在缩流断面处,压力最低。压降的产生是由于在孔板的两侧侧面出现回流区及漩涡域,造成较大的内部紊流和能量损耗的结果 。漩涡域的大小取决于流动雷诺数,随着雷诺数的增大,涡旋强度增加。
 
孔板流量计内部流场结构示意图
    流体力学中对孔口恒定出流的描述为孔板结构的设计提供力理论依据。但实际应用中,由于外界激励引起的压力波动,圆管内流体常处于动态非稳定流态或振荡流态,孔板流量计内部流场结构变化极为复杂因此,计量孔板的瞬时流量特性往往与理论分析结果存在偏差。因此,有必要对孔板在非稳定流态下的流量特性进行研究。本文通过FLUENT流体仿真程序,对不同节流孔直径比的孔板,以水为介质在振荡流态下的流动过程进行仿真,对其瞬时压力一流量特性进行进行了分析。
 
1、理论分析
    通常在特定的测压位置和特定的流体参数情况下,根据流体流动的连续性方程方程和伯努利方程可推导出孔板前后差压助与流经节流孔的体积流量QV满足以下函数关系。
20180308094850.jpg20180308094917.jpg
 
孔板流量计通过测量节流孔两端差压进而获得节流孔流量Qv。对于不可压缩的定常流,圆管进口流量On和出口流量QOUt与节流孔流量Qv相等,联立以上方程可得节流孔两端差压与入口流速的关系表达式:
 
当孔板流量计入口流速为某一频率下的正弦流动:
20180308094956.jpg式中,Uavg为入口平均流速,Uamp为流速振荡幅值,f为流体振荡频率。
 
    由公式(3)可知,孔板两端差压也呈周期性波动,其振荡频率与孔板入口流速振荡频率相同。
    孔板前后存在漩涡域。漩涡域的大小占据圆管空间,液体在漩涡域停留,不流向下游管道。漩涡域增大,则流向圆管出口的液流减少。由于孔板前后游涡旋强度随流动雷诺数增大而增大,即随流速增加漩涡域变大。在振荡流态下,漩涡域大小随入口流速变化也表现为周期性变化状态,变化频率与流速振荡频率相同。因此,在某一极短时间段内,漩涡域的体积变化量表现为圆管进、出口的瞬时流量之差。对于不可压缩的非定常流,入口瞬时流量Qin与出口瞬时流量Qout和节流孔瞬时流量Qv满足以下关系:
20180308094941.jpg
 
瞬时流量差的存在,使孔板流量计实际测量流量Qv与出口瞬时流量Qout。之间不可避免存在偏差。
    事实上,由于节流孔的压降作用,当孔板下游压力低于液体饱和蒸气压以下,气泡将在下游管道产生,形成闪蒸现象。当压力上升,气泡破裂瞬间产生局部空穴,高压液体重新流向这些空间。显然,气泡和空穴的占据了下游管道空间,使进、出口流量汤t与Qv。存在差异,出现瞬时流量差。实际孔板流量计使用过程中避免闪蒸和空穴现象的出现,故本文对其影响不做表述。
    为进一步探究孔板的瞬时压力流量特性,本文以上述理论分析为基础,结合有限元分析思想,对孔板流量计在低频微幅振荡流态下的压力流量特性进行了分析。
 
3结果分析
3.1振荡差压
    通过后处理后可以观察到,当入口流速为某一频率下的正弦流动流动时,孔板两端将出现与入口流速频率相同的振荡差压。如图3所示,节流孔瞬时流量与差压振荡频率相等且具有固定的相位滞后。相位滞后意味着测量压差不能反映当时的流量情况。此外,由于压差测量装置的动作时限,测量压差滞后,不能及时反映瞬时压差的变化。因此,在振荡流态下,孔板流量计对瞬时流量的测量存在不确定性。
振荡差压与瞬时流量曲线(1.差压 2.瞬时 流量,f=8Hz)
    图4为入口流速振幅与差压幅值的关系。对于同一振荡频率的入口流速,孔板两端差压幅值随入口流速振幅增大而线性增大,但其线性增长系数与振荡频率有关。
入口流速振幅与差压幅值关系
    图5为孔板两端差压的幅频关系拟合曲线。当入口流速振幅一定时,节流孔两端差压的振荡幅值随振荡频率的增大而增大。差压幅值与振荡频率存在近似一次线性关系。
    在孔口恒定出流情况下,测量流量与实际节流孔流量Qv相同。而在振荡流态下,差压幅值随振荡频率线性增大,则测量流量幅值越大,与实际节流孔流量的偏差也越大。
 
    图6为入口平均流速与差压幅值的关系。可以看出,平均入口流速的变化,对压力幅值的影响几乎可以忽略。
 
 
 
 

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