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影响多孔钻石娱乐计量精度的因素分析

作者: 来源: 发布时间:2017-10-14 14:51:31
 
        多孔钻石娱乐是一种节流式流量计,在圆形板片上布置多个介质流通孔.文献【1-2】对按照特定方式设计的多孔孔板局部压力损失系数e和节流特性的主效应因素进行实验研究,拟合出局部压力损失系数ξ与等效直径比β之问的关系式,并且得出等效直径比β是影响多孔孔板节流效应的主效应因素.文献[3-4]将A + FlowTeK的多孔钻石娱乐同传统节流装置进行比较,得出多孔钻石娱乐具有精度高、压损小、需要前后直管段短等优点.文献【5】利用实验方法研究了孔分布、孔板厚度以及扰动对多孔孔板的流出系数Cd的影响.科研人员对多孔孔板的研究工作主要是利用实验和数值仿真的方法对宏观上的性能指标进行验证,本文对流场中的流动机理进行深人细致的研究,进一步提高孔钻石娱乐的性能.
        介质经过多孔节流件后形成多股受限型射流,由于多股射流之间的卷吸和掺混,增加了流场的复杂性.Taylor在1949年提出了射流卷吸假说,1986年Tume:对这个假说的发展进行了详细说明.文献【6-8】系统地研究了射流人射间距对双股射流汇聚区和联合区流动结构的影响;文献【9】利用PIV技术在人射速度不同的情况下对双股平行射流的卷吸效应、湍流强度、速度剖面以及雷诺应力进行了研究.文献【10】利用PLIF技术对平行双股射流流场中的混合区进行测量.长期以来研究人员分别从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多股射流进行了大量的研究工作,对流场中的一些流动特性和流动机理取得了丰富的成果.本文利用多股射流理论和实验相结合的方法对多孔孔板计量精度的影响因素进行研究.
 
1 结构与工作原理
        多孔钻石娱乐的简化结构如图 1 所示,即在封闭的管道内同轴安装多孔孔板,来流方向如图 1
        (a)中箭头所示,采用壁面取压方式.
多孔钻石娱乐的结构
        不可压缩流体的体积流量计算公式为
不可压缩流体的体积流量计算公式
        式中:****为体积流量,m3/s ;ΔP为差压,为影响流出系数****的关键因素,Pa;*****为流出系数,无量纲,该参数是从实验中获得;ρ为流体密度,kg/m3; β为等效直径比;ds 为节流孔的等效直径.
 
2、影响计量精度的因素分析
        图2为管径100 mm,β= 0.6的多孔钻石娱乐在雷诺数为2x105的条件下的内部流场的速度矢量图,在上下游取压口处取截面I和II,根据不可压缩流体的伯努利方程
不可压缩流体的伯努利方程
        可以推出
截面I和截面II处的静压力之差
        公式中P1和P2分别是截面I和截面II处的静压力,ν1和ν2分别为截面Ⅰ和Ⅱ处的平均速度; ξ为局部压损系数;20171014151659.jpg表示截面Ⅰ和Ⅱ处的动能变化量;20171014151704.jpg表示内能损失,与多孔孔板结构相关.根据动能第 2 表达式得
20171014151731.jpg
        式中:ω为涡量;ν为速度矢量;γ为观测点与旋转中心之间的矢径.
        各流量点下流出系数Cd的线性度是衡量多孔孔板计量精度的评价指标,由式(2)、式(5)、式(6)可知,流出系数Cd主要受涡量影响.
速度矢量图
        介质经过多孔孔板后形成多股受限型射流,射流自孔口出射后与周围静止流体间形成速度不连续的间断面,间断面失稳而产生漩涡.漩涡卷吸周围流体进人到射流,同时不断移动、变形、分裂产生紊动,其影响逐渐向内外发展形成内外两个自由紊动的剪切层.自由剪切层中的漩涡通过分裂、变形、卷吸和合并等物理过程,除了形成大量的随机运动小尺度紊动涡体外,还存在一部分有序的大尺度涡结构.大尺度涡的拟序结构由纵向涡和展向涡组成,其中展向涡结构对剪切层的发展控制起主要作用,对紊流的产生、能量的传递、动量输运和紊动掺混等产生直接影响[11一13],因此,大尺度的展向涡结构是影响多孔钻石娱乐计量性能的关键因素.
        大尺度涡对周围流体有强烈的卷吸作用,使周围流体随射流而运动,增加了射流的总质量.卷吸量是反映射流卷吸作用强弱的标准,其大小与剪切层中大尺度涡的发展演化过程及强度相关.在管壁的约束下,介质进人多孔孔板后形成的射流只能卷吸有限的环境流体.在静压差的影响下,射流间以及射流与壁面之间产生回流,回流区的尺寸由流通孔之问的间距决定.由连续性方程可知,管道中任一与流向垂直截面上的质量通量与管道人口处的质量通量相等,从而可以得出漩涡的卷吸流量与回流通量相等的结论.因此,本文利用回流通量来表征漩涡卷吸作用的强度,从而揭示漩涡的卷吸作用对流量计计量精度的影响规律.
 
3、设计实验
        由于本文要利用回流通量来揭示大尺度涡对流量计计量精度的影响规律,因此需要获取多孔钻石娱乐内部流场的真实信息,本文对不同形式样机进行实验与CFD仿真,利用实验结果及射流理论验证仿真精度.
获取多孔钻石娱乐内部流场的真实信息的实验装置
3.1实流实验
        该实验是在天津大学流量实验室水流量装置上完成的,该装置使用称重法检定,其不确定度为0.05,流量稳定性0.1,流量范围5一300 L/h。文献[14]对实验装置进行了详细说明,实验装置如图3所示.为了保证获取准确的差压信号,在实验过程采用精度为0.075%的双差压变送器进行测量,当ΔP<lOkPa时,采用量程范围为0一10 kPa的差压变送器;当ΔP> l OkPa时,采用量程范围为0一200 kPa的差压变送器.依据流量计的检定规程,本研究在0.3一7.5 m/s的流速范围内选择多点进行测量,每点至少测量3次.流量下限是决定流量计量程范围的关键,因此在实验过程中对小流量进行密集测量.该研究以管径100 mm,β=0.6的多孔钻石娱乐为研究对象,设计了多种不同形式的实验样机,本文选择如图4所示的3块样机来阐述研究结果.
不同结构的多孔孔板实验样机
3.2仿真实验
        多孔钻石娱乐流场情况较为复杂,这就要求湍流计算模型对含有大量漩涡及剪切层的流场具有较好的计算效果;多孔钻石娱乐采用壁面取压方式,该取压方式要求湍流计算模型对近壁区域有较好的计算效果.本研究选择SST (剪切应力传输)k一ω湍流模型.该模型是由Mente:提出的双方程湍流模型,集成了Standard k一ω。模型与Standard k一ε模型的特点.不但在近壁区域及尾流有很好的预测效果,而且在高雷诺数流动区域和剪切层中有较好的预测效果.文献「18]对多孔孔板的仿真计算进行了详细描述.
        为了能够较为全面地反映流场中回流通量的分布规律,本研究在仿真计算结果的后处理中截取多个径向截面,该截面位于多孔孔板下游具有回流的区域中,提取整个截面上的轴向速度.为了求出各截面上的回流通量,利用delaunay三角化函数将整个截面上坐标点重构成三角形网格,计算每个网格的面积及通过该网格的法向速度,如图5所示,其中图5 (a)的坐标为管道径向位置,单位为M.
 
    更多公式与完整版图文内容请点击下载PDF版。
 
 

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