摘要:多孔孔板差壓式流量計(jì)因其快速平衡調(diào)整流場和有效降低壓力損失等能力得到廣泛應(yīng)用,但其尚缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。針對提出的對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流試驗(yàn),研究其計(jì)量性能并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)可有效提高計(jì)量精度(+0.5%)、降低壓力損失,具有更好的適應(yīng)性,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性并對新型流量計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定，研究結(jié)果可有效拓寬多孔孔板流量計(jì)的應(yīng)用范圍。
0引言
　　流量計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛,廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)以及人民生活等領(lǐng)域，諸多流量計(jì)中,傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛。但在實(shí)際應(yīng)用中很多工況條件無法滿足測量要求(如低于標(biāo)準(zhǔn)中推薦的雷諾數(shù)范圍、測量介質(zhì)中混有泥沙等),進(jìn)而限制了其應(yīng)用范圍。
　　在這些情況下,非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)得到快速發(fā)展和進(jìn)一步的應(yīng)用，目前最具代表性的非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)主要有錐形流量計(jì)和多孔孔板流量計(jì)多孔孔板流量計(jì)不但繼承了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠快速平衡調(diào)整流場，明顯減少渦流、降低死區(qū)效應(yīng)、減少流體動能損失,在國際上引起廣泛關(guān)注，自2006年被引進(jìn)我國市場以來,得到廣泛應(yīng)用。但因涉及商業(yè)機(jī)密,多孔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與流出系數(shù)等計(jì)算公式未曾公開。為了掌握該流量計(jì)的核心技術(shù),國內(nèi)科研技術(shù)人員對其進(jìn)行了大量研究，主要集中于孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及計(jì)量性能等方面.[448。目前,實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)不同測量條件來設(shè)計(jì)流量計(jì)，缺乏完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指導(dǎo)。
　　對多孔孔板流量計(jì)進(jìn)行了大量的研究工作,結(jié)合多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板聯(lián)合使用的測量原理,提出了一種對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法(即在中心節(jié)流孔周圍均勻環(huán)形分布若干孔),采用CFD數(shù)值模擬預(yù)測了其內(nèi)部流場,并研究了孔數(shù)量對多孔孔板流量計(jì)流場特性的影響規(guī)律[920但數(shù)值模擬只能為研究提供方向性的指導(dǎo)，并不能很好的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。本文基于數(shù)值模擬結(jié)果搭建對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)實(shí)流標(biāo)校試驗(yàn)平臺,對其計(jì)量性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)了CFD設(shè)計(jì)成果的有效性,并對新型流量計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定。
1多孔孔板流量計(jì)
　　課題組提出并設(shè)計(jì)的多孔孔板流量計(jì)結(jié)合了多孔整流器和標(biāo)準(zhǔn)孔板的測量原理,基本結(jié)構(gòu)為在節(jié)流板中心一個(gè)圓孔的基礎(chǔ)上,對稱分布數(shù)量不等的圓孔,如圖1所示,均勻分布的圓孔的總面積和標(biāo)準(zhǔn)孔板的開孔面積相等。流量計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　多孔孔板流量計(jì)的測量原理是以能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的,即在流量檢測時(shí),所測介質(zhì)流過圓孔的同時(shí)進(jìn)行流體整流，減小節(jié)流裝置后形成的渦流,形成較穩(wěn)定的紊流(近似理想流體),從而獲得穩(wěn)定的差壓信號,根據(jù)伯努利方程計(jì)算出流體的流量:

式中:Q為介質(zhì)流量;K為儀表系數(shù);Y為膨脹系數(shù);△p為差壓值(Pa);ρ為介質(zhì)工況密度。
2數(shù)值模擬
　　針對設(shè)計(jì)的對稱多孔孔板差壓式流量計(jì),分別對開孔數(shù)量為1.4、5.7(孔的分布位置如圖3所示,參數(shù)如表1所示)的流量計(jì)采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)分析了其內(nèi)部流場情況,如圖4所示，研究了孔數(shù)量對多孔孔板流量計(jì)流場特性的影響規(guī)律,得出對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)具有可降低節(jié)流件前后渦流、快速平衡內(nèi)部流場(前后直管段要求:前1D~3D,后0.5D~1D,其中D為通流直徑)、提高測量精度、降低壓力損失、適應(yīng)性更好的優(yōu)點(diǎn)，隨著孔數(shù)量的增加壓力損失逐漸降低、流出系數(shù)提高的結(jié)論。
3試驗(yàn)標(biāo)校平臺的組成
　　為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性,搭建對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)試驗(yàn)標(biāo)校平臺,由對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)、截止閥、差壓變送器、流量調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)、水泵和水槽及管路系統(tǒng)組成,如圖5所示,其中對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)和電磁流量計(jì)與試驗(yàn)管道均通過法蘭連接。試驗(yàn)過程中,流量計(jì)工裝示意圖如圖6所示。
　　工作原理如下:通過試驗(yàn)管路變頻調(diào)速水泵及上游側(cè)流量調(diào)節(jié)閥開度的適當(dāng)調(diào)節(jié),獲得流速0~7m/s連續(xù)可調(diào)的流體介質(zhì),并采用高精度電磁流量計(jì)(作為標(biāo)準(zhǔn)器具,精度+0.2%R)測量實(shí)際流量(流速),利用高準(zhǔn).確度差壓變送器(EJA110E系列、量程0~100kPa、精度+0.065%FS)測量壓差值及壓力損失值。
　　為了與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,相應(yīng)設(shè)置保持一致性:介質(zhì)采用水(環(huán)境溫度5℃~45℃)、濕度35%RH~95%RH、大氣壓力86kPa~106kPa,流速(0.2、0.3、0.5、0.8.1.0.1.2.1.5m/s)，管路規(guī)格DN80(節(jié)流元件上下側(cè)直管段長度約為5m,充分保證了多孔平衡流量計(jì)測量中對前后直管段研究的要求),取壓方式為法蘭取壓(上下游取壓孔軸線距離多孔流量計(jì)節(jié)流件上下游端面均為25.4+0.5mm)。其他參數(shù)為介質(zhì)水密度ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mPa.s、流東膨脹系數(shù)e=1。實(shí)流試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示，試驗(yàn)用對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)如圖8所示。

4試驗(yàn)結(jié)果分析
　　按要求搭建試驗(yàn)標(biāo)校平臺,進(jìn)行實(shí)流試驗(yàn),獲得流量計(jì)試驗(yàn)的差壓與壓力損失值,如表2所示，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,為了更為直觀和分析的方便,將不同開口數(shù)量流量計(jì)的壓力損失值繪制成曲線,如圖9所示。

　　由圖9可以看出，對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的壓力損失比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的要小一些，并且隨著孔數(shù)的增加壓力損失呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。
　　流出系數(shù)是評價(jià)節(jié)流式儀表性能的最重要參數(shù)之

　　為實(shí)際流量與理論流量的比值,是統(tǒng)計(jì)量,受設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用條件的影響。根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程和伯努利方程,定常流體的體積流量為:


注:每點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)值Q、差壓值△P、壓損值δ記錄3次,為了節(jié)省篇幅,取其平均值進(jìn)行表格相應(yīng)欄的填寫
　　式中:C為流出系數(shù),無量綱;β為等效直徑比，無量綱(β2=A0/A,其中A0為孔板節(jié)流孔開孔面積,A為管道截面面積);d為孔板節(jié)流孔等效直徑;△p為壓差;q,為體積流量;ρ為流體介質(zhì)密度。
依據(jù)式(2)，確定流出系數(shù)C的數(shù)值:

　　結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式(3)得不同開口數(shù)量流量計(jì)的流出系數(shù),如表3所示,為了與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行直觀對比，將不同開口數(shù)量流量計(jì)的流出系數(shù)繪制成曲線,如圖10所示。
　　由圖10可以看出,對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的流出系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的要大一些(對于標(biāo)準(zhǔn)孔板,其試驗(yàn)范圍內(nèi)流出系數(shù)平均值為0.6140,對于多孔孔板流量計(jì)其試驗(yàn)范圍內(nèi)流出系數(shù)平均值為4孔孔板0.6221、

5孔孔板0.6268.7孔孔板0.6346),隨著孔數(shù)增加流出系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。
　　結(jié)合圖9和10,試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果相比,壓力損失與流出系數(shù)的變化趨勢完全一致,但在數(shù)值上存在一定偏差,誤差在8%。
流出系數(shù)的系統(tǒng)誤差e為:

　　式中:C0為理論流出系數(shù)，計(jì)算方法依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS05167--2003的規(guī)定;Ci為實(shí)際流出系數(shù)的平均值。
　　若忽略管道制造和安裝誤差以及溫度、流體密度的影響,依據(jù)式(3)可以得到:

　　對于電磁流量計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)表)精度為0.2級,EJA110E高精度壓差傳感器(變送器)的精度為+0.065%,經(jīng)計(jì)算,流出系數(shù)的不確定度為4孔+0.467%、5孔士.0.439%.7孔+0.446%,即流出系數(shù)的誤差均不超過士0.5%,由此并基于流出系數(shù)定義可見流量計(jì)的計(jì)量精度為0.5%。
5結(jié)論
　　本文對多孔孔板差壓式流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)流試驗(yàn),分析了標(biāo)準(zhǔn)孔板與對稱多孔孔板流量計(jì)的計(jì)量性能并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)論如下。
1)實(shí)流試驗(yàn)結(jié)果與CFD數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢上體現(xiàn)出完全的一致性,但在數(shù)值上存在一定的偏差,因此CFD計(jì)算結(jié)果并不能完全代替試驗(yàn)研究的成果。但是這種偏差并不是很大，作為工程上的估算其精度能夠滿足要求。
2)通過對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定,結(jié)果顯示流出系數(shù)C相對于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)有較大的提高,量程范圍大大拓寬,是一種可以應(yīng)用于實(shí)際測量的新型流量計(jì)產(chǎn)品。具體性能指標(biāo)如下:精度+0.5%;前后直管段要求為前1D~3D,后0.5D~1D。
3)對稱多孔孔板差壓式流量計(jì)具有壓力損失小、流出系數(shù)高、適應(yīng)性好等特點(diǎn)，完全可以直接應(yīng)用于工程中目前該流量計(jì)已經(jīng)在市場得到應(yīng)用,一定程度上拓寬了其應(yīng)用范圍

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