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  时间:2022-8-4 08:30:53

多孔孔板流量传感器结构参数对计量影响

摘要:为了提高多孔孔板流量传感器的计量性能,利用仿真计算与实流实验相结合的方式对多孔孔板流量传感器的结构参数对计量性能的影响进行了研究。利用实流实验结果和多股射流的研究成果对仿真计算结果进行验证,结果表明:多孔孔板安装位置对计量结果的影响程度受相对入射间距s影响;.流出系数C受到相对入射间距s、环状排列孔所在区域的外缘与管壁之间的最小距离d2和厚度I的影响;流出系数C的线性度主要受环状排列孔所在区域内缘与中心节流孔边缘之间的最小径向距离d,影响。
多孔孔板流量传感器是在标准孔板基础上发展起来的节流装置,是一个对称的多孔圆盘。从文献[1~3]可以看出,该流量计具有比标准孔板更为出色的计量性能。多孔孔板的孔排列方式及孔板的厚度等几何参数决定了流量传感器的测量性能。笔者设计了6种口径(D=100mm、等效直径比β=0.6)具有不同孔分布形式和厚度的多孔孔板。在流速范围为0.5~7.5m/s的工况下,利用仿真计算与实流实验相结合的方法对多孔孔板的几何结构对计量性能的影响进行了研究。
多孔孔板流量传感器简介
  由射流理论可知,介质经过多孔孔板后形成多股受限性淹没射流,因此多股射流的研究成果对于研究多孔孔板流量传感器具有一定的指导意义。多股射流与单股射流的主要区别是孔间射流射出后在其相邻两股射流之间存在相互卷吸作用,这直接影响着流动的发生与发展过程,因此多;股射流的流场比单股射流的流场要复杂很多。国内外学者通过理论分析、实验测量和数值模拟的方式对多股射流进行了研究,目前已经对流动特性和流动机理有了一定的认识。为了便于研究,双股射流成为众多学者研究多股射流的基础。
 
  由文献[4~8]可知,双股射流按其流动特性可分为会聚区和联合区,如图1所示。由于两股射流的卷吸和干扰,以致在两股射流的汇聚区内形成负压区,在该区内存在一对稳定的旋转方向相反的旋涡,旋涡的长度随着孔间间距的增大而增长[6]。在两股射流联合后下游附近速度由会聚区内的负值变为正值,预期存在一个点,在该点的.速度为零,这个点称为自由滯点或混合点95),通过确定该点的位置可以反映出会聚区内旋涡的长度。射流的出射速度越大,对周围流体的卷吸作用越强烈,射流之间的旋涡也越强烈,因此多股射流流场中会有射流运动方向偏转的现象发生(8]笔者参考双股射流的流动特征对多孔孔板的流场进行了区域划分,如图2所示。
多孔孔板流场区域划分示意图
 
2多孔孔板流量传感器结构和参数定义,
  多孔孔板流量传感器的简化示意图如图3所示,其中d1为环形排列孔内缘与中心节流孔外缘之间的最小距离;d2为环形排列孔外缘与管壁之间的最小距离;D为多孔孔板流量传感器口径;D1为中心节流孔的直径;D2为环状排列孔的直径;D3为环状排列孔圆心所在圆的直径;τ为环状排列孔中相邻孔边缘的最小距离;P1、P2为多孔孔板的安装定位标志,当位置P1与上/下游取压孔在一条直线上时为安装方式一,当位置P2与上/下游取压孔在一条直线上时为安装方式二;1为多孔孔板的厚度。
多孔孔板流量传感器结构示意图
 
  定义s为相对人射间距,其计算式为:
 
3实验结果分析
  为了分析多孔孔板结构参数对多孔孔板计量性能的影响,笔者设计了不同形式的实验样机(图4),各样机的具体结构参数见表1。实流实验在两种孔板安装方式下进行,并且在同一流量范围内利用称重法检定装置对实验样机进行标定,实验结果见表2。在仿真计算中,按照实流实验方法利用SSTk-w湍流模型对实验样机进行仿真计算[9.10],计算结果与实流实验结果的相对误差在5%以内。因此仿真计算结果可以对多孔孔板流量传感器实流实验结果进行合理分析。
 
3.1s对多孔孔板流量传感器安装位置的影响
  结构参数s=t/D2。从表1、2的实验结果可以看出,当参数s较小时(s≤0.34),在两种安装方式下测得的流出系数平均值的相对误差Ec较小(Ec≤0.23%),说明多孔孔板流量传感器的安:装位置变化对计量结果影响较小;当参数s较大时(s≥0.72),在两种安装方式下测得的流出系数平均值的相对误差Ec较大(Ec=2.35%),说明多孔孔板流量传感器的安装位置变化对计量结果影响较大。
3.2d2对多孔孔板流量传感器计量性能的影响
  从实验结果可以看出:
a.当参数s≤0.34时,样机a、b、c、d、e的流出系数C随着参数d,的减小而增大;
b.当参数s(s=0.99)较大时(如样机f),d2=0.0425D,是所有样机中的最小值,但流出系
数C也最小。
3.3d,对多孔孔板流量传感器性能的影响
  当结构参数d1在较小的范围内(0.0450D≤D1≤0.0750D)变化时,流出系数的线性度较好,约为0.5%,如样机a、b、c;当d1(d1≥0.1050D)较大时(如样机d、e、f),流出系数C的线性度在0.8%以上。笔者以具有相同厚度l的样机a、b、d、e为例来分析上述实验结果。节流式流量传感器差压信号的稳定性主要是受节流件下游的旋涡影响,多孔孔板下游的旋涡主要由壁面旋涡区和射流间旋涡区组成。由仿真计算结果可知,当多孔孔板流量传感器的参数s≤0.72时,壁面旋涡区与射流间旋涡区是相互独立的,因此经过环状排列孔的射流对壁面回流区的旋涡强度起主导作用。由实流实验结果可知,在相同流速下,样机a、b、d、e的流出系数随着结构参数d2的增大而减小,这表明壁面处旋涡强度随着结构参数dr的增大而增强,而线性度却随着参数d2的增大而提高。上述分析表明多孔孔板射流间的旋涡是影响线性度的主要因素。从图5中可以看出,经过样机a.b.d、e的环状排列孔射流与中心节流孔射流之间的自由滞点分别在距离孔板下游面12、17、25、.85mm位置处,其中样机d自由滞点几乎与取压位置重合,而样机e的自由滞点远离取压位置。这说明环状排列孔射流与中心节流孔射流之间的旋涡的长度随着结构参数d,的增大而增长,与文献[6]的结论一致。当射流间旋涡区长度接近取压位置或者超出取压位置时,多孔孔板流出系数C的线性度较差;当射流间旋涡的长度在离取压位置在一-定距离范围内变化时,多孔孔板流出系数C的线性度几乎无变化。综上所述,结构参数D1是影响多孔孔板流量传感器流出系数线性度的主要因素。
 
3.4厚度l对多孔孔板流量传感器计量性能的影响
  样机b、c的厚度t不同,其中样机b的厚度t=5mm,样机c的厚度t=10mm,其他结构参数均相同。从实验结果可以看出,流出系数C随着厚度t的增加而增大。对样机b与c的实验结果分析如下:图6为样机b、c在孔板下游P1取压位置处的速度曲线,图中区域I为通过环状排列孔的速度剖面。`Vb、`Vc分别表示样机b、c流向上的平`均速度。从图中可以看出,区域I中`Vc<`Vb。由多股射流理论可知,经过样机e环状排列孔的射流对周围流体的卷吸作用较弱,因此壁面处旋涡强度较小,从而使流出系数C变大。
4结论
4.1在不同安装方式下测得的流出系数平均值的相对误差Ec的大小受环状排列孔之间的人射间距s影响。
4.2流出系数C受环状排列孔人射间距s、结构参数d2和厚度影响,影响方式为:当s较小时(s<0.72),流出系数C随着参数d2的减小而增大;当s较大时(s=0.99),流出系数C的大小不受参数d2的影响,其大小接近相同β值的标准孔板;对于具有相同孔分布形式且β值相同的多孔孔板,流出系数C随着厚度?的增加而增大。
4.3流出系数C的线性度受参数d,的影响:当D1在较小范围内变化时(0.0450D≤d1≤0.0750D),流出系数的线性度较好(0.5%),并且几乎不变;当d,在较大范围内时(d1≥0.1D),流出系数C的线性度变差,在0.9%以上。

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