摘要:多孔孔板差壓式流量計因其快速平衡調整流場和有效降低壓力損失等能力得到廣泛應用,但其尚缺乏完整的結構參數設計和性能優化設計準則。針對提出的對稱多孔孔板差壓式流量計進行實流試驗,研究其計量性能并與數值模擬結果進行對比分析,結果表明,對稱多孔孔板差壓式流量計可有效提高計量精度(+0.5%)、降低壓力損失,具有更好的適應性,試驗結果與數值模擬結果具有一致性,驗證了數值模擬的正確性并對新型流量計進行了標定，研究結果可有效拓寬多孔孔板流量計的應用范圍。
0引言
流量計量是工業生產的眼睛,廣泛應用于科學研究、工農業生產、國防建設以及人民生活等領域，諸多流量計中,傳統差壓式流量計因其結構簡單、成本低、實驗數據豐富、標準化程度高等優點,應用最為廣泛。但在實際應用中很多工況條件無法滿足測量要求(如低于標準中推薦的雷諾數范圍、測量介質中混有泥沙等),進而限制了其應用范圍。
在這些情況下,非標準差壓式流量計得到快速發展和進一步的應用，目前最具代表性的非標準差壓式流量計主要有錐形流量計和多孔孔板流量計多孔孔板流量計不但繼承了標準孔板流量計的優點，而且能夠快速平衡調整流場，明顯減少渦流、降低死區效應、減少流體動能損失,在國際上引起廣泛關注，自2006年被引進我國市場以來,得到廣泛應用。但因涉及商業機密,多孔孔板流量計的結構參數與流出系數等計算公式未曾公開。為了掌握該流量計的核心技術,國內科研技術人員對其進行了大量研究，主要集中于孔板結構參數優化及計量性能等方面.[448。目前,實際應用中要根據不同測量條件來設計流量計，缺乏完整的結構參數設計和性能優化設計準則指導。
對多孔孔板流量計進行了大量的研究工作,結合多孔整流器和標準孔板聯合使用的測量原理,提出了一種對稱多孔孔板差壓式流量計的設計方法(即在中心節流孔周圍均勻環形分布若干孔),采用CFD數值模擬預測了其內部流場,并研究了孔數量對多孔孔板流量計流場特性的影響規律[920但數值模擬只能為研究提供方向性的指導，并不能很好的指導實際生產。本文基于數值模擬結果搭建對稱多孔孔板差壓式流量計實流標校試驗平臺,對其計量性能進行試驗研究，檢驗了CFD設計成果的有效性,并對新型流量計進行了標定。
1多孔孔板流量計
課題組提出并設計的多孔孔板流量計結合了多孔整流器和標準孔板的測量原理,基本結構為在節流板中心一個圓孔的基礎上,對稱分布數量不等的圓孔,如圖1所示,均勻分布的圓孔的總面積和標準孔板的開孔面積相等。流量計整體結構如圖2所示。
多孔孔板流量計的測量原理是以能量守恒定律和質量守恒定律為基礎的,即在流量檢測時,所測介質流過圓孔的同時進行流體整流，減小節流裝置后形成的渦流,形成較穩定的紊流(近似理想流體),從而獲得穩定的差壓信號,根據伯努利方程計算出流體的流量:
式中:Q為介質流量;K為儀表系數;Y為膨脹系數;△p為差壓值(Pa);ρ為介質工況密度。
2數值模擬
針對設計的對稱多孔孔板差壓式流量計,分別對開孔數量為1.4、5.7(孔的分布位置如圖3所示,參數如表1所示)的流量計采用CFD數值模擬技術分析了其內部流場情況,如圖4所示，研究了孔數量對多孔孔板流量計流場特性的影響規律,得出對稱多孔孔板差壓式流量計具有可降低節流件前后渦流、快速平衡內部流場(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、適應性更好的優點，隨著孔數量的增加壓力損失逐漸降低、流出系數提高的結論。
3試驗標校平臺的組成
為了驗證數值模擬的正確性,搭建對稱多孔孔板差壓式流量計試驗標校平臺,由對稱多孔孔板差壓式流量計、截止閥、差壓變送器、流量調節閥、電磁流量計、水泵和水槽及管路系統組成,如圖5所示,其中對稱多孔孔板差壓式流量計和電磁流量計與試驗管道均通過法蘭連接。試驗過程中,流量計工裝示意圖如圖6所示。
工作原理如下:通過試驗管路變頻調速水泵及上游側流量調節閥開度的適當調節,獲得流速0~7m/s連續可調的流體介質,并采用高精度電磁流量計(作為標準器具,精度+0.2%R)測量實際流量(流速),利用高準.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。
為了與數值模擬結果進行比較,相應設置保持一致性:介質采用水(環境溫度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)，管路規格DN80(節流元件上下側直管段長度約為5m,充分保證了多孔平衡流量計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節流件上下游端面均為25.4+0.5mm)。其他參數為介質水密度ρ=998.403kg/m3、動力粘度1.0mPa.s、流東膨脹系數e=1。實流試驗現場如圖7所示，試驗用對稱多孔孔板差壓式流量計如圖8所示。
4試驗結果分析
按要求搭建試驗標校平臺,進行實流試驗,獲得流量計試驗的差壓與壓力損失值,如表2所示，并與數值模擬結果進行對比,為了更為直觀和分析的方便,將不同開口數量流量計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的壓力損失比標準孔板流量計的要小一些，并且隨著孔數的增加壓力損失呈現逐漸減小的趨勢。
流出系數是評價節流式儀表性能的最重要參數之
為實際流量與理論流量的比值,是統計量,受設計、制造、安裝及使用條件的影響。根據不可壓縮流體的連續性方程和伯努利方程,定常流體的體積流量為:
注:每點標準表數值Q、差壓值△P、壓損值δ記錄3次,為了節省篇幅,取其平均值進行表格相應欄的填寫
式中:C為流出系數,無量綱;β為等效直徑比，無量綱(β2=A0/A,其中A0為孔板節流孔開孔面積,A為管道截面面積);d為孔板節流孔等效直徑;△p為壓差;q,為體積流量;ρ為流體介質密度。
依據式(2)，確定流出系數C的數值:
結合實驗數據和式(3)得不同開口數量流量計的流出系數,如表3所示,為了與數值模擬結果進行直觀對比，將不同開口數量流量計的流出系數繪制成曲線,如圖10所示。
由圖10可以看出,對稱多孔孔板差壓式流量計的流出系數比標準孔板流量計的要大一些(對于標準孔板,其試驗范圍內流出系數平均值為0.6140,對于多孔孔板流量計其試驗范圍內流出系數平均值為4孔孔板0.6221、
5孔孔板0.6268.7孔孔板0.6346),隨著孔數增加流出系數呈現逐漸增大的趨勢。
結合圖9和10,試驗結果和數值模擬計算的結果相比,壓力損失與流出系數的變化趨勢完全一致,但在數值上存在一定偏差,誤差在8%。
流出系數的系統誤差e為:
式中:C0為理論流出系數，計算方法依據國際標準IS05167--2003的規定;Ci為實際流出系數的平均值。
若忽略管道制造和安裝誤差以及溫度、流體密度的影響,依據式(3)可以得到:
對于電磁流量計(標準表)精度為0.2級,EJA110E高精度壓差傳感器(變送器)的精度為+0.065%,經計算,流出系數的不確定度為4孔+0.467%、5孔士.0.439%.7孔+0.446%,即流出系數的誤差均不超過士0.5%,由此并基于流出系數定義可見流量計的計量精度為0.5%。
5結論
本文對多孔孔板差壓式流量計進行了實流試驗,分析了標準孔板與對稱多孔孔板流量計的計量性能并與數值模擬結果進行對比,結論如下。
1)實流試驗結果與CFD數值模擬結果在趨勢上體現出完全的一致性,但在數值上存在一定的偏差,因此CFD計算結果并不能完全代替試驗研究的成果。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的實流標定,結果顯示流出系數C相對于標準孔板流量計有較大的提高,量程范圍大大拓寬,是一種可以應用于實際測量的新型流量計產品。具體性能指標如下: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具有壓力損失小、流出系數高、適應性好等特點，完全可以直接應用于工程中目前該流量計已經在市場得到應用,一定程度上拓寬了其應用范圍
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