1、引 言：
  傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富、實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，但是只有在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)條件下，才能準(zhǔn)確地測量流量。在工程實(shí)際應(yīng)用中，很多工況條件無法滿足測量要求，例如雷諾數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)中的雷諾數(shù)范圍、測量介質(zhì)復(fù)雜等。在這些情況下，非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)就顯示出它的優(yōu)越性，目前具有代表性非標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)主要是錐形流量計(jì)和多孔孔板流量計(jì)。錐形流量計(jì)具有自清潔、自整流、量程范圍寬、精度高、壓損低、前后直管段短等有優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，并且國際標(biāo)準(zhǔn)化組織( ISO) 正在制定代號為 ISO 5167-5 的錐形流量計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)。2004年，美國馬歇爾航空飛行中心發(fā)明了多孔孔板流量計(jì)，該流量計(jì)不但具有錐形流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單、安全性高，在國際上引起關(guān)注，在中國廣泛應(yīng)用。

2、尾流流場對流量計(jì)性能影響：
2． 1、流量測量原理：
  多孔孔板流量計(jì)的簡化結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，即在封閉的管道內(nèi)同軸安裝多孔孔板，來流方向如圖中箭頭所示，采用法蘭方式取壓。

圖 1 多孔孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意
  如同其他類型的差壓式流量計(jì)，多孔孔板流量計(jì)的工作原理同樣基于能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，即遵守以下事實(shí)規(guī)律: 流體流經(jīng)節(jié)流件時將被加速，流體動能增加，在流體被加速處，其靜壓力會降低一個相對應(yīng)的值，不可壓縮流體的體積流量計(jì)算公式為:

不可壓縮流體的體積流量計(jì)算公式

2． 2、計(jì)量性能與尾流流場的關(guān)系：

4、節(jié)流孔倒角對多孔孔板尾流流場的影響：

圖 3 帶倒角多孔孔板結(jié)構(gòu)示意

圖 4 多孔孔板尾流流場示意

4． 2、無倒角的多孔孔板流量計(jì)的回流區(qū)特征：
  圖 5 為前倒角 λ 與后倒角 α 均為 0°的多孔孔板在入口雷諾數(shù) 3． 5 × 104≤Ｒe≤5． 3 × 105的范圍內(nèi)的尾流流場的流線圖，無倒角多孔孔板流場中的回流區(qū)特征如表 1 所示。

圖 5 無前節(jié)流孔倒角多孔孔板尾流流場流線

  從表 1 中可以看出壁面回流區(qū)中漩渦結(jié)構(gòu)、渦心位置均與管道入口雷諾數(shù) Ｒe 相關(guān)。該多孔板的實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果為: 3． 5 × 104≤Ｒe≤5． 3 × 105，線性度 δl= 1 ． 8 % ; 5 ． 8 × 104≤ Ｒe≤5． 3 × 105，線性度 δl= 0 ． 72 % 。 由 此可以得出，壁面回流區(qū)中漩渦隨管道入口雷諾數(shù)的增加而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的入口雷諾數(shù)下限為 Ｒemin。當(dāng) Ｒe ＜ Ｒemin，壁面回流區(qū)中渦心位置不固定，甚至有多個回流渦存在，漩渦之間的相互運(yùn)動、破裂及合并等過程較為復(fù)雜，對壁面回流區(qū)的流場擾動較大，從而使該區(qū)域的靜壓波動強(qiáng)烈，計(jì)量性能降低; 當(dāng) Ｒe≥Ｒemin，壁面回流區(qū)中漩渦為再附著渦并且渦心位置與 Ｒe 無關(guān)，多孔孔板流量計(jì)的計(jì)量精度提高。

表 1 節(jié)流孔無倒角多孔孔板回流區(qū)特征

4． 3、節(jié)流孔前倒角對多孔孔板流量計(jì)回流區(qū)的影響：
  圖 6 為節(jié)流孔后倒角 α = 0°，節(jié)流孔前倒角 λ取 30°、45°、60°的多孔孔板在相應(yīng)入口雷諾數(shù)條件下的尾流場的流線圖，回流區(qū)的主要特征如表 2所示。

表 2 具有節(jié)流孔前倒角的多孔孔板回流區(qū)特征

  從表2 中可以得到規(guī)律: 節(jié)流孔前倒角30° ≤ λ≤ 60°時，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的入口雷諾數(shù)下限 Ｒemin隨著 λ 的增大而降低，λ 為 60°和 0°的多孔孔板具有相同的 Ｒemin; λ 在 30° ～ 60°范圍內(nèi)變化時對壁面回流區(qū)長度無明顯影響，回流區(qū)長度為 0． 9D，但相對于無倒角的多孔孔板，回流區(qū)長度明顯縮短。因此，在入口雷諾數(shù) 5． 8 ×104≤ Ｒe ≤ 5． 3 × 105范圍內(nèi)，30°≤λ ＜60°的多孔孔板流量計(jì)量精度較差，λ≥60°與λ = 0°的多孔孔板計(jì)量精度接近，壓力損失減小。從上述規(guī)律得出: 前倒角 λ 是降低壓力損失的關(guān)鍵因素，但不能提高計(jì)量精度。

4． 4、節(jié)流孔后倒角對多孔孔板流量計(jì)回流區(qū)影響：

  圖 7 為節(jié)流孔前倒角為 60°，后倒角分別為30°、45° 和 60° 的多孔孔板在 Ｒemin( 流場進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的雷諾數(shù)下限) 條件下的尾流流場流線圖。從圖中可以看出: 回流區(qū)長度相等，均為 0． 9D; 后倒角對 Ｒemin有明顯的影響，影響程度與后倒角 α的角度相關(guān)，多孔孔板 60°-30°的 Ｒemin為 5 × 104，多孔孔板 60°-45°和 60°-60°的 Ｒemin均為 3． 5 × 104。由此可知，節(jié)流孔后倒角對多孔孔板尾流流場進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的 Ｒemin影響明顯，當(dāng) 45° ≤ α ≤ 60°時，Ｒemin顯著降低，從而拓展量程范圍; 壁面回流區(qū)長度與后孔倒角變化不相關(guān)，因此節(jié)流孔后倒角對壓力損失無影響。

圖 7 λ = 60°，α≠0 的多孔孔板尾流流場流線Fig． 7 Streamline of multi-orifice wake flowfield ( λ = 60°，α≠0)

  從上述數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在管道入口雷諾數(shù) 3． 5 × 104≤ Ｒe ≤ 5． 3 × 105的范圍內(nèi)，節(jié)流孔前倒角 λ = 60°、后倒角 α = 60°或 45°的多孔孔板上下側(cè)壁面回流區(qū)中的漩渦為渦心位置固定的再附著渦，并且回流區(qū)長度明顯縮短。因此，λ = 60°、45° ≤ α ≤ 60°的多孔孔板流量計(jì)在較寬的量程范圍內(nèi)具有較高的計(jì)量精度和較小壓力損失。

5、實(shí)流實(shí)驗(yàn)：
  為了驗(yàn)證數(shù)值模擬所得到的結(jié)論，本研究在如圖 8 所示實(shí)驗(yàn)裝置上對節(jié)流比為 0． 55、0． 67、0． 75管徑為 100 mm 的多孔孔板進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)。該裝置采用水塔穩(wěn)壓，流量穩(wěn)定性為 0． 1% ，流量范圍為 5 L/h ～ 800 m3/ h，不確定度為 0． 05% 。本文采用稱重法對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的流出系數(shù)及壓力損失進(jìn)行測量。差壓變送器 1 用來測量多孔孔板上游 1D 與下游 6D 之間的壓差，即壓力損失，差壓變送器 2 用來測量介質(zhì)經(jīng)過多孔孔板后產(chǎn)生的靜壓差 Δp，取壓方式為法蘭取壓。

圖 8 實(shí)驗(yàn)裝置

  表 3 為 β =0． 67 的多孔孔板流量計(jì)實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表中 δl1和 δl2分別為15∶ 1 和10∶ 1 量程范圍內(nèi)的流出系數(shù)線性度。從表中可以看出，當(dāng)節(jié)流孔前倒角 λ 為30°和45°時，計(jì)量精度較差，流出系數(shù)線性度誤差 δl1≥3% ，δl2≥2． 8% ，節(jié)流孔后倒角 α 值的改變對計(jì)量精度無影響。當(dāng) λ 為0°和60°時，α 為0°和30°的多孔孔板流出系數(shù)線性度誤差 δl1≥1． 5% ，δl2≤0． 8% ; α 為 60°和 45°的多孔孔板流出系數(shù)線性度誤差 δl1≤0． 8% ，δl2≤0． 5% 。從上述分析可知，當(dāng)30° ≤ λ ≤ 45°時，計(jì)量精度較差，量程范圍較窄; 當(dāng)λ 為 0°和 60°、α≤30°時，在 10∶ 1 量程范圍內(nèi)，計(jì)量精度較高; 當(dāng) λ 為 0°和 60°、45°≤α≤60°時，在15∶ 1量程范圍內(nèi)，計(jì)量精度較高。

表 3 β =0． 67 多孔孔板實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  表 4 和表 5 分別為 β = 0． 55 和 β = 0． 75 的多孔孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出與β = 0． 67 的多孔孔板相同的結(jié)論，進(jìn)一步驗(yàn)證了 λ為0° 和60°、45° ≤ α ≤60° 的多孔孔板具有較寬的量程范圍和計(jì)量精度。

表 4 β = 0． 55 多孔孔板實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表 5 β = 0． 75 多孔孔板實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  圖 9 不同多孔孔板流量計(jì)壓力損失隨管道入口雷諾數(shù)的變化曲線，從圖中可以看出，壓力損失 Δω 隨入口雷諾數(shù) Ｒe 的增大而增大，前倒角 λ 為 60°的多孔孔板流量計(jì)的壓力損失比 λ 為 0°的多孔孔板降低了 35% ，比相同節(jié)流比的標(biāo)準(zhǔn)孔板降低了 50% 以上，后倒角 α 對 Δω 無明顯影響。因此，λ 為 60°、45°≤ α ≤60°的多孔孔板在較大的量程范圍內(nèi)具有較高的計(jì)量精度并且壓力損失較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)論一致。

圖 9 不同樣機(jī)壓力損失隨雷諾數(shù)Ｒe 的變化曲線

6、結(jié) 論：

  從理論分析可知，多孔孔板流量計(jì)尾流流場中的漩渦直接影響多孔孔板流量計(jì)的計(jì)量性能。數(shù)值模擬得出多孔孔板節(jié)流孔前后倒角對計(jì)量性能的影響是不同的，具體的影響規(guī)律如下: 節(jié)流孔前倒角是影響壓力損失的關(guān)鍵因素，但無法提高計(jì)量精度; 節(jié)流孔后倒角對尾流流場具有調(diào)整作用，是提高計(jì)量精度，拓寬量程范圍的關(guān)鍵因素。從實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，λ 為 60°、45°≤α≤60°的多孔孔板在 15∶ 1 的量程范圍內(nèi)，流出系數(shù)線性度在 0． 8% 以 內(nèi)，永 久 壓 力 損 失 是 標(biāo) 準(zhǔn) 孔 板 的50% ，計(jì)量性能與美國 A + Flow Te K 多孔孔板流量計(jì)接近。