1、引 言：
  傳統(tǒng)差壓式流量計雖然具有結(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)差壓式流量計主要是錐形流量計和多孔孔板流量計。錐形流量計具有自清潔、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，該流量計不但具有錐形流量計的優(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、尾流流場對流量計性能影響：
2． 1、流量測量原理：
  多孔孔板流量計的簡化結(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 多孔孔板流量計結(jié)構(gòu)示意
  如同其他類型的差壓式流量計，多孔孔板流量計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算公式為:

不可壓縮流體的體積流量計算公式

2． 2、計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)，多孔孔板流量計的計量精度提高。

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°的多孔孔板流量計量精度較差，λ≥60°與λ = 0°的多孔孔板計量精度接近，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，但不能提高計量精度。

4． 4、節(jié)流孔后倒角對多孔孔板流量計回流區(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°的多孔孔板流量計在較寬的量程范圍內(nèi)具有較高的計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，多孔孔板流量計尾流流場中的漩渦直接影響多孔孔板流量計的計量性能。數(shù)值模擬得出多孔孔板節(jié)流孔前后倒角對計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% ，計量性能與美國 A + Flow Te K 多孔孔板流量計接近。