摘要:通(tong)過對适合(he)安裝于水(shui)平管道的(de)特殊結構(gou)的水平安(an)裝金屬管(guan)浮子流量(liang)計 三維湍(tuan)流流場的(de)數值仿真(zhen)及實驗研(yan)究提出一(yi)種🈚基于計(ji)算流📐體力(li)學的流量(liang)傳感器設(she)計方法。流(liu)場仿真所(suo)需的模型(xing)采用GAMBIT來建(jian)立,通過FUNT軟(ruan)件進行仿(pang)真,仿真過(guo)程中利⛷️用(yong)受力平衡(heng)控制計算(suan)精度。數值(zhi)仿真結果(guo)和實驗結(jie)果💃🏻比較當(dang)浮👄子受力(li)平⛷️衡度誤(wu)差爲9.5%時,流(liu)量誤👈差爲(wei)0.944%,證實了仿(pang)真結果的(de)✨準确性,同(tong)時利用流(liu)場仿真信(xin)息對流量(liang)傳感器模(mo)型做了進(jin)--步的優化(hua)。
1引言
　　金屬(shu)管式浮子(zi)流量計 是(shi)一種傳統(tong)的差壓式(shi)流量計,爲(wei)了适應部(bu)分管道的(de)特殊要🏃‍♂️求(qiu),本文設計(ji)研究的浮(fu)子流量計(ji)是左進右(you)出🔆型的,其(qi)測量原理(li)與經典的(de)豎直型浮(fu)子流量計(ji)相同,但它(ta)是一種可(ke)👈以安裝于(yu)水平管道(dao)的特殊結(jie)構的浮子(zi)流量計。
　　一(yi)般對浮子(zi)流量計 的(de)經典研究(jiu)是根據伯(bo)努利方程(cheng)進行的,在(zai)推導浮✍️子(zi)💛流量計流(liu)量測量公(gong)式時忽略(lue)了粘性應(ying)力項,而😍該(gai)項的作用(yong)實際上是(shi)存在的;傳(chuan)統流量計(ji)的設計要(yao)通過實驗(yan)來🆚檢驗和(he)修正設計(ji)圖.紙🍉,這樣(yang)不僅延🌍長(zhang)了設計🏃🏻‍♂️周(zhou)期而且增(zeng)加了設計(ji)成本。基于(yu).上述兩點(dian)原因,在設(she)計水平式(shi)安裝浮子(zi)流量🈚計時(shi)爲了深入(ru)了解浮子(zi)🤟流量傳感(gan)器的工作(zuo)機理,引入(ru)了計算流(liu)體力學👅,即(ji)CFD2]技術,對傳(chuan)感器流場(chang)進行數值(zhi)模拟,通過(guo)對仿真及(ji)實驗結🛀🏻果(guo)進行分析(xi)來評價初(chu)樣設計,優(you)化流量傳(chuan)感器的結(jie)☁️構參數,使(shi)流量傳感(gan)器㊙️的設計(ji)更加精确(que),并提高了(le)設計效率(lü)。
2水平安裝(zhuang)金屬管浮(fu)子流量計(ji) 的原理
2.1檢(jian)測原理(圖(tu)1)

　　水平安裝(zhuang)金屬管浮(fu)子流量計(ji)的檢測原(yuan)理與傳[1]統(tong)的金💃🏻屬管(guan)浮子流量(liang)計相同,其(qi)體積流量(liang)公式爲

　　式(shi)中:Qv-體積流(liu)量;α-流量系(xi)數;h--浮子位(wei)置;φ-錐形管(guan)錐半角;Vf-浮(fu)子體積;Qf-浮(fu)子材料密(mi)度;Q一流體(ti)密度;Af-浮子(zi)垂直于♋流(liu)向👅的最大(da)截面積🌈;D。一(yi)浮子最大(da)迎流面的(de)直徑;Dh-浮子(zi)平衡在h高(gao)度時錐形(xing)管的直徑(jing);df-浮子🙇🏻最大(da)直徑。
2.2模型(xing)建立及其(qi)設計要求(qiu)
　　浮子流量(liang)計傳統的(de)設計方法(fa)是建立在(zai)式(1)的基礎(chu)之.上,在該(gai)方程中流(liu)量系數α是(shi)一個受很(hen)多因素影(ying)響的變量(liang)。對于本文(wen)所研究的(de)水平式安(an)裝浮子流(liu)☁️量計,測量(liang)介質爲20℃的(de)水🐕,設計要(yao)求流量👅測(ce)量範圍1~10m3/h,量(liang)程比爲10:1,行(hang)程50mm,其流量(liang)系數x的經(jing)驗值爲0.9~10。浮(fu)子位于41mm高(gao)處的傳感(gan)器三維流(liu)場模型如(ru)圖2所示🏒。
2．3計(ji)算精度的(de)控制
　　利用(yong)浮子組件(jian)受力平衡(heng)來控制計(ji)算精度。在(zai)FLUNT的受力👉分(fen)析報告中(zhong)會提供指(zhi)定壁面所(suo)受到的淨(jing)壓力Fy↑和粘(zhan)👅性摩擦力(li)Fm↑以及這兩(liang)個力的合(he)力Fr↑。這三個(ge)力遵循下(xia)面🔴的公式(shi):

這裏設定(ding)當浮子受(shou)力平衡度(du)|Ef|<10%時，認爲浮(fu)子受力達(da)🔞到平衡,此(ci)時🌈停止計(ji)算。
3數值仿(pang)真
3.1網格劃(hua)分及邊界(jie)設定
　　針對(dui)傳感器的(de)流場模型(xing),選擇三角(jiao)形四面體(ti)網格📧來進(jin)行網格劃(hua)分。如圖3所(suo)示爲水平(ping)式浮子流(liu)量計浮子(zi)位于41mm高時(shi)的軸向網(wang)格剖分圖(tu)。
　　在進行邊(bian)界的設定(ding)過程中設(she)定速度入(ru)口、壓力出(chu)口,并将導(dao)杆壁面設(she)定爲floatwalll,浮子(zi)壁面設定(ding)爲floatwall2,除浮子(zi)組件和導(dao)向環外的(de)空間設定(ding)爲fluid。
3.2FLUNT計算條(tiao)件
模型建(jian)好以後輸(shu)出.msh文件,利(li)用FLUNT進行仿(pang)真,FLUNT中相應(ying)計算條件(jian)如表1所示(shi)。
　　其中流體(ti)介質的屬(shu)性:密度998.2kg/m2,粘(zhan)度0.001003kg/ms,定壓比(bi)熱4182J/kg.K,熱導率(lü)🈲0.6W/m.k.速度👅入✔️口(kou)采👅用的是(shi)平均速度(du),針對浮子(zi)位于41mm高的(de)模型計算(suan)達到平衡(heng)時的入口(kou)條件,如表(biao)2所示。

3.3仿(pang)真過程
　　水(shui)平式浮子(zi)流量計三(san)維流場的(de)仿真過程(cheng)如圖4所示(shi)。該🏃‍♀️過程需(xu)要解釋的(de)幾點如下(xia)所示:
(1)因每(mei)個模型入(ru)口流速的(de)準确值未(wei)知,是根據(ju)經典🍓流量(liang)公式🌏計算(suan)的一一個(ge)假設的流(liu)量,因此仿(pang)真最終結(jie)🧡束的判斷(duan)💛依據爲浮(fu)子受力平(ping)衡的程度(du),即通🔱過檢(jian)查仿真結(jie)果,對浮子(zi)進行受力(li)分析,距離(li)受力平衡(heng)點誤差小(xiao)于10%時⁉️,認爲(wei)達到計算(suan)精度🔞,仿真(zhen)計算結束(shu)。當誤差大(da)于10%,首先考(kao)🐕慮改進該(gai)模型的網(wang)格精度,如(ru)圖4中的左(zuo)側方案1;當(dang)網格精度(du)改進到一(yi)定程度後(hou)誤差👨‍❤️‍👨仍大(da)于10%,可修正(zheng)入口條件(jian).(主要指入(ru)口流速,其(qi)餘條件可(ke)相應🔴計算(suan)調整),如圖(tu)4中🌈的右側(ce)方案🌈2,直到(dao)滿足計算(suan)精度。
(2)利用(yong)SMPLE算法計算(suan)時,每次計(ji)算叠代次(ci)數爲500次,當(dang)不足500次SMPLE算(suan)法🌈就已經(jing)達到收斂(lian)精度(10“)時,程(cheng)序自動結(jie)束,此時可(ke)檢查計算(suan)🌈結果;當叠(die)代次數大(da)于500次仍未(wei)收斂時,停(ting)止計算,此(ci)時需重新(xin)檢查網格(ge)狀㊙️況和邊(bian)界設定,進(jin)行網🌍格的(de)合理🐅剖分(fen)和邊界的(de)合理設定(ding)。實踐證明(ming),網格布置(zhi)的恰當與(yu)否會直接(jie)影響收斂(lian)速度和收(shou)斂結果,不(bu)合理的網(wang)格布置将(jiang)導緻計算(suan)🔞發散或者(zhe)結果不正(zheng)确。

(3)叠代前(qian)首先打開(kai)監視器,監(jian)視X.Y、Z三個方(fang)向的流速(su)以及k方程(cheng)和c方🐪程的(de)收斂狀況(kuang),實踐證明(ming),即使未達(da)到預計的(de)叠代次數(shu),若在監視(shi)器中已出(chu)現明顯的(de)發散現象(xiang)☂️,可強行中(zhong)止本次計(ji)算。
4仿真結(jie)果及實驗(yan)結果分析(xi)
4.1壓力場分(fen)析(圖5.圖6)
　　比(bi)較壓力的(de)絕對值可(ke)以看到:浮(fu)子底部左(zuo)右壓力不(bu)對🈲稱,這🤞種(zhong)不對稱現(xian)象的存在(zai)使得流量(liang)比較大時(shi)浮子會出(chu)現抖動。
4.2速(su)度場分析(xi)(圖7.圖8)
據圖(tu)分析如下(xia):
(1)據顔色分(fen)辨出環隙(xi)流通面積(ji)最小處及(ji)下遊靠近(jin)❌錐管壁的(de)流場速度(du)最大,前者(zhe)是流通面(mian)積減小導(dao)緻速度增(zeng)大,後者則(ze)💃是因爲流(liu)場方向的(de)改變而引(yin)💯起的,特别(bie)是此💛處可(ke)能⛷️産生旋(xuan)渦,導緻有(you)效流通面(mian)積減小,流(liu)體被擠向(xiang)管壁,使得(de)💋此處速度(du)增大。
(2)流場(chang)下遊,外直(zhi)管左下角(jiao)速度較小(xiao),主要是.因(yin)爲流場👨‍❤️‍👨的(de)出口在右(you)邊,由于出(chu)口壓力小(xiao),流體流動(dong)都趨🧑🏾‍🤝‍🧑🏼向出(chu)口。
(3)浮子的(de)最小截面(mian)處,流場速(su)度存在較(jiao)大的變化(hua)。

4.3浮子受力(li)定量分析(xi)
　　從FLUNT的受力(li)報告中可(ke)以得到如(ru)表3所示數(shu)據,根據設(she)計初樣給(gei)出的浮子(zi)材料及尺(chi)寸結構,可(ke)得浮子重(zhong)力爲5.995146N。根據(ju)仿真結果(guo),浮子在Z方(fang)向上的合(he)力爲5.4253127N。根據(ju)受力平❄️衡(heng)度誤差分(fen)析公式可(ke)得，1E,|=9.5%，小于設(she)定值10%,認爲(wei)浮子受力(li)達到平衡(heng)。

4.4物理實驗(yan)及結果分(fen)析
　　爲了進(jin)一步驗證(zheng)傳感器流(liu)場仿真結(jie)果,需要進(jin)行物理實(shi)驗。按照設(she)計圖紙加(jia)工設計模(mo)型,加工完(wan)後,配上流(liu)量顯示儀(yi)表,在标準(zhun)裝置上進(jin)行标定。标(biao)定方法利(li)用标準表(biao)法,标準表(biao)選擇渦輪(lun)👅流量計(精(jing)度🆚0.5級)。結合(he)仿❌真流量(liang)數據、物理(li)實驗數據(ju)與根據浮(fu)子💔流量經(jing)典測量公(gong)式得到的(de)設計流量(liang)數據進行(hang)比㊙️較可以(yi)得到表4。

5大(da)流量下流(liu)量傳感器(qi)結構的優(you)化及改進(jin)結構後的(de)仿✊真
　　由上(shang)述對壓力(li)場的分析(xi)可知浮子(zi)組件受力(li)不平👨‍❤️‍👨衡,物(wu)理🌏實驗也(ye)表明在大(da)流量下會(hui)出現流量(liang)計振🐅動的(de)現象,這是(shi)由于㊙️傳感(gan)器流場出(chu)現了變化(hua)。從流場的(de)速度分布(bu)圖可以📱看(kan)出,浮子組(zu)件的右邊(bian)速度特别(bie)大,其📞原因(yin)有前流場(chang)引起的,也(ye)有後流場(chang)的因素,由(you)于傳感器(qi)的出口在(zai)右邊,所以(yi)流體有向(xiang)右邊☀️流的(de)趨勢。另🐅外(wai)🈲,由于浮子(zi)組件🏃‍♀️前直(zhi)管段有個(ge)🈲直角彎,容(rong)易産生二(er)次流,對浮(fu)子組件的(de)受力也有(you)很大的👣影(ying)響。所以,要(yao)減弱振動(dong),解決的根(gen)本☂️方法就(jiu)是改變傳(chuan)感器結構(gou)參數、優化(hua)流場、使浮(fu)子左右受(shou)力差✊盡量(liang)減小。
根據(ju)上述分析(xi)下面對水(shui)平式流量(liang)傳感器的(de)結構提出(chu)幾點優化(hua)方案:
(1)加入(ru)整流器,以(yi)消除或減(jian)小旋渦的(de)産生,同時(shi)調整🏃🏻‍♂️流速(su)的分☁️布🧡狀(zhuang)況。
(2)将前流(liu)場的直管(guan)連接改爲(wei)彎管連接(jie),減少旋渦(wo)的産生🔴,順(shun)滑流體的(de)流動,使傳(chuan)感器有比(bi)較平穩的(de)前流場。
(3)延(yan)長前直管(guan)段。這裏提(ti)及的直管(guan)段指錐管(guan)前的垂直(zhi)直管段🙇‍♀️,這(zhe)也是爲了(le)使流體在(zai)通過整流(liu)器後有比(bi)較長的緩(huan)和段,使流(liu)場接近充(chong)分發展的(de)流速分布(bu)。
改進結構(gou)後的仿真(zhen)結果如圖(tu)9、10所示,據圖(tu)分析如下(xia):
（1）改進結構(gou)後流場的(de)壓力分布(bu)得到改善(shan),浮.子組件(jian)受力接近(jin)💋平衡,但是(shi),由于整流(liu)器的引入(ru),導緻了整(zheng)流器前後(hou)壓差🈲增大(da),帶來比較(jiao)大的壓損(sun)。

(2)改進結構(gou)後流場的(de)速度分布(bu)比較均勻(yun),特别是使(shi)🏃‍♂️浮子⭐組件(jian)周圍沒有(you)太大的速(su)度差,同樣(yang)由于整流(liu)💃器的💘使用(yong),也使💃🏻浮子(zi)組件的前(qian)流場更加(jia)複雜。通過(guo)🥰物理實驗(yan)也證實了(le)這幾種優(you)👅化方案可(ke)以有效的(de)減少浮子(zi)左右受力(li)✉️差,穩定浮(fu)子。
6結論
　　由(you)上述數據(ju)分析可知(zhi),對于浮子(zi)在41mm高處，時(shi)的三維湍(tuan)流🔴流📱場進(jin)行仿真可(ke)得到設計(ji)要求的流(liu)量上限值(zhi)。此位置處(chu)浮子受♻️力(li)平衡度誤(wu)差爲9.5%，傳感(gan)器物理實(shi)驗獲得的(de)示值刻度(du)流量與通(tong)過湍流數(shu)值模拟進(jin)行流場仿(pang)真實驗獲(huo)得的仿真(zhen)流量值較(jiao)爲接近,仿(pang)真流量誤(wu)差爲0.944%。本文(wen)利用浮子(zi)受力㊙️平衡(heng)度誤差法(fa)确定仿真(zhen)計算精度(du)獲得了👈較(jiao)爲理想的(de)效果,即仿(pang)真過程無(wu)需過分強(qiang)調😘浮子受(shou)力平衡度(du)誤差的☔減(jian)小,仿真流(liu)量誤差即(ji)可得到令(ling)人滿意的(de)結果。
　　理論(lun)分析和實(shi)驗研究表(biao)明,這種設(she)計方法不(bu)僅可以進(jin)一步⛹🏻‍♀️地✨理(li)解流體流(liu)動的機理(li)和浮子流(liu)量計☁️的測(ce)量原理,而(er)且使流量(liang)傳感器的(de)設計進--步(bu)得到優化(hua),使流量測(ce)㊙️量的靈敏(min)度和精确(que)度得到明(ming)顯的提高(gao)。此外,對流(liu)場的數值(zhi)仿真與實(shi)驗研究也(ye)是分🤟析、解(jie)決流量計(ji)其它問題(ti)的一-種有(you)效方法。目(mu)前基于這(zhe)種方法設(she)計的水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)🌈計已經投(tou)入市場，現(xian)場，反饋這(zhe)種流量計(ji)性能穩定(ding)，精度可靠(kao)。

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