摘要:利(li)用基于計(ji)算流體力(li)學的流量(liang)傳感器設(she)計🚶方法實(shi)現📐了對适(shi)合安裝于(yu)水平管道(dao)的特殊結(jie)構的
金屬(shu)管浮子流(liu)量計
三維(wei)湍流流場(chang)的數值仿(pang)真研究.流(liu)場仿真所(suo)需的模😍型(xing)采用CAMBIT軟件(jian)建立,通過(guo)FLUNT軟件進行(hang)仿真，仿真(zhen)過程中利(li)用受力平(ping)衡來控制(zhi)計算精度(du).數值仿真(zhen)結果和物(wu)理實驗結(jie)果比較,浮(fu)子受🎯力平(ping)衡🌂誤差絕(jue)對值爲2.01%時(shi)，,流量誤差(cha)絕對🌈值爲(wei)0.70%,證實了仿(pang)真結果的(de)正确💃🏻率.同(tong)時,利用流(liu)場仿真信(xin)息對流量(liang)傳感器結(jie)構做了進(jin)一步改⛷️進(jin),解決了水(shui)平式金屬(shu)管浮子流(liu)量計
在大(da)流量下的(de)浮子振動(dong)問題。
金屬(shu)管浮子流(liu)量計是一(yi)種傳統的(de)變截面流(liu)量計👅,具💘有(you)結構簡♈單(dan)、工作可靠(kao)、壓力損失(shi)小且穩定(ding)、可測低流(liu)速介質等(deng)諸多優點(dian),廣泛應用(yong)于測量高(gao)溫、高壓及(ji)腐🔞蝕性流(liu)體介質川(chuan),由其測量(liang)原理決定(ding),它一般需(xu)豎直🧡安裝(zhuang).但是,在某(mou)些特定的(de)工業應用(yong)中,需要使(shi)用水平🧑🏾🤝🧑🏼安(an)裝浮子流(liu)量計,其測(ce)量原理雖(sui)與經典的(de)豎直型㊙️浮(fu)子流量計(ji)相同,但它(ta)卻是一種(zhong)可以安裝(zhuang)于水🧑🏽🤝🧑🏻平管(guan)道的特殊(shu)結構的浮(fu)📱子流量計(ji).
一般對浮(fu)子流量計(ji)的經典研(yan)究"是根據(ju)伯努利方(fang)程進行👈的(de)❓.該方程要(yao)求流體運(yun)動是恒定(ding)流、流體是(shi)理想流體(ti)(理想☎️流體(ti)是指忽略(lue)了黏滞性(xing)的流體)且(qie)是不.可👉壓(ya)縮均☔質流(liu)體,但是浮(fu)子流量♻️計(ji)中流過的(de)流體并不(bu)嚴格滿足(zu)🏃🏻這3個條件(jian),而且傳統(tong)流量計的(de)設計要通(tong)過🙇♀️實驗來(lai)檢驗和修(xiu)正設計圖(tu)紙,這樣不(bu)💔僅延長了(le)設計周期(qi),還增加了(le)設計成本(ben).基于上述(shu)2點原因,在(zai)設計水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)計的時候(hou)引入了計(ji)算流體力(li)🌐學(computationalfluiddynamics,CFD)技術4),對(dui)浮子流量(liang)傳感器流(liu)場進行數(shu)值仿真，通(tong)過對仿真(zhen)及實驗數(shu)據進行比(bi)較來評價(jia)初樣設計(ji)，優化流量(liang)傳感器的(de)結構參數(shu),使流量傳(chuan)感器的設(she)計更加正(zheng)确,提高了(le)設計效率(lü).
1水平式金(jin)屬管浮子(zi)流量計的(de)原理
1.1檢測(ce)原理
水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)計的檢測(ce)原理(見圖(tu)1)與傳統的(de)金屬管浮(fu)子流量計(ji)相同,其體(ti)積流量：
式(shi)中:qv爲浮子(zi)流量計的(de)體積流量(liang);α爲流量系(xi)數;h爲浮子(zi)在錐管🌐中(zhong)的垂直位(wei)置;φ爲錐形(xing)管錐半角(jiao);Af爲浮子體(ti)積;ρf爲浮子(zi)材🔴料密度(du);ρ爲流體密(mi)度;A爲浮子(zi)垂直于流(liu)向的最大(da)截🔴面積;D0爲(wei)浮子最🐅大(da)迎流面的(de)直徑;Dh爲浮(fu)子平衡在(zai)h高度時錐(zhui)形管的直(zhi)徑;df爲浮子(zi)最大直⁉️徑(jing).
在式(1)中(zhong)，流量系數(shu)α是一個受(shou)很多因素(su)影響的變(bian)量，難以給(gei)出一個确(que)切的數值(zhi)，而且對于(yu)本文研究(jiu)設計的✌️水(shui)平式金⭐屬(shu)管浮子流(liu)量計,由于(yu)其結構的(de)特殊性,在(zai)錐管的上(shang)遊保證不(bu)了5倍管徑(jing)🏃♂️以上長度(du)的直管段(duan),造成流場(chang)畸變,因此(ci)利用式(1)計(ji)算流量将(jiang)會與實際(ji)的流⭕量值(zhi)存在一定(ding)的偏差,所(suo)以更有必(bi)要✔️利用數(shu)值仿🈚真💋的(de)方法來保(bao)證設計流(liu)量的準确(que)性.
1.2設計要(yao)求
所研究(jiu)的水平式(shi)金屬管浮(fu)子流量計(ji),測量介質(zhi)爲20℃的水，口(kou)徑爲DN50,設計(ji)要求流量(liang)測量範圍(wei)1~10m³/h,量程比爲(wei)10:1,浮子行程(cheng)50mm,其流量👣系(xi)數的經驗(yan)值爲0.9~1.0.水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)㊙️計剖面圖(tu)如圖♌2所示(shi)。
2數值仿真(zhen)
2.1模型建立(li)
爲了研究(jiu)該水平式(shi)金屬管浮(fu)子流量計(ji)達到上限(xian)流🌈量時的(de)性質,建立(li)浮子位于(yu)41mm高處的流(liu)量傳感器(qi)三維💰流場(chang)🤩模型,如圖(tu)3所示.
該模(mo)型利用CAMBIT軟(ruan)件建立.GAMBIT軟(ruan)件是面向(xiang)CFD的專業前(qian)處理器軟(ruan)件㊙️,它包🏃🏻含(han)全面的幾(ji)何建模能(neng)力.
2.2網格劃(hua)分及邊界(jie)設定
GAMBIT除了(le)強大的建(jian)模能力外(wai),也是功能(neng)強大，的網(wang)格劃分工(gong)🙇🏻具.針對傳(chuan)感器的流(liu)場模型,選(xuan)擇三角形(xing)-四面體網(wang)格來進行(hang)網格化分(fen).圖4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float.wall1,浮子(zi)壁面設定(ding)爲float.wall2,除浮子(zi)組件、錐管(guan)組件和導(dao)🏃🏻向環外的(de)空間設定(ding)爲fluid..
2.3仿真計(ji)算條件
本(ben)文采用FLUENT軟(ruan)件對流量(liang)傳感器内(nei)部流場進(jin)行仿真.針(zhen)對各種複(fu)雜流動的(de)物理現象(xiang),FLUENT軟件采用(yong)不同的離(li)散格式和(he)數☎️值方法(fa),以期在特(te)定的領域(yu)内使計算(suan)速度、穩定(ding)性和精度(du)等方面🧑🏾🤝🧑🏼達(da)到好的組(zu)合,從而高(gao)效率地💘解(jie)決各個領(ling)域的複雜(za)流動計算(suan)問題.
模型(xing)建好以後(hou)輸出.msh文件(jian),在FLUENT中讀入(ru)網格文件(jian).FLUENT中相應計(ji)算🌍條件如(ru)表1所示.
其(qi)中流體介(jie)質的屬性(xing)爲密度998.2kg/m³,動(dong)力黏度0.001003Pa·s,定(ding)壓比熱⭐4182J/kg·K,熱(re)導🔱率0.6W/m·K.水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)計内部流(liu)場是高雷(lei)諾數完🈲全(quan)發展湍流(liu)流動,所以(yi)采用湍流(liu)模式理論(lun)提供的标(biao)準K-ε模型來(lai)👈計算。
金屬(shu)管浮子流(liu)量計内表(biao)面的材料(liao)是不鏽鋼(gang),設定粗糙(cao)常🆚數C_K_s=1,粗糙(cao)高度K_s=0.04.速度(du)人口采用(yong)的是平均(jun)速度.出入(ru)口的湍流(liu)參數㊙️爲
2.4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)FLU-ENT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F,和黏(nian)性摩擦力(li)Fm以及這2個(ge)力的合力(li)Ff這3個力遵(zun)循公式
這(zhe)裏設定當(dang)浮子受力(li)平衡度|EfI<5%時(shi),認爲浮子(zi)受力達💃到(dao)平衡,此時(shi)停止計算(suan).
3仿真結果(guo)及實驗結(jie)果分析
通(tong)過改變流(liu)量系數來(lai)改變流量(liang)值,進而調(diao)整入口🌈及(ji)🈚出口條🙇♀️件(jian)來使浮子(zi)組件達到(dao)受力平衡(heng).經典的流(liu)量系數在(zai)0.9~1.0之間,選✨取(qu)包括邊界(jie)值在内的(de)5個流量系(xi)數來進行(hang)數🔞值仿真(zhen)🚩,得到5組仿(pang)真數據.在(zai)下面的‼️分(fen)析中給出(chu)第5組數據(ju),亦即當🏃🏻浮(fu)子受力達(da)到平衡時(shi)的壓力場(chang)和速度場(chang)分布情況(kuang)(見圖🐇5和圖(tu)6)..
3.1壓力場分(fen)析
圖5爲叠(die)代收斂後(hou)流量傳感(gan)器壓力場(chang)等勢圖和(he)壓力㊙️分🐇布(bu)圖,左邊光(guang)柱從上至(zhi)下表示壓(ya)強從大到(dao)小，據圖5分(fen)析🙇♀️如下:
(1)傳(chuan)感器流場(chang)上遊的壓(ya)強大于下(xia)遊的壓強(qiang);
(2)浮子最大(da)直徑處下(xia)遊壓強最(zui)小;
(3)浮子最(zui)大直徑處(chu),流場壓強(qiang)變化梯度(du)最大;
(4)最大(da)壓強在内(nei)直管垂直(zhi)段的底部(bu);
(5)浮子最大(da)直徑處上(shang)下兩部分(fen)形成很大(da)的壓差,這(zhe)是使浮子(zi)穩定在這(zhe)一高度的(de)主要作用(yong)力;
(6)浮子底(di)部左右壓(ya)力不對稱(cheng)，這種不對(dui)稱現象的(de)存在使得(de)流量💘比較(jiao)大時浮子(zi)會出現振(zhen)動.
3.2速度場(chang)分析
圖6爲(wei)叠代收斂(lian)後傳感器(qi)速度場等(deng)勢圖和矢(shi)量圖⛹🏻♀️.圖😘中(zhong)左💰邊光🏃♀️柱(zhu)從上至下(xia)表示速度(du)由大至小(xiao).由圖6.分析(xi)如下💞:
(1)據顔(ya)色分辨出(chu)環隙流通(tong)面積最小(xiao)處及下遊(you)靠近錐㊙️管(guan)壁的流場(chang)速度最大(da),前者是流(liu)通面積減(jian)小導緻速(su)度增大,後(hou)者則是因(yin)爲流場方(fang)向的改變(bian)引起的,特(te)别☂️是此處(chu)可能産生(sheng)漩渦⭐,導緻(zhi)有效流通(tong)面積減小(xiao),流體被擠(ji)向管⚽壁,使(shi)得此處速(su)度增大;
(2)流(liu)場下遊,外(wai)直管左下(xia)角速度較(jiao)小,主要是(shi)因爲流場(chang)的出口🔞在(zai)右邊，由于(yu)出口壓力(li)小，流體流(liu)動都趨向(xiang)出🛀口;.
(3)浮子(zi)的最小截(jie)面處,流場(chang)速度存在(zai)較大的變(bian)化.
3.3浮子組(zu)件受力定(ding)k分析
根據(ju)設計初樣(yang)給出的浮(fu)子材料及(ji)尺寸結構(gou),可得浮子(zi)✉️重力爲5.97N.從(cong)FLUENT的受力報(bao)告中可以(yi)得到表2所(suo)示數據.
3.4物(wu)理實驗及(ji)結果分析(xi)
爲了進一(yi)步驗證傳(chuan)感器流場(chang)仿真結果(guo),需要進行(hang).物理實🐅驗(yan).按照設計(ji)圖紙加工(gong)設計模型(xing),加工完後(hou),配上🔞流量(liang)顯示✊儀表(biao),在标準裝(zhuang)置上進行(hang)實驗.實驗(yan)利用标準(zhun)表法,标準(zhun)表選擇電(dian)🤟磁流量計(ji)(精度0.2級).結(jie)🌈合仿真流(liu)量數據、物(wu)理實驗數(shu)📞據進行比(bi)較可以得(de)‼️到表3.
4DN80水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)計流量傳(chuan)感器結構(gou)的優🌈化及(ji)仿真✍️
由上(shang)述對DN50水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)傳感器三(san)維湍流⚽流(liu)場壓力場(chang)的分析可(ke)知浮子組(zu)件受力不(bu)平衡，物理(li)實驗也表(biao)明在大流(liu)量下會出(chu)現浮子振(zhen)動的現象(xiang),這❄️是由于(yu)😘傳感器🈲流(liu)場發☔生了(le)畸變.在這(zhe)個口徑下(xia)浮子🤟振動(dong)不是很明(ming)顯,流量計(ji)可以正常(chang)工作.但是(shi)在大流量(liang)下,尤其是(shi)在DN80及其以(yi)上口徑的(de)流量計中(zhong)浮子的振(zhen)動現象已(yi)經是🙇🏻一個(ge)不可忽略(lue)的問題.
從(cong)流場的速(su)度分布圖(tu)6可以看出(chu),浮子組件(jian)的右邊速(su)度特别大(da),其原因有(you)前流場引(yin)起的，也有(you)後流場的(de)因素,由🈚于(yu)傳感器的(de)出口在右(you)邊,所以流(liu)體有向👉右(you)邊流的趨(qu)勢.另外，由(you)于浮子組(zu)件前🌈直管(guan)段有個✏️直(zhi)角彎,容易(yi)産生二次(ci)流,對浮子(zi)組件的受(shou)力也有很(hen)大的影響(xiang).所以,要減(jian)弱🐆振動,解(jie)決的💯根本(ben)方法就是(shi)改變傳感(gan)器結構參(can)數,優化流(liu)場,使浮子(zi)左⚽右受力(li)差盡量♋減(jian)小。
根據上(shang)述分析,下(xia)面對水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)傳感器的(de)結構提出(chu)幾點優化(hua)方案:
(1)加人(ren)整流器,消(xiao)除或減小(xiao)旋渦的産(chan)生，同時調(diao)整流速🤞的(de)❗分布狀況(kuang);
(2)将前流場(chang)的直管連(lian)接改爲彎(wan)管連接,減(jian)少旋渦的(de)産生,順滑(hua)😘流體的流(liu)動,使傳感(gan)器有比較(jiao)平穩的前(qian)流場;
(3)延長(zhang)錐管前的(de)垂直直管(guan)段,這也是(shi)爲了使流(liu)體在通過(guo)整💔流器後(hou)有比較長(zhang)的緩和段(duan),使流場接(jie)近充分發(fa)展的流速(su)✔️分布;
改進(jin)結構後的(de)仿真結果(guo)如圖7和圖(tu)8所示，由圖(tu)可知:①改進(jin)結構🔴後流(liu)場的壓力(li)分布得到(dao)改善,浮子(zi)組件受力(li)👈接近平衡(heng),但是,由于(yu)整流器的(de)引人,導緻(zhi)了整流器(qi)前☁️後壓差(cha)增大,帶來(lai)比較大的(de)壓損;②改進(jin)結構後流(liu)場的速度(du)分布比較(jiao)均勻,特别(bie)是使浮子(zi)組件周.圍(wei)沒有太大(da)的速度差(cha),同樣由于(yu)整流器的(de)使用，也使(shi)浮子組件(jian)的前流場(chang)更加♉複雜(za).
通過物理(li)實驗也證(zheng)實了這幾(ji)種優化方(fang)案可以有(you)效📐的☔減少(shao)🔞浮子左右(you)受力差,穩(wen)定浮子,使(shi)流量計在(zai)進行大流(liu)量測量中(zhong)也可以穩(wen)定工作.
5結(jie)語
由上述(shu)數據分析(xi)可知,對于(yu)浮子在41mm高(gao)處時的三(san)維湍流流(liu)場進行仿(pang)真可得到(dao)設計要求(qiu)的流量上(shang)限值.此♉位(wei)置處浮子(zi)受力平衡(heng)誤差絕對(dui)值爲2.01%,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)差絕對值(zhi)爲0.70%.因此,浮(fu)子受力平(ping)衡度誤差(cha)法确定仿(pang)真計算精(jing)度獲得了(le)較爲理想(xiang)的效果.
理(li)論分析和(he)實驗研究(jiu)表明,這種(zhong)設計方法(fa)不僅可以(yi)進一步的(de)🍓理解流體(ti)流動的機(ji)理和浮子(zi)流量計的(de)測量原理(li)，而且使流(liu)量傳感器(qi)的設計進(jin)一步得到(dao)優化,使流(liu)量測量的(de)靈敏度和(he)精度得到(dao)明顯的提(ti)高.此外,對(dui)流場的數(shu)值仿真與(yu)實驗研究(jiu)也是分析(xi)解決流量(liang)計其他問(wen)題的一種(zhong)有效方法(fa).目前基于(yu)這種方法(fa)設😍計的水(shui)平式金🚶♀️屬(shu)管浮子流(liu)量計已成(cheng)功應用于(yu)工業現場(chang),現場反饋(kui)這種流量(liang)計性能穩(wen)💰定,精度可(ke)靠,具有廣(guang)闊的發展(zhan)前景.
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