摘要:利用(yong)基于計算(suàn)流體力學(xue)的流量傳(chuán)感器設計(ji)方法實現(xiàn)了對适合(hé)安裝于水(shuǐ)平管道的(de)特殊結構(gou)的
金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計
三維湍(tuan)流流場的(de)數值仿真(zhēn)研究.流場(chǎng)仿真所需(xu)的模型📐采(cai)💃用CAMBIT軟件建(jian)立,通過FLUNT軟(ruan)件進行仿(pang)真，仿真過(guò)程中利用(yong)受力平衡(héng)來控制‼️計(jì)算精度.數(shù)值仿真結(jié)果和物理(li)實驗結果(guo)比較,浮子(zǐ)受力平衡(heng)誤差絕對(duì)值爲2.01%時，,流(liu)量誤差絕(jué)對值爲0.70%,證(zhèng)實了仿真(zhēn)結果的正(zheng)确率.同時(shi),利用流場(chǎng)仿真信息(xī)對流量傳(chuan)感器結構(gòu)做♈了進一(yi)步改進💃🏻,解(jie)決了水平(ping)式金屬管(guan)浮子流量(liang)計
在大流(liu)量下的浮(fu)子振動問(wèn)題。
金屬管(guan)浮子流量(liang)計是一種(zhong)傳統的變(bian)截面流量(liang)計👈,具有結(jié)構☂️簡單、工(gōng)作可靠、壓(yā)力損失小(xiǎo)且穩定、可(ke)測🈲低流速(sù)介質等諸(zhū)多優點,廣(guǎng)泛應用于(yú)測量高溫(wen)、高壓及腐(fu)蝕性流🌂體(ti)介質川,由(you)其測量原(yuán)理決定,它(tā)一般需豎(shu)直🏃♂️安裝.但(dàn)是🌈,在某些(xiē)特定的工(gong)業應用中(zhōng),需🍉要使用(yòng)水平🤞安裝(zhuāng)浮子流量(liàng)計,其測量(liàng)原理雖與(yǔ)經典的豎(shu)直型🌈浮子(zi)流量計相(xiàng)同💋,但它卻(que)是一種可(kě)以🧡安裝于(yu)水☂️平管道(dào)的特殊結(jie)構的浮子(zǐ)流量計.
一(yi)般對浮子(zǐ)流量計的(de)經典研究(jiū)"是根據伯(bó)努利方🐉程(chéng)👄進行的.該(gāi)方程要求(qiu)流體運動(dòng)是恒定流(liú)、流體是理(lǐ)想流體(理(lǐ)想流體是(shì)指忽略了(le)黏滞性的(de)流體)且是(shi)不.可壓縮(suo)均質流體(tǐ),但是浮子(zi)流量🏃♂️計中(zhong)流過的✏️流(liu)體并不嚴(yán)格滿足這(zhe)3個條件,而(er)且傳統流(liu)量計的設(shè)計要通過(guo)實驗來檢(jian)驗和修正(zhèng)設計圖紙(zhi),這樣不僅(jǐn)延長了設(she)計周期,還(hai)增加了✂️設(she)計成本.基(jī)于上述2點(diǎn)原因,在設(she)計水平式(shì)金屬管浮(fu)子❌流量計(jì)的時候引(yǐn)入了計算(suàn)流體力🏒學(xue)(computationalfluiddynamics,CFD)技術4),對浮(fu)子流量傳(chuán)感器流場(chǎng)進行數值(zhí)仿真，通過(guò)💚對仿真🛀及(jí)實驗數據(jù)進行比較(jiao)來評價初(chu)樣設計，優(you)化流量傳(chuan)感器的結(jié)構參數,使(shi)流量傳感(gǎn)器的設計(jì)更🔞加正确(què),提高了設(shè)計效率.
1水(shui)平式金屬(shǔ)管浮子流(liú)量計的原(yuán)理
1.1檢測原(yuan)理
水平式(shi)金屬管浮(fu)子流量計(jì)的檢測原(yuan)理(見圖1)與(yu)傳統的金(jīn)屬管浮子(zi)流量計相(xiang)同,其體積(ji)流量：
式中(zhong):qv爲浮子流(liu)量計的體(tǐ)積流量;α爲(wèi)流量系數(shu);h爲浮子在(zài)錐管🙇♀️中的(de)垂直位置(zhì);φ爲錐形管(guan)錐半角;Af爲(wèi)浮子體積(ji);ρf爲浮子材(cái)♌料密度;ρ爲(wei)流體密度(du);A爲浮子垂(chui)直于流向(xiàng)的最大截(jié)🏃面積;D0爲浮(fu)子最大迎(ying)流面的直(zhi)徑;Dh爲浮子(zi)平衡🔅在h高(gāo)度時‼️錐形(xing)管的直徑(jìng);df爲浮子最(zuì)大直徑.
在式(1)中，流(liú)量系數α是(shì)一個受很(hěn)多因素影(ying)響的變量(liang)，難以給♉出(chū)一個确切(qie)的數值，而(ér)且對于本(běn)文研究設(shè)計的水平(ping)式金屬管(guǎn)浮子流量(liang)計,由于其(qi)結構的特(te)🎯殊性,在錐(zhuī)管的上遊(you)保證不了(le)5倍管徑以(yi)上長度的(de)直管段,造(zao)成流場畸(ji)變,因此利(lì)用式(1)計算(suàn)流量将會(huì)㊙️與實際的(de)流量值存(cun)在一定的(de)偏差,所以(yi)更有必要(yao)✉️利用數值(zhí)仿真的方(fang)法來保證(zhèng)設計流量(liàng)的準确性(xing).
1.2設計要求(qiú)
所研究的(de)水平式金(jin)屬管浮子(zǐ)流量計,測(ce)量介質爲(wei)20℃的水，口徑(jing)爲DN50,設計要(yào)求流量測(ce)量範圍1~10m³/h,量(liang)程比爲10:1,浮(fu)子行程50mm,其(qi)流量系數(shù)的經驗值(zhi)爲0.9~1.0.水平式(shi)金屬管浮(fu)子流量計(ji)剖面圖如(ru)圖2所示。
2數(shu)值仿真
2.1模(mo)型建立
爲(wei)了研究該(gāi)水平式金(jin)屬管浮子(zi)流量計達(da)到上限🈲流(liu)量時🌈的性(xing)質,建立浮(fú)子位于41mm高(gao)處的流量(liang)傳感器三(san)維流場模(mó)型,如圖3所(suǒ)示.
該模型(xíng)利用CAMBIT軟件(jiàn)建立.GAMBIT軟件(jiàn)是面向CFD的(de)專業前處(chu)理器軟件(jian),它包👅含全(quán)面的幾何(hé)建模能力(li).
2.2網格劃分(fèn)及邊界設(she)定
GAMBIT除了強(qiáng)大的建模(mó)能力外,也(yě)是功能強(qiang)大，的網格(ge)劃分工具(ju).針對🍓傳感(gǎn)器的流場(chang)模型,選擇(ze)三角形-四(si)面體網格(gé)來進行網(wang)格💘化分.圖(tu)4爲水平式(shi)浮子流量(liàng)計浮子位(wei)于41mm高時的(de)軸向網格(ge)剖分圖.
在(zai)進行邊界(jie)的設定過(guo)程中設定(dìng)速度入口(kǒu),壓力出🐉口(kǒu)🔞,并将導杆(gan)壁面設定(ding)爲float.wall1,浮子壁(bì)面設定爲(wèi)float.wall2,除浮子♻️組(zu)件👌、錐管組(zu)件和導向(xiàng)環外的空(kōng)間設定爲(wèi)fluid..
2.3仿真計算(suan)條件
本文(wén)采用FLUENT軟件(jiàn)對流量傳(chuán)感器内部(bu)流場進行(hang)仿真⁉️.針對(dui)各種複雜(zá)流動的物(wu)理現象,FLUENT軟(ruan)件采用不(bú)同的🌐離散(sàn)格式和數(shu)值方☂️法,以(yǐ)期在特定(dìng)的領域内(nei)使計算速(sù)度、穩定性(xing)和精度等(děng)方面達到(dào)好的組合(hé),從而高效(xiao)率地解決(jue)各個💯領域(yù)的複雜流(liu)動計算問(wen)題.
模型建(jiàn)好以後輸(shu)出.msh文件,在(zai)FLUENT中讀入網(wang)格文件.FLUENT中(zhōng)相應計算(suan)條件如表(biao)1所示.
其中(zhōng)流體介質(zhi)的屬性爲(wèi)密度998.2kg/m³,動力(li)黏度0.001003Pa·s,定壓(ya)比熱💛4182J/kg·K,熱導(dǎo)率0.6W/m·K.水平式(shi)金屬管浮(fu)子流量計(ji)内部流場(chǎng)是高雷諾(nuò)數完🧑🏽🤝🧑🏻全發(fā)展湍流流(liu)動,所以采(cai)用湍流模(mó)式理論提(tí)供的标準(zhǔn)K-ε模型來計(jì)算。
金屬管(guǎn)浮子流量(liang)計内表面(mian)的材料是(shì)不鏽鋼,設(shè)定粗糙常(cháng)🐕數🏃🏻C_K_s=1,粗❄️糙高(gāo)度K_s=0.04.速度人(rén)口采用的(de)是平均速(su)度.出入口(kou)的🍉湍流參(can)數爲
2.4計算(suàn)精度的控(kong)制
利用浮(fu)子組件受(shòu)力平衡來(lai)控制計算(suàn)精度.在FLU-ENT的(de)受力分❤️析(xī)報告中會(huì)提供指定(dìng)壁面所受(shou)到的淨壓(yā)力F,和黏性(xìng)摩擦力♍Fm以(yi)及這2個力(lì)的合力Ff這(zhe)3個力遵循(xún)公式
這裏(li)設定當浮(fu)子受力平(ping)衡度|EfI<5%時,認(rèn)爲浮子受(shòu)力達到🚩平(ping)衡,此時停(tíng)止計算.
3仿(pang)真結果及(jí)實驗結果(guo)分析
通過(guò)改變流量(liang)系數來改(gai)變流量值(zhí),進而調整(zhěng)入口及出(chu)💜口條🚩件來(lái)使浮子組(zu)件達到受(shòu)力平衡.經(jīng)典的流量(liàng)系數在0.9~1.0之(zhī)間,選取包(bāo)括邊界值(zhi)在内的5個(ge)流量🤞系數(shu)來進行數(shu)值仿真,得(dé)到5組㊙️仿真(zhēn)數據.在下(xià)面的分析(xi)中給出第(di)5組數據,亦(yì)即當浮子(zi)受力達到(dao)平衡時的(de)壓力場🤩和(he)速度場分(fen)🌈布情況(見(jiàn)圖🛀5和圖6)..
3.1壓(ya)力場分析(xi)
圖5爲叠代(dài)收斂後流(liú)量傳感器(qì)壓力場等(děng)勢圖和壓(ya)力分布圖(tú),左邊光柱(zhu)從上至下(xia)表示壓強(qiáng)從大到小(xiao)♋，據圖5分析(xi)如下:
(1)傳感(gan)器流場上(shàng)遊的壓強(qiang)大于下遊(yóu)的壓強;
(2)浮(fu)子最大直(zhí)徑處下遊(you)壓強最小(xiǎo);
(3)浮子最大(dà)直徑處,流(liú)場壓強變(biàn)化梯度最(zui)大;
(4)最大壓(ya)強在内直(zhí)管垂直段(duàn)的底部;
(5)浮(fú)子最大直(zhi)徑處上下(xià)兩部分形(xíng)成很大的(de)壓差,這是(shi)使浮子穩(wěn)定在這一(yi)高度的主(zhǔ)要作用力(lì);
(6)浮子底部(bù)左右壓力(lì)不對稱，這(zhè)種不對稱(cheng)現象的存(cun)在使得流(liu)量比較大(dà)時浮子會(hui)出現振動(dòng).
3.2速度場分(fèn)析
圖6爲叠(dié)代收斂後(hou)傳感器速(sù)度場等勢(shi)圖和矢量(liang)圖.圖中左(zuǒ)💜邊光🧑🏾🤝🧑🏼柱從(cóng)上至下表(biǎo)示速度由(you)大至小.由(yóu)圖6.分析如(rú)下🐆:
(1)據顔色(se)分辨出環(huán)隙流通面(mian)積最小處(chù)及下遊靠(kào)近錐管壁(bi)的流場速(sù)度最大,前(qian)者是流通(tong)面積減小(xiǎo)導緻速度(dù)增大,後者(zhe)則是因爲(wèi)流場方向(xiang)的改變引(yǐn)起💞的,特别(bié)是此處可(kě)能産生漩(xuán)渦❄️,導緻有(yǒu)效流通面(miàn)積減小,流(liú)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(zhí)管左下角(jiao)速度較小(xiao),主要是因(yīn)爲流場的(de)出口📱在右(yòu)邊，由于出(chu)口壓力小(xiǎo)，流體流動(dong)都趨向出(chu)口;.
(3)浮子的(de)最小截面(miàn)處,流場速(sù)度存在較(jiào)大的變化(huà).
3.3浮子組件(jiàn)受力定k分(fèn)析
根據設(shè)計初樣給(gei)出的浮子(zǐ)材料及尺(chǐ)寸結構,可(kě)得🐆浮子🐆重(zhong)力爲5.97N.從FLUENT的(de)受力報告(gao)中可以得(dé)到表2所示(shì)數據.
3.4物理(li)實驗及結(jié)果分析
爲(wèi)了進一步(bù)驗證傳感(gǎn)器流場仿(páng)真結果,需(xū)要進行.物(wù)理❗實⛹🏻♀️驗.按(àn)照設計圖(tú)紙加工設(shè)計模型,加(jia)工完後✌️,配(pei)上流量顯(xian)示儀表‼️,在(zài)标👨❤️👨準裝置(zhi)上進行實(shi)驗.實驗利(li)用标準表(biǎo)法,标準表(biao)選擇電🥵磁(ci)流量計(精(jīng)度0.2級).結合(he)仿真流量(liang)數據、物理(li)實驗數據(ju)進行比較(jiào)可以得到(dào)表3.
4DN80水平式(shi)金屬管浮(fú)子流量計(jì)流量傳感(gan)器結構的(de)優化及仿(pang)真
由上述(shù)對DN50水平式(shì)金屬管浮(fu)子流量傳(chuán)感器三維(wéi)湍🔅流流場(chang)壓力⛹🏻♀️場的(de)分析可知(zhī)浮子組件(jiàn)受力不平(píng)衡，物理實(shí)驗🏃🏻也表明(ming)在大流量(liang)下會出現(xian)浮子振動(dòng)的現象,這(zhe)是由于傳(chuán)感器流場(chang)發💁生了畸(ji)變.在這個(gè)口徑下浮(fú)子振動不(bu)是很明顯(xian),流量計可(ke)以正常工(gong)作.但是在(zai)大流量下(xia),尤其是在(zai)DN80及其以上(shang)口徑的流(liu)量💁計中浮(fú)子的振動(dong)現象已經(jīng)是一個不(bú)可忽略的(de)問題.
從流(liu)場的速度(dù)分布圖6可(ke)以看出,浮(fu)子組件的(de)右邊速度(dù)特❓别大,其(qí)原因有前(qián)流場引起(qi)的，也有後(hou)流場的因(yīn)素,由于傳(chuan)感器的出(chu)口在右邊(bian),所以流體(tǐ)有向右邊(biān)流的趨勢(shì)☀️.另外，由🛀于(yu)浮子組件(jiàn)前直管段(duan)有個直角(jiǎo)彎,容易産(chǎn)生二✌️次流(liú),對浮子組(zǔ)件的受力(li)也有🌈很大(dà)的影響🚶.所(suǒ)以,要減弱(ruò)振動,解決(jué)的📞根本方(fāng)法就👈是改(gai)變傳感器(qì)結構參數(shù),優化流場(chang),使浮子左(zuo)右受力差(chà)盡量減小(xiao)。
根據上述(shu)分析,下面(mian)對水平式(shi)金屬管浮(fu)子流量傳(chuán)🎯感♻️器的結(jie)構提出幾(ji)點優化方(fang)案:
(1)加人整(zhěng)流器,消除(chu)或減小旋(xuan)渦的産生(sheng)，同時調整(zhěng)流速的分(fen)布狀況;
(2)将(jiang)前流場的(de)直管連接(jiē)改爲彎管(guan)連接,減少(shao)旋渦的✂️産(chan)生👨❤️👨,順滑流(liú)體的流動(dong),使傳感器(qi)有比較平(píng)穩的前流(liu)場☁️;
(3)延長錐(zhui)管前的垂(chuí)直直管段(duàn),這也是爲(wei)了使流體(ti)在通過整(zhěng)流♋器後有(yǒu)比較長的(de)緩和段,使(shi)流場接近(jìn)充分發🔱展(zhan)的流速分(fen)布❤️;
改進結(jie)構後的仿(páng)真結果如(ru)圖7和圖8所(suǒ)示，由圖可(kě)知:①改♉進🥰結(jié)構✔️後流場(chang)的壓力分(fen)布得到改(gǎi)善,浮子組(zu)件受力接(jiē)近平衡,但(dan)是,由于整(zhěng)流器的引(yin)人,導緻了(le)整流器前(qián)後壓差🛀增(zeng)大,帶來比(bi)較大的壓(ya)損;②改進結(jié)構🈲後流場(chǎng)的速度分(fèn)布比較均(jun)勻,特别是(shi)使浮子組(zu)件周.圍沒(mei)有太大的(de)速度差,同(tóng)樣由于整(zhěng)流器的使(shǐ)用㊙️，也使浮(fú)子組件的(de)前流場更(gèng)加複雜.
通(tōng)過物理實(shí)驗也證實(shi)了這幾種(zhong)優化方案(àn)可以有效(xiao)的♻️減少浮(fu)子左右受(shòu)力差,穩定(ding)浮子,使流(liu)量計在進(jìn)行大流量(liang)測量中也(yě)可以穩定(dìng)工作.
5結語(yu)
由上述數(shu)據分析可(ke)知,對于浮(fú)子在41mm高處(chu)時的三維(wéi)湍流流♌場(chang)進行仿真(zhēn)可得到設(she)計要求的(de)流量上限(xiàn)值.此💘位置(zhì)處浮🧑🏽🤝🧑🏻子受(shòu)力平❗衡誤(wu)差絕對值(zhí)爲2.01%,傳感器(qi)物理實驗(yàn)獲得的示(shì)值刻度流(liú)量與通👄過(guò)湍流數值(zhí)模拟進行(háng)🐉流場仿真(zhen)實驗獲得(dé)的仿真流(liú)量值較爲(wèi)接近,仿真(zhen)流量誤差(chà)絕對值爲(wèi)0.70%.因此,浮🌍子(zi)受力平衡(heng)度誤差法(fǎ)确定仿真(zhen)計算精度(du)獲得了較(jiao)爲理想的(de)✨效果.
理論(lun)分析和實(shi)驗研究表(biao)明,這種設(shè)計方法不(bú)僅可以進(jìn)一步🥰的理(li)解流體流(liu)動的機理(li)和浮子流(liú)量計的測(ce)量原理，而(ér)且使流量(liàng)傳感器的(de)設計進一(yī)步得到優(you)化👅,使流量(liang)測量的靈(ling)敏度🏒和精(jīng)度✍️得到明(ming)顯的🌐提高(gao).此外,對流(liu)場的數值(zhí)仿真與實(shí)驗研究也(yě)是分析解(jie)決流量計(jì)其他問題(ti)🍓的一種有(yǒu)效方法.目(mù)前基⛷️于這(zhè)種方法設(shè)計的水平(ping)式金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計已成功(gong)應用于工(gong)業㊙️現場,現(xian)場反饋這(zhe)種流量計(ji)性能🌍穩定(ding),精度可靠(kao),具有廣闊(kuo)的發展前(qián)景.
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