摘要:通(tōng)過對适合安裝于(yú)水(shuǐ)平管道(dào)的特殊結構的(de)水平安(ān)裝金屬(shǔ)管浮(fú)子(zǐ)流(liú)量計 三維(wéi)湍流流場(chǎng)的數值(zhí)仿真及(jí)實驗研究(jiū)提出(chū)一種基于(yú)計算(suàn)流體(tǐ)力(lì)學的流量傳感器(qì)設計(jì)方法(fǎ)。流(liú)場仿真(zhēn)所需的模(mó)型采用gambit來(lái)建(jiàn)立,通過(guò)funt軟件(jiàn)進行(háng)仿真(zhēn),仿真(zhēn)過(guò)程(chéng)中利(lì)用受力平衡控(kòng)制計算精度。數(shù)值仿真結果和實驗結果比較(jiào)當浮子受(shòu)力平(píng)衡度誤差爲9.5%時(shí),流量誤差(chà)爲0.944%,證實了(le)仿真(zhēn)結果(guǒ)的準确性(xìng),同時利用(yòng)流場仿真(zhēn)信息對流量傳(chuán)感器模型做了(le)進--步(bù)的優化。
1引(yǐn)言
　　金屬管式浮(fú)子流量(liàng)計(jì) 是一種傳統的差壓(yā)式流量計(jì),爲了适應(yīng)部分管道(dào)的特殊要(yào)求,本(běn)文設(shè)計(jì)研究的(de)浮子流量計是左進(jìn)右(yòu)出型的,其測(cè)量原理與(yǔ)經典(diǎn)的豎直型(xíng)浮子流量(liàng)計相同,但它是一(yī)種可以(yǐ)安裝(zhuāng)于水平管道的特殊(shū)結構的浮子流量計。
　　一般對浮(fú)子流(liú)量計(jì) 的經典研(yán)究是根據(jù)伯努利方程進行的(de),在推導浮(fú)子流量計流量(liàng)測量公(gōng)式時(shí)忽(hū)略了粘性應力(lì)項,而(ér)該項的作(zuò)用實(shí)際(jì)上是存在的(de);傳統流量(liàng)計的設計要通(tōng)過實驗來檢驗(yàn)和修正設(shè)計圖(tú).紙,這樣不僅延(yán)長了設計周期(qī)而且(qiě)增(zēng)加了設(shè)計成(chéng)本。基于.上述兩點(diǎn)原因,在(zài)設計水(shuǐ)平式安裝浮子流量計(jì)時爲了深入了解浮(fú)子流(liú)量傳感器的工作機理,引(yǐn)入了(le)計算(suàn)流體力學,即cfd2]技術,對(duì)傳感器流(liú)場進(jìn)行數值模(mó)拟,通(tōng)過(guò)對(duì)仿真(zhēn)及實驗結果進(jìn)行分析來評價(jià)初樣設(shè)計,優(yōu)化流量傳感(gǎn)器的(de)結構參數,使流量傳感(gǎn)器的設(shè)計更加精确,并(bìng)提高(gāo)了設計效率。
2水平安(ān)裝金屬管浮子流量計 的原理(lǐ)
2.1檢測(cè)原(yuán)理(lǐ)(圖1)

　　水(shuǐ)平安(ān)裝金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計的檢測原理(lǐ)與傳(chuán)[1]統的金屬(shǔ)管浮(fú)子流(liú)量計相同(tóng),其體積流(liú)量公(gōng)式爲

　　式中:qv-體積(jī)流量(liàng);α-流量系數(shù);h--浮子(zǐ)位置;φ-錐形(xíng)管錐半角(jiǎo);vf-浮子體積;qf-浮子材料密度;q一流(liú)體密(mì)度;af-浮(fú)子垂直于流(liú)向的最(zuì)大截(jié)面積(jī);d。一浮子最大迎流面(miàn)的直徑;dh-浮子(zǐ)平衡在(zài)h高度時錐(zhuī)形管的直徑;df-浮子最(zuì)大直(zhí)徑。
2.2模型建(jiàn)立及(jí)其設計要(yào)求
　　浮子流(liú)量計(jì)傳統(tǒng)的設計方法是建立在式(1)的基礎之.上,在(zài)該方程中(zhōng)流量(liàng)系數α是一個受很多(duō)因素影響的變量(liàng)。對于本(běn)文所(suǒ)研究的水(shuǐ)平式安(ān)裝(zhuāng)浮子(zǐ)流量(liàng)計(jì),測量介(jiè)質爲20℃的水,設計(jì)要求流量測量(liàng)範圍1~10m3/h,量程比爲10:1,行程(chéng)50mm,其流(liú)量系(xì)數x的經(jīng)驗值爲(wèi)0.9~10。浮子(zǐ)位于41mm高處(chù)的傳(chuán)感器三維(wéi)流場模型如圖2所示。
2．3計算精度(dù)的控制(zhì)
　　利(lì)用浮(fú)子組(zǔ)件受力平衡(héng)來控制計算(suàn)精度(dù)。在flunt的受力(lì)分析報告中會(huì)提供指定壁面(miàn)所受(shòu)到的淨壓(yā)力fy↑和粘性摩擦(cā)力fm↑以(yǐ)及(jí)這兩(liǎng)個(gè)力的合力fr↑。這三個力遵循(xún)下面的公(gōng)式:

這裏設定當(dāng)浮子(zǐ)受力平衡(héng)度|ef|<10%時(shí)，認(rèn)爲浮子(zǐ)受力達(dá)到平衡(héng),此時(shí)停止計算。
3數值(zhí)仿(páng)真
3.1網格(gé)劃分及(jí)邊界設(shè)定
　　針對傳感器(qì)的(de)流(liú)場模型,選(xuǎn)擇三(sān)角形(xíng)四面(miàn)體網格來(lái)進行網格劃(huà)分。如圖(tú)3所示爲水(shuǐ)平式浮子(zǐ)流量計浮(fú)子位(wèi)于41mm高時的(de)軸向網格剖分(fèn)圖。
　　在進(jìn)行邊界的設定過程中(zhōng)設定速度入口(kǒu)、壓力出口,并(bìng)将(jiāng)導杆壁面設定爲floatwalll,浮子(zǐ)壁面設(shè)定爲floatwall2,除浮子組(zǔ)件和(hé)導向(xiàng)環外(wài)的空間設定爲(wèi)fluid。
3.2flunt計算條件
模型(xíng)建好以後(hòu)輸出(chū).msh文件(jiàn),利用flunt進行(háng)仿(páng)真,flunt中相應計(jì)算條件如表1所示。
　　其中(zhōng)流(liú)體介(jiè)質的(de)屬性:密度998.2kg/m2,粘度0.001003kg/ms,定壓比熱(rè)4182j/kg.k,熱(rè)導率(lǜ)0.6w/m.k.速(sù)度入(rù)口采用的是平(píng)均速度,針對浮(fú)子位于(yú)41mm高的模型計算達(dá)到平(píng)衡時的入(rù)口條件,如(rú)表(biǎo)2所示。

3.3仿真(zhēn)過(guò)程
　　水平(píng)式浮子流(liú)量計(jì)三維(wéi)流場的仿(páng)真過程如(rú)圖4所(suǒ)示。該(gāi)過程(chéng)需要解釋(shì)的幾點如(rú)下所示(shì):
(1)因每個(gè)模型(xíng)入(rù)口流速(sù)的準确(què)值(zhí)未知,是根據(jù)經典流(liú)量公(gōng)式計算的(de)一(yī)一個(gè)假設的(de)流量,因此仿真(zhēn)最終(zhōng)結(jié)束(shù)的判(pàn)斷依據爲(wèi)浮子(zǐ)受力(lì)平衡的程(chéng)度,即(jí)通過檢查(chá)仿真結果,對浮(fú)子進行受(shòu)力分析,距離受力平衡點誤(wù)差(chà)小于10%時,認爲達到計(jì)算精度,仿(páng)真計算結(jié)束。當(dāng)誤差大于10%,首(shǒu)先考慮(lǜ)改進(jìn)該模型的(de)網格精(jīng)度,如圖(tú)4中的左側方(fāng)案(àn)1;當網格精(jīng)度改(gǎi)進到一定(dìng)程度(dù)後誤(wù)差仍(réng)大于(yú)10%,可修正入口條(tiáo)件.(主要指入口流速,其餘(yú)條件(jiàn)可相應計算調(diào)整),如圖4中的右(yòu)側方(fāng)案(àn)2,直到滿(mǎn)足計算精度(dù)。
(2)利(lì)用smple算法(fǎ)計算時,每次計算(suàn)叠代次數爲500次(cì),當不足(zú)500次smple算法就已(yǐ)經達到收斂精度(10“)時(shí),程(chéng)序自動(dòng)結束,此(cǐ)時可檢(jiǎn)查計(jì)算結果;當(dāng)叠(dié)代次(cì)數(shù)大于500次仍(réng)未收斂時(shí),停止計算(suàn),此時需重(zhòng)新(xīn)檢查網(wǎng)格狀(zhuàng)況和邊界設定,進行(háng)網格(gé)的合理(lǐ)剖(pōu)分和(hé)邊界(jiè)的(de)合理設定。實踐(jiàn)證明,網格布(bù)置(zhì)的恰當(dāng)與否會直接影(yǐng)響收(shōu)斂速度(dù)和收斂結(jié)果(guǒ),不合理的網(wǎng)格(gé)布置(zhì)将導(dǎo)緻計算發(fā)散或者結果不(bú)正确。

(3)叠代前(qián)首先打開監視器(qì),監視x.y、z三(sān)個方向(xiàng)的流(liú)速以及k方程和(hé)c方程(chéng)的收(shōu)斂狀況,實踐證(zhèng)明,即使未達到預計的叠代次數,若在(zài)監視器(qì)中已出現明顯(xiǎn)的發散現(xiàn)象,可強行(háng)中止(zhǐ)本次(cì)計算。
4仿真結果(guǒ)及實(shí)驗結(jié)果分析
4.1壓(yā)力(lì)場分析(xī)(圖5.圖6)
　　比較壓力(lì)的絕對值(zhí)可以(yǐ)看到:浮子底部(bù)左右(yòu)壓力不對(duì)稱,這(zhè)種不對稱(chēng)現象的存(cún)在使得流量比較大時浮子會出現(xiàn)抖動。
4.2速度(dù)場分析(圖7.圖8)
據圖分(fèn)析如下:
(1)據(jù)顔色分辨出環(huán)隙流(liú)通面積(jī)最小處及下遊靠近錐(zhuī)管壁(bì)的流場速(sù)度最大,前(qián)者是(shì)流通(tōng)面積(jī)減小導緻速度增大,後者(zhě)則(zé)是(shì)因爲流場方(fāng)向(xiàng)的改(gǎi)變而(ér)引起的,特(tè)别是此處可能(néng)産生旋渦(wō),導緻(zhì)有效流通面積減小,流(liú)體被擠(jǐ)向管壁,使(shǐ)得(dé)此(cǐ)處速(sù)度增大。
(2)流場下遊,外直管左下(xià)角速度較小,主(zhǔ)要是.因爲流場的出口(kǒu)在(zài)右邊,由于(yú)出口壓力小(xiǎo),流體流(liú)動都(dōu)趨向出口(kǒu)。
(3)浮子的最(zuì)小截(jié)面處,流場(chǎng)速度(dù)存在(zài)較大(dà)的變(biàn)化。

4.3浮子(zǐ)受(shòu)力定(dìng)量分(fèn)析
　　從(cóng)flunt的受(shòu)力報告中可以(yǐ)得到(dào)如表3所(suǒ)示(shì)數據,根據設計初樣(yàng)給(gěi)出的浮(fú)子材料及尺寸(cùn)結構,可得浮子(zǐ)重力爲(wèi)5.995146n。根(gēn)據仿(páng)真結(jié)果(guǒ),浮子在z方向上的合力(lì)爲5.4253127n。根(gēn)據受力平(píng)衡度誤(wù)差(chà)分析(xī)公式可得，1e,|=9.5%，小于設定值(zhí)10%,認爲浮(fú)子受力(lì)達到平(píng)衡。

4.4物理實(shí)驗及(jí)結果分析
　　爲了(le)進一步驗證傳感器(qì)流場仿真(zhēn)結果,需要進行(háng)物理實(shí)驗。按照(zhào)設計(jì)圖紙加工(gōng)設計(jì)模型,加工(gōng)完後,配上(shàng)流量(liàng)顯示(shì)儀表,在标(biāo)準裝置上(shàng)進行(háng)标定。标定方法(fǎ)利用标準表法,标準(zhǔn)表選(xuǎn)擇渦(wō)輪流量計(jì)(精度0.5級)。結(jié)合仿真流量數據、物(wù)理實驗數據與(yǔ)根據(jù)浮子(zǐ)流量經典測量公(gōng)式得到(dào)的設計流(liú)量數(shù)據進(jìn)行比較可(kě)以得到表(biǎo)4。

5大(dà)流(liú)量下(xià)流量傳感(gǎn)器結構(gòu)的(de)優化及改(gǎi)進(jìn)結(jié)構後(hòu)的仿真
　　由上述對壓力場的分析可知浮(fú)子組(zǔ)件受(shòu)力(lì)不平衡(héng),物理實驗也表(biǎo)明在(zài)大(dà)流量下(xià)會出現流(liú)量計(jì)振動(dòng)的現(xiàn)象,這(zhè)是由于(yú)傳感器流場(chǎng)出現了變(biàn)化。從流場的速(sù)度分布(bù)圖可以(yǐ)看出,浮子組件(jiàn)的右(yòu)邊速度特别大(dà),其原因有(yǒu)前流場引起的(de),也有後流場的因素(sù),由于傳感(gǎn)器的出(chū)口在右邊,所(suǒ)以流(liú)體有(yǒu)向右邊(biān)流的趨(qū)勢。另外,由(yóu)于浮(fú)子組件前直管段有個直角彎(wān),容易産(chǎn)生二次(cì)流,對浮子組件(jiàn)的受(shòu)力也有很(hěn)大的(de)影響(xiǎng)。所以(yǐ),要減弱(ruò)振(zhèn)動,解決的(de)根本(běn)方法就是改變傳感器結構參數、優化流(liú)場、使(shǐ)浮子(zǐ)左右受力差盡量減(jiǎn)小。
根(gēn)據上(shàng)述(shù)分(fèn)析下面對(duì)水平式流(liú)量傳(chuán)感器的結構提(tí)出幾(jǐ)點優(yōu)化方(fāng)案:
(1)加(jiā)入(rù)整流器(qì),以消除或(huò)減小(xiǎo)旋渦的産生,同(tóng)時調整流(liú)速的(de)分布(bù)狀(zhuàng)況(kuàng)。
(2)将前(qián)流場(chǎng)的(de)直管連(lián)接改(gǎi)爲彎管連(lián)接,減少旋(xuán)渦的(de)産生,順滑流體的流動,使傳感器有(yǒu)比(bǐ)較(jiào)平穩(wěn)的前流場(chǎng)。
(3)延長前直管段。這裏(lǐ)提及(jí)的直管段(duàn)指錐(zhuī)管(guǎn)前的垂(chuí)直直管(guǎn)段(duàn),這也(yě)是(shì)爲了使流體(tǐ)在通過整流器(qì)後有比較長的緩和段(duàn),使(shǐ)流場接近(jìn)充(chōng)分發展(zhǎn)的流速分(fèn)布。
改(gǎi)進結構後的仿(páng)真結(jié)果如圖9、10所(suǒ)示,據(jù)圖(tú)分析如(rú)下:
（1）改進結構後流場(chǎng)的壓力分(fèn)布得到改(gǎi)善,浮(fú).子組(zǔ)件受力接(jiē)近平衡,但(dàn)是,由(yóu)于整流器(qì)的引(yǐn)入,導緻(zhì)了(le)整流(liú)器前(qián)後壓差增(zēng)大,帶來比較大的壓損。

(2)改進結構後流場(chǎng)的速度分布比較均(jun1)勻,特别是(shì)使浮(fú)子組(zǔ)件周(zhōu)圍沒(méi)有太(tài)大(dà)的(de)速度差,同(tóng)樣由(yóu)于整(zhěng)流器的使(shǐ)用,也使浮子(zǐ)組件的(de)前流(liú)場更加複(fú)雜。通(tōng)過物理實(shí)驗也(yě)證實(shí)了這(zhè)幾種(zhǒng)優化方案(àn)可以有效(xiào)的減少浮子左(zuǒ)右受(shòu)力差,穩定浮子。
6結論
　　由上(shàng)述數據分析可(kě)知,對(duì)于浮(fú)子在41mm高處(chù)，時的三(sān)維(wéi)湍流(liú)流場進(jìn)行仿真可得到設(shè)計要(yào)求的(de)流量上限(xiàn)值。此位置處浮(fú)子受(shòu)力平衡度(dù)誤差爲(wèi)9.5%，傳感器(qì)物理(lǐ)實驗獲得(dé)的示值刻度流(liú)量與(yǔ)通(tōng)過(guò)湍流(liú)數值模(mó)拟進行(háng)流場(chǎng)仿(páng)真(zhēn)實驗(yàn)獲得(dé)的(de)仿真流(liú)量(liàng)值較爲接近(jìn),仿真流(liú)量誤差(chà)爲0.944%。本文(wén)利用浮(fú)子受力平(píng)衡度誤差(chà)法确定仿(páng)真(zhēn)計算(suàn)精度獲(huò)得了較爲理想的效果,即仿真過程(chéng)無需過分強調浮(fú)子受力(lì)平衡度誤差的(de)減小,仿真(zhēn)流量(liàng)誤差(chà)即(jí)可(kě)得到(dào)令人滿(mǎn)意的結(jié)果。
　　理(lǐ)論分析和(hé)實驗研究表明,這種(zhǒng)設計(jì)方(fāng)法(fǎ)不僅可以進一步地理解流體(tǐ)流動的(de)機理和浮子(zǐ)流量計的(de)測量原(yuán)理(lǐ),而且(qiě)使流量傳感器(qì)的設計(jì)進--步得(dé)到優化,使流量(liàng)測量的靈敏度(dù)和精(jīng)确度得到(dào)明顯的提高。此(cǐ)外,對(duì)流(liú)場的數(shù)值仿(páng)真與實驗(yàn)研究(jiū)也是(shì)分析(xī)、解決流量(liàng)計其(qí)它問(wèn)題的(de)一-種(zhǒng)有效方法(fǎ)。目前(qián)基于(yú)這種方法(fǎ)設計的水平式(shì)金屬管浮子流(liú)量計已經(jīng)投入(rù)市場，現(xiàn)場，反饋(kuì)這種流量計性能穩(wěn)定，精(jīng)度可(kě)靠。

以上内(nèi)容源(yuán)于網(wǎng)絡，如(rú)有侵(qīn)權聯系(xì)即删除!