摘要:利用(yòng)基(jī)于計算(suàn)流體力學的流(liú)量傳感器設計(jì)方法(fǎ)實現了對(duì)适合安裝于水(shuǐ)平管道(dào)的(de)特殊結構(gòu)的 金(jīn)屬管(guǎn)浮(fú)子(zǐ)流量計 三(sān)維湍流流(liú)場的(de)數值仿(páng)真研究(jiū).流場仿真所需(xū)的模(mó)型(xíng)采用cambit軟(ruǎn)件建(jiàn)立(lì),通(tōng)過flunt軟(ruǎn)件進(jìn)行(háng)仿真，仿真過程中(zhōng)利用(yòng)受力平衡來控(kòng)制計(jì)算精(jīng)度.數(shù)值仿真(zhēn)結果和(hé)物理實驗結果比較,浮(fú)子受力(lì)平衡誤差(chà)絕對值爲2.01%時，,流(liú)量誤(wù)差絕對(duì)值(zhí)爲0.70%,證(zhèng)實了仿真結果的正确(què)率.同時(shí),利用流(liú)場仿真(zhēn)信息對流量傳(chuán)感器結(jié)構(gòu)做了(le)進一步(bù)改進,解決了水平式金(jīn)屬管浮(fú)子(zǐ)流量(liàng)計 在大流量下(xià)的浮子振(zhèn)動問(wèn)題。
　　金(jīn)屬管浮(fú)子(zǐ)流量計是一種傳統的(de)變截面(miàn)流量(liàng)計,具有結(jié)構(gòu)簡單(dān)、工作可(kě)靠、壓力損失小(xiǎo)且穩定、可測低(dī)流速介(jiè)質(zhì)等諸(zhū)多優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于測(cè)量高溫(wēn)、高壓及腐蝕(shí)性(xìng)流體介質川,由其測量(liàng)原理決(jué)定,它(tā)一般需豎(shù)直(zhí)安裝.但(dàn)是,在(zài)某些特定的工業應用(yòng)中,需要使用水平(píng)安裝浮子(zǐ)流量(liàng)計,其(qí)測量原(yuán)理雖與(yǔ)經典的豎直型(xíng)浮子(zǐ)流(liú)量計相同,但它(tā)卻是一(yī)種可(kě)以(yǐ)安裝于水平(píng)管(guǎn)道(dào)的特(tè)殊結(jié)構的浮(fú)子(zǐ)流量計.
　　一般對(duì)浮子流量計的(de)經典(diǎn)研究"是根(gēn)據(jù)伯努利方程(chéng)進行的.該方程(chéng)要求流體運動是恒定(dìng)流、流體(tǐ)是理(lǐ)想流體(理想(xiǎng)流(liú)體是指忽(hū)略了黏滞(zhì)性(xìng)的流體(tǐ))且是不.可(kě)壓縮均質流體(tǐ),但是浮(fú)子流量(liàng)計中流過的流(liú)體并不嚴格滿(mǎn)足這3個條(tiáo)件,而且傳統流(liú)量計(jì)的設(shè)計要(yào)通過(guò)實驗來檢驗和(hé)修正設計圖紙(zhǐ),這樣不僅延長了設計周(zhōu)期,還增加(jiā)了設計成(chéng)本.基于上述2點(diǎn)原因(yīn),在設計(jì)水(shuǐ)平式金屬(shǔ)管浮子流量計的時(shí)候引入了(le)計算(suàn)流(liú)體力學(computationalfluiddynamics,cfd)技術(shù)4),對浮子流量傳感器(qì)流場進行(háng)數值仿(páng)真(zhēn)，通過(guò)對仿(páng)真及實驗(yàn)數據進行比較(jiào)來評(píng)價初(chū)樣設(shè)計，優化流量傳感器的結構參(cān)數,使(shǐ)流(liú)量傳感器的設計更加(jiā)正确,提高了設計效率.
1水平式(shì)金屬管浮(fú)子流(liú)量計的(de)原理
1.1檢(jiǎn)測原理
　　水(shuǐ)平式(shì)金屬管浮子流(liú)量計的(de)檢(jiǎn)測原理(見圖1)與傳統(tǒng)的金(jīn)屬管(guǎn)浮子(zǐ)流量(liàng)計(jì)相同,其(qí)體積流量(liàng)：
 
　　式(shì)中:qv爲浮子(zǐ)流(liú)量計(jì)的體積(jī)流量;α爲流量(liàng)系數(shù);h爲浮子在錐(zhuī)管中的垂直(zhí)位置;φ爲錐形管錐半角;af爲(wèi)浮子體(tǐ)積;ρf爲浮(fú)子材料密(mì)度;ρ爲流體(tǐ)密(mì)度;a爲浮(fú)子垂直于流向的最大截(jié)面積(jī);d0爲浮(fú)子(zǐ)最大迎(yíng)流面(miàn)的直徑;dh爲(wèi)浮子(zǐ)平衡(héng)在h高度時(shí)錐(zhuī)形管的(de)直徑(jìng);df爲浮(fú)子最(zuì)大直(zhí)徑.
 
　　在式(1)中(zhōng)，流(liú)量系(xì)數α是(shì)一個受很(hěn)多因(yīn)素影響的(de)變量(liàng)，難以給出(chū)一個(gè)确切的數(shù)值，而且對于本(běn)文研(yán)究設計的(de)水平式金屬管(guǎn)浮子(zǐ)流量計,由于其(qí)結構的特殊性,在錐(zhuī)管的(de)上遊保證不了5倍管(guǎn)徑以(yǐ)上長(zhǎng)度的(de)直(zhí)管段,造成流(liú)場畸變,因此利用式(shì)(1)計算(suàn)流量(liàng)将會與實際的流量值存(cún)在一定的(de)偏差(chà),所以(yǐ)更有必要(yào)利用(yòng)數值(zhí)仿真(zhēn)的方法來(lái)保證(zhèng)設計流(liú)量(liàng)的準(zhǔn)确性.
1.2設(shè)計(jì)要求
　　所研(yán)究(jiū)的(de)水平(píng)式金屬(shǔ)管浮子流量計,測量介質爲20℃的水，口徑(jìng)爲dn50,設(shè)計要求流(liú)量測量範(fàn)圍1~10m³/h,量(liàng)程(chéng)比爲10:1,浮(fú)子行(háng)程50mm,其流量(liàng)系數(shù)的經驗(yàn)值(zhí)爲0.9~1.0.水(shuǐ)平式金屬管浮(fú)子流(liú)量計(jì)剖面(miàn)圖如圖2所(suǒ)示。
 
2數(shù)值仿(páng)真
2.1模(mó)型建立
　　爲了研(yán)究該水平式金(jīn)屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計達到上限(xiàn)流量時的性質,建(jiàn)立浮子(zǐ)位(wèi)于41mm高處的(de)流量傳感器(qì)三維流場模(mó)型,如(rú)圖3所(suǒ)示.
 
　　該(gāi)模型(xíng)利用cambit軟件(jiàn)建立.gambit軟件是面向cfd的(de)專業(yè)前處(chù)理器軟(ruǎn)件,它包(bāo)含全面的幾何(hé)建模能力.
2.2網格劃分及邊(biān)界設(shè)定
　　gambit除(chú)了強大的(de)建模(mó)能力外,也(yě)是功(gōng)能強大，的(de)網格劃(huà)分(fèn)工具(jù).針對(duì)傳(chuán)感器的(de)流場模型(xíng),選擇三角形-四面體(tǐ)網格來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格化(huà)分.圖(tú)4爲水平式浮子流量計浮(fú)子位于41mm高時的軸向(xiàng)網格(gé)剖分圖.
　　在進(jìn)行(háng)邊界的設定過程中設定速度(dù)入口,壓力出口,并(bìng)将(jiāng)導杆(gǎn)壁面(miàn)設定爲(wèi)float.wall1,浮(fú)子壁(bì)面設定爲float.wall2,除浮(fú)子組(zǔ)件、錐管組(zǔ)件和導向環外(wài)的(de)空(kōng)間設(shè)定爲(wèi)fluid..
 
2.3仿真(zhēn)計算(suàn)條件(jiàn)
　　本文(wén)采用(yòng)fluent軟件對流(liú)量傳感器(qì)内部流場進行(háng)仿真(zhēn).針對(duì)各種(zhǒng)複雜流動的(de)物理現象,fluent軟(ruǎn)件采用不同(tóng)的離散格式和數(shù)值方(fāng)法,以期(qī)在特定(dìng)的領域内(nèi)使計(jì)算速(sù)度、穩(wěn)定性(xìng)和精度(dù)等方面(miàn)達到好的(de)組合,從而(ér)高(gāo)效率地(dì)解決各個領域(yù)的複雜流(liú)動計算問題(tí).
　　模型建好以後(hòu)輸(shū)出.msh文(wén)件,在fluent中(zhōng)讀入網(wǎng)格文件.fluent中相應計算(suàn)條件(jiàn)如表(biǎo)1所示(shì).
　　其(qí)中(zhōng)流體(tǐ)介質(zhì)的(de)屬性爲密度998.2kg/m³,動力黏度(dù)0.001003pa·s,定壓比(bǐ)熱(rè)4182j/kg·k,熱導率0.6w/m·k.水平式金屬(shǔ)管浮(fú)子(zǐ)流(liú)量計内部流場是高(gāo)雷諾(nuò)數(shù)完(wán)全發展湍(tuān)流流動,所(suǒ)以采(cǎi)用湍流模式理論提供的标準k-ε模型(xíng)來計(jì)算。
　　金(jīn)屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計内(nèi)表面(miàn)的材(cái)料(liào)是不鏽(xiù)鋼,設定(dìng)粗糙常(cháng)數c_k_s=1,粗糙高度k_s=0.04.速(sù)度人口采(cǎi)用的(de)是平均速度.出(chū)入口的湍(tuān)流參數爲
 
 
2.4計(jì)算(suàn)精度的控制
　　利用浮(fú)子組件受(shòu)力平(píng)衡來控制計算精度(dù).在flu-ent的受力(lì)分析報告(gào)中會(huì)提供指(zhǐ)定壁面(miàn)所受(shòu)到的淨壓(yā)力f,和黏性(xìng)摩(mó)擦(cā)力fm以及這(zhè)2個力的合(hé)力(lì)ff這(zhè)3個力(lì)遵循公式(shì)
 
　　這裏(lǐ)設(shè)定(dìng)當(dāng)浮子受(shòu)力平衡(héng)度|efi<5%時,認(rèn)爲浮子受力達(dá)到平衡(héng),此(cǐ)時停(tíng)止計算.
3仿(páng)真結果及實(shí)驗(yàn)結果(guǒ)分析
　　通(tōng)過改變流量系數(shù)來改變流(liú)量值,進而(ér)調整入口及出口條件來使浮(fú)子組件達(dá)到受(shòu)力平衡.經典的(de)流量(liàng)系數在0.9~1.0之(zhī)間,選(xuǎn)取包括邊(biān)界值在(zài)内的5個(gè)流量系(xì)數(shù)來進(jìn)行數(shù)值仿真,得到5組(zǔ)仿(páng)真數據(jù).在下(xià)面(miàn)的分析(xī)中給(gěi)出第5組數(shù)據,亦即(jí)當浮(fú)子受力達到(dào)平衡(héng)時的壓力場和(hé)速度場(chǎng)分(fèn)布情況(見圖5和圖6)..
 
3.1壓(yā)力場(chǎng)分析(xī)
　　圖5爲(wèi)叠代收斂(liǎn)後流量傳感器壓力(lì)場等勢(shì)圖(tú)和壓(yā)力分(fèn)布圖(tú),左邊(biān)光柱(zhù)從上(shàng)至下表示壓強(qiáng)從大到小，據圖5分析(xī)如下:
(1)傳感器流(liú)場上遊的(de)壓強大于下遊的壓(yā)強;
(2)浮子最(zuì)大直(zhí)徑處下遊壓強(qiáng)最小;
(3)浮子最大(dà)直徑處(chù),流(liú)場壓(yā)強變化梯(tī)度最大;
(4)最大壓強在(zài)内直(zhí)管(guǎn)垂直段(duàn)的底(dǐ)部;
(5)浮子最大直徑處上下(xià)兩部(bù)分形成(chéng)很(hěn)大的壓(yā)差,這是使浮(fú)子穩定在(zài)這一高度的主(zhǔ)要作(zuò)用(yòng)力(lì);
(6)浮子(zǐ)底部左右壓力(lì)不對稱，這(zhè)種不(bú)對稱現象的存(cún)在使(shǐ)得流(liú)量比(bǐ)較大時浮子會出現(xiàn)振動.
3.2速度(dù)場分析
　　圖(tú)6爲叠(dié)代收斂(liǎn)後傳感器速度(dù)場(chǎng)等勢(shì)圖和矢量圖.圖(tú)中左邊光柱從(cóng)上至下表示速度由大(dà)至小.由圖6.分(fèn)析如(rú)下:
(1)據顔色分辨出環(huán)隙流通面積最(zuì)小處(chù)及下(xià)遊靠近錐管(guǎn)壁的流場速(sù)度最大,前(qián)者是流通面積(jī)減小導緻速度增大(dà),後者則是(shì)因爲(wèi)流場方向(xiàng)的改(gǎi)變引起的,特别是(shì)此處可(kě)能産生漩渦,導(dǎo)緻有效流通面積減(jiǎn)小,流體被擠向管壁,使得(dé)此處速度增大(dà);
(2)流場下(xià)遊,外直(zhí)管左下(xià)角速度(dù)較小,主要是因(yīn)爲流場的出口(kǒu)在(zài)右(yòu)邊，由于出(chū)口壓(yā)力小，流(liú)體(tǐ)流動都趨向出(chū)口;.
(3)浮(fú)子(zǐ)的(de)最小截面(miàn)處,流場速度存在較大的(de)變化.
3.3浮子組(zǔ)件(jiàn)受力(lì)定k分(fèn)析
　　根據設計初(chū)樣給(gěi)出的浮子材料(liào)及尺寸結構,可(kě)得浮(fú)子(zǐ)重(zhòng)力爲(wèi)5.97n.從fluent的受力(lì)報告(gào)中可(kě)以得到表(biǎo)2所示數據.
 
3.4物理實驗(yàn)及結果分(fèn)析
　　爲了進(jìn)一步(bù)驗證傳感器流(liú)場仿真結果,需要進(jìn)行.物理實(shí)驗.按照設(shè)計圖紙加(jiā)工設(shè)計模(mó)型,加工完後,配上流(liú)量顯(xiǎn)示儀(yí)表,在(zài)标(biāo)準裝置(zhì)上進行實驗.實(shí)驗利用(yòng)标準(zhǔn)表(biǎo)法,标(biāo)準表選擇(zé)電磁(cí)流量計(精(jīng)度0.2級(jí)).結合仿真流(liú)量數(shù)據、物理(lǐ)實驗數(shù)據進行(háng)比較可以得到(dào)表3.
 
4dn80水平式金屬(shǔ)管浮子流量計(jì)流量(liàng)傳感器結(jié)構的優化及仿(páng)真
　　由(yóu)上述對dn50水(shuǐ)平式金屬(shǔ)管浮子流量傳感器三維湍流流場(chǎng)壓力場的分析(xī)可知浮子組件受力不(bú)平衡，物(wù)理實(shí)驗(yàn)也(yě)表明在(zài)大流量下會(huì)出現浮子振動的現象,這是由(yóu)于傳(chuán)感器流場發生了畸變.在(zài)這個口徑下浮(fú)子振動(dòng)不是很(hěn)明顯(xiǎn),流量計可(kě)以正常(cháng)工作.但(dàn)是在大流(liú)量下(xià),尤(yóu)其是在(zài)dn80及其(qí)以上(shàng)口徑(jìng)的流(liú)量計中(zhōng)浮(fú)子的(de)振動(dòng)現象(xiàng)已經(jīng)是一(yī)個(gè)不可忽(hū)略的問題.
　　從流(liú)場的(de)速度分布(bù)圖6可以(yǐ)看(kàn)出,浮子組件(jiàn)的右邊(biān)速度(dù)特别大,其(qí)原因有前流場(chǎng)引起(qǐ)的，也有後(hòu)流場的因素,由于傳感器(qì)的出口在右(yòu)邊(biān),所以(yǐ)流體有向(xiàng)右邊(biān)流的(de)趨(qū)勢.另外，由于浮子組件(jiàn)前直管段有個(gè)直角彎(wān),容易産生二(èr)次流,對浮(fú)子組件的(de)受力也有很大的影(yǐng)響.所以(yǐ),要減弱(ruò)振動,解決的根(gēn)本方法(fǎ)就是改(gǎi)變傳感器結構(gòu)參數,優化流場,使浮子左(zuǒ)右受(shòu)力差(chà)盡量(liàng)減小(xiǎo)。
根據上述分析(xī),下面對水(shuǐ)平式(shì)金屬(shǔ)管浮(fú)子流(liú)量傳感(gǎn)器的結構提(tí)出幾點優(yōu)化方案:
(1)加人整(zhěng)流器,消除或減(jiǎn)小旋渦的産生，同時調(diào)整流速(sù)的分(fèn)布狀(zhuàng)況;
(2)将前流場的直管(guǎn)連接改爲彎管(guǎn)連接,減少旋渦(wō)的産生,順滑流體的(de)流動,使傳(chuán)感器有(yǒu)比(bǐ)較平(píng)穩的(de)前流場;
(3)延(yán)長錐管前的垂(chuí)直直(zhí)管段,這也(yě)是爲(wèi)了使流體(tǐ)在通(tōng)過整流器(qì)後有比(bǐ)較長(zhǎng)的緩和(hé)段,使(shǐ)流場接近充分(fèn)發展的流(liú)速分布;
 
　　改(gǎi)進(jìn)結構後(hòu)的仿(páng)真結(jié)果如圖7和(hé)圖8所(suǒ)示，由圖可(kě)知:①改(gǎi)進(jìn)結構後(hòu)流場的壓(yā)力分(fèn)布得到改善,浮(fú)子組件受力接近平衡,但(dàn)是,由于整流器的引(yǐn)人,導(dǎo)緻了整流(liú)器前(qián)後壓差增(zēng)大,帶來比較大的壓損;②改進結構後流場的速度分(fèn)布比(bǐ)較均勻(yún),特别是使浮(fú)子組件(jiàn)周.圍沒(méi)有太(tài)大的(de)速度(dù)差,同(tóng)樣(yàng)由(yóu)于整(zhěng)流器(qì)的使(shǐ)用，也(yě)使(shǐ)浮子組(zǔ)件的前流(liú)場更加複(fú)雜.
 
　　通過物理實(shí)驗也證實(shí)了這幾種(zhǒng)優化(huà)方案可以有效的減(jiǎn)少浮子左(zuǒ)右(yòu)受力差(chà),穩定(dìng)浮子(zǐ),使流量(liàng)計(jì)在進(jìn)行大(dà)流量測量中也(yě)可以(yǐ)穩定(dìng)工作.
5結語
　　由上(shàng)述數(shù)據分析可知,對于浮子在(zài)41mm高處時的三維(wéi)湍流(liú)流場(chǎng)進行(háng)仿真可得到設(shè)計要(yào)求的(de)流量(liàng)上限(xiàn)值(zhí).此位置(zhì)處浮(fú)子受力平(píng)衡誤差絕(jué)對值(zhí)爲2.01%,傳(chuán)感器(qì)物理(lǐ)實驗獲得(dé)的示值刻(kè)度流量與通過(guò)湍流數值(zhí)模(mó)拟進(jìn)行流場(chǎng)仿真實(shí)驗獲(huò)得(dé)的仿真流量值(zhí)較爲(wèi)接(jiē)近(jìn),仿真(zhēn)流量誤差絕對值爲(wèi)0.70%.因此,浮子(zǐ)受力平(píng)衡度誤(wù)差法(fǎ)确定(dìng)仿真(zhēn)計算精度獲得(dé)了較爲理想的(de)效(xiào)果.
　　理(lǐ)論(lùn)分析(xī)和實驗研究表明,這種設(shè)計方法不僅(jǐn)可以進一步(bù)的理(lǐ)解流(liú)體流動的(de)機理(lǐ)和浮子流量計(jì)的測量原(yuán)理，而(ér)且使流量傳感(gǎn)器的(de)設計(jì)進一(yī)步得(dé)到(dào)優化,使(shǐ)流量測量的(de)靈(líng)敏度和精度得到明顯的(de)提高(gāo).此外,對(duì)流場的(de)數值仿真與實(shí)驗研(yán)究(jiū)也是分(fèn)析解決流量計(jì)其他問(wèn)題的一(yī)種有(yǒu)效方法.目(mù)前(qián)基(jī)于這種方(fāng)法設計的水平(píng)式金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計已成功應用(yòng)于(yú)工業現(xiàn)場(chǎng),現場反饋這(zhè)種流量計(jì)性能(néng)穩定,精度可靠(kào),具有廣闊的發(fā)展前景.

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