摘要:通過(guo)對适合安裝于(yu)水平管道的特(te)殊結構的水平(píng)安裝金屬管浮(fu)子流量計 三維(wei)湍流流場的數(shù)值仿真及實驗(yan)研究提出一種(zhong)基于計算🧡流體(tǐ)力學的流量傳(chuan)感器設計方法(fǎ)。流場仿真所需(xū)的模型采㊙️用GAMBIT來(lai)建立,通過FUNT軟件(jiàn)進行仿真,仿真(zhen)過程中利用受(shòu)力平衡控🧡制計(ji)算😍精度。數值仿(pang)真結果和☀️實驗(yàn)結果比較當浮(fu)子受力平衡度(dù)誤差🆚爲9.5%時,流量(liang)誤差爲0.944%,證實了(le)仿真結果的✍️準(zhun)确性,同時利用(yong)流場仿真信息(xī)對流量傳感器(qì)模型做了進--步(bu)的優化。
1引言
　　金(jīn)屬管式浮子流(liú)量計 是一種傳(chuan)統的差壓式流(liu)量計,爲了适應(yīng)部分管道的特(tè)殊☂️要求,本文設(she)計研究的浮子(zǐ)流量計是左進(jìn)右出型的🙇‍♀️,其測(ce)👉量原理與經典(dian)的豎直型浮子(zi)流量計相同,但(dan)它是⚽一種可以(yi)安裝于水平管(guǎn)道的特殊🌈結構(gòu)的浮子流量計(ji)。
　　一般對浮子流(liú)量計 的經典研(yán)究是根據伯努(nu)利方程進行的(de),在推導浮子流(liú)量🥰計流🔴量測量(liang)公式時忽略了(le)粘性應力項,而(ér)該項的作用實(shi)際上是存在的(de);傳統流量計的(de)設計要通過💔實(shí)驗來檢驗和修(xiu)正設計圖.紙,這(zhè)樣不僅延長了(le)設計周期而且(qie)增加了設計成(cheng)本。基🏃🏻于.上述兩(liǎng)點原因,在設計(ji)水平式安裝浮(fú)子流量✌️計時爲(wèi)了深🔞入了解浮(fú)子流量傳感器(qi)的工♌作機理,引(yin)入了㊙️計算流體(tǐ)力學☂️,即CFD2]技術,對(dui)傳感☂️器流場進(jin)行數值模拟,通(tōng)過對仿真及實(shí)驗結果進行分(fen)析來評價初樣(yang)設計,優化流量(liang)傳感器的結構(gòu)參數,使流量傳(chuán)感器的設💋計更(gèng)加精确,并提高(gao)了設計效率。
2水(shuǐ)平安裝金屬管(guan)浮子流量計 的(de)原理
2.1檢測原理(li)(圖1)

　　水平安(an)裝金屬管浮子(zi)流量計的檢測(ce)原理與傳[1]統🙇🏻的(de)金屬🌐管浮子流(liu)量計相同,其體(ti)積流量公式爲(wèi)

　　式中:Qv-體積流量(liàng);α-流量系數;h--浮子(zi)位置;φ-錐形管錐(zhuī)半角;Vf-浮子體積(ji);Qf-浮子材料密度(du);Q一流體密度;Af-浮(fú)子垂直于流向(xiàng)的最👨‍❤️‍👨大截面積(jī);D。一浮子最大迎(ying)流面的直徑;Dh-浮(fú)子平衡🐇在h高度(du)時錐形管的直(zhí)徑;df-浮子最大直(zhí)徑。
2.2模型建立及(ji)其設計要求
　　浮(fú)子流量計傳統(tǒng)的設計方法是(shi)建立在式(1)的基(ji)礎之.上,在該🔅方(fang)程中流量系數(shu)α是一個受很多(duo)因素影響的變(bian)量。對于本文所(suo)研☂️究的水平式(shì)安裝浮子流✂️量(liàng)計,測量介質爲(wèi)20℃的水,設計要求(qiu)流量測量範圍(wei)1~10m3/h,量程比爲10:1,行程(chéng)50mm,其流量系數x的(de)經驗值爲0.9~10。浮🌏子(zi)位于41mm高處的傳(chuan)感器三維流場(chang)模型如圖2所示(shi)。
2．3計算精度的控(kòng)制
　　利用浮子組(zǔ)件受力平衡來(lái)控制計算精度(dù)。在FLUNT的受力分析(xī)報告⛱️中會提供(gòng)指定壁面所受(shou)到的淨壓力Fy↑和(he)粘性摩擦力Fm↑以(yi)及㊙️這兩個力的(de)合力Fr↑。這三個力(lì)遵循下面🏃‍♀️的公(gong)式:

這(zhè)裏設定當浮子(zi)受力平衡度|Ef|<10%時(shi)，認爲浮子受力(li)達到平衡,此時(shí)停止計算。
3數值(zhí)仿真
3.1網格劃分(fèn)及邊界設定
　　針(zhen)對傳感器的流(liu)場模型,選擇三(san)角形四面體網(wǎng)格來🏃🏻‍♂️進行網格(gé)劃分。如圖3所示(shì)爲水平式浮子(zǐ)流量計浮子😍位(wei)于41mm高時👣的軸向(xiàng)網格剖分圖。
　　在(zài)進行邊界的設(shè)定過程中設定(ding)速度入口、壓力(li)出口,并⛷️将💯導杆(gan)壁面設定爲floatwalll,浮(fu)子壁面設定爲(wèi)floatwall2,除浮子組件和(hé)導🤩向環外的空(kōng)間設定爲fluid。
3.2FLUNT計算(suan)條件
模型建好(hǎo)以後輸出.msh文件(jian),利用FLUNT進行仿真(zhēn),FLUNT中相應計算條(tiao)件如表1所示。
　　其(qi)中流體介質的(de)屬性:密度998.2kg/m2,粘度(dù)0.001003kg/ms,定壓比熱4182J/kg.K,熱導(dǎo)率0.6W/m.k.速度入口采(cǎi)用的是平均速(sù)度,針對浮子位(wei)于41mm高的模型計(jì)算達到平衡時(shi)的入口條件,如(ru)表2所示。

3.3仿真(zhen)過程
　　水平式浮(fu)子流量計三維(wéi)流場的仿真過(guò)程如圖4所示。該(gāi)✍️過程需要解釋(shi)的幾點如下所(suǒ)示:
(1)因每個模型(xing)入口流速的準(zhǔn)确值未知,是根(gēn)據經典流量公(gōng)式計算的一一(yi)個假設的流量(liàng),因此仿真最終(zhong)結束的判斷依(yi)據爲浮子受力(li)平衡的程度,即(ji)通過檢查仿真(zhen)結果,對浮子進(jin)行受力分析,距(jù)離受力平衡點(dian)誤😄差小于10%時,認(ren)爲達到❓計算精(jīng)度,仿真計算💃結(jié)束。當誤差大于(yú)10%,首先考慮改進(jìn)該模型的網格(ge)精度,如圖4中的(de)左側方案1;當網(wang)格精度改進到(dào)一定程度後誤(wu)差仍大于10%,可修(xiu)正入口條件.(主(zhu)要指入口流速(sù),其餘條件可相(xiang)應🐕計算調整),如(ru)圖4中♋的右側方(fāng)案2,直到滿足㊙️計(jì)算精度。
(2)利用SMPLE算(suan)法計算時,每次(ci)計算叠代次數(shu)爲500次,當不足500次(cì)SMPLE算🌈法就已🧑🏾‍🤝‍🧑🏼經達(dá)到收斂精度(10“)時(shi),程序自動結束(shù),此時可檢查計(jì)算結果;當叠代(dai)次數大于500次仍(réng)未收斂⛱️時,停止(zhi)♋計算,此時需重(zhòng)新檢查網格狀(zhuàng)況和邊界設定(ding),進行網🔅格的合(he)理剖分和邊界(jiè)的合理設定。實(shí)踐證明,網格布(bu)置的恰當與否(fǒu)會直接影響收(shou)斂速度和收斂(lian)結果🔞,不⛹🏻‍♀️合理的(de)網格布🌍置将導(dao)緻計算發散或(huò)者結果不正确(què)。

(3)叠代前首先打(da)開監視器,監視(shì)X.Y、Z三個方向的流(liu)速以及k方程和(he)c方✏️程的收斂狀(zhuang)況,實踐證明,即(jí)使未達到預計(ji)的叠代次數,若(ruò)🔱在監視器中已(yi)出現明顯的發(fā)散現象,可強行(hang)中止本次計算(suàn)。
4仿真結果及實(shi)驗結果分析
4.1壓(ya)力場分析(圖5.圖(tu)6)
　　比較壓力的絕(jué)對值可以看到(dào):浮子底部左右(you)壓力不對♋稱,這(zhè)種❌不對稱現象(xiang)的存在使得流(liú)量比較大時浮(fu)子會出現抖動(dòng)⭐。
4.2速度場分析(圖(tú)7.圖8)
據圖分析如(ru)下:
(1)據顔色分辨(bian)出環隙流通面(miàn)積最小處及下(xia)遊靠近錐管壁(bi)的🌈流場速度最(zui)大,前者是流通(tong)面積減小導♍緻(zhi)速度增大,後❤️者(zhě)則是因爲流場(chǎng)方向的改變而(er)引起的,特别是(shi)此♍處可能産生(sheng)旋📞渦,導緻有效(xiao)流通面積減小(xiao),流體被擠向管(guǎn)壁,使得此處速(sù)度增大。
(2)流場下(xia)遊,外直管左下(xià)角速度較小,主(zhu)要是.因爲流❄️場(chǎng)的出⭐口在右邊(biān),由于出口壓力(li)小,流體流動都(dōu)趨向出口。
(3)浮子(zi)的最小截面處(chu),流場速度存在(zài)較大的變化。

4.3浮(fú)子受力定量分(fen)析
　　從FLUNT的受力報(bào)告中可以得到(dao)如表3所示數據(ju),根據設計初樣(yàng)給出的浮子材(cai)料及尺寸結構(gòu),可得浮子重力(lì)爲🐪5.995146N。根據仿真結(jié)果,浮子🐇在Z方向(xiàng)上的合力爲5.4253127N。根(gēn)據受力平衡度(du)誤差分析公式(shì)可得，1E,|=9.5%，小于設定(ding)值10%,認爲浮子受(shòu)力達到平衡✔️。

4.4物(wu)理實驗及結果(guo)分析
　　爲了進一(yi)步驗證傳感器(qi)流場仿真結果(guo),需要進行🚩物理(li)實驗。按照設計(ji)圖紙加工設計(jì)模型,加工完後(hòu),配上流量顯示(shì)儀表,在标準裝(zhuāng)置上進行标定(ding)。标定🆚方法利用(yong)标準表法,标準(zhǔn)表選擇渦輪流(liú)量計(精度0.5級)。結(jie)合仿真流量數(shù)據、物理實驗數(shu)據與根據浮子(zi)🍓流量經典測量(liang)公式得到的設(shè)計流量數據進(jìn)行比較可以得(dé)到表🐆4。

5大流量下(xià)流量傳感器結(jié)構的優化及改(gai)進結構後的仿(páng)真
　　由上述對壓(yā)力場的分析可(kě)知浮子組件受(shou)力不平⛷️衡,物💯理(li)實驗也表明在(zài)大流量下會出(chu)現流量計振動(dòng)的現象,這是由(you)于傳感器流場(chang)出現了變化。從(cóng)流場的速度分(fen)布圖可以看出(chu),浮子組件的右(yòu)邊速度特别大(dà),其原因有前流(liú)場引起🍓的,也有(you)後流場的因素(su),由于傳感器的(de)出口在右邊,所(suǒ)以流📱體有向右(you)邊流的趨勢。另(lìng)外,由于浮子組(zǔ)件前直管段有(you)個直角彎,容易(yì)産生二次流,對(dui)浮子組件的🌈受(shou)力也有很大的(de)🏒影響。所以,要減(jian)弱振動,解決的(de)根本方法就是(shì)改變傳感器結(jié)構參數、優✔️化流(liu)場、使浮子左右(you)受🐕力差盡量減(jian)小。
根據上述分(fèn)析下面對水平(píng)式流量傳感器(qi)的結構❄️提🔅出幾(jǐ)🚩點優化方案:
(1)加(jia)入整流器,以消(xiao)除或減小旋渦(wō)的産生,同時調(diào)整流速的分布(bu)狀況。
(2)将前流場(chang)的直管連接改(gǎi)爲彎管連接,減(jiǎn)少旋渦的産生(sheng),順滑流體的流(liú)動,使傳感器有(yǒu)比較平穩的前(qián)流場。
(3)延長前直(zhí)管段。這裏提及(ji)的直管段指錐(zhuī)管前的垂直直(zhi)管♉段⭕,這也是爲(wei)了使流體在通(tōng)過整流器後有(yǒu)🈲比較長的緩和(he)段,使流場☂️接近(jìn)充分發展的流(liú)速分布。
改進結(jié)構後的仿真結(jie)果如圖9、10所示,據(ju)圖分析如下🌈:
（1）改(gǎi)進結構後流場(chang)的壓力分布得(dé)到改善,浮.子組(zǔ)件‼️受力接近平(píng)衡,但是,由于整(zheng)流器的引入,導(dǎo)緻了整💔流器前(qián)後壓差增大,帶(dài)來⛷️比較大的壓(yā)損。

(2)改進結構後(hòu)流場的速度分(fèn)布比較均勻,特(te)别是使浮子組(zǔ)✔️件周♻️圍沒有太(tài)大的速度差,同(tong)樣由于整流器(qi)的使用,也使浮(fú)子組件的前流(liu)場更加複雜。通(tong)過物理實驗也(yě)證實了這🏃‍♂️幾種(zhǒng)優化方案可以(yǐ)有效的減少浮(fú)子左右受力差(chà),穩定浮子。
6結論(lùn)
　　由上述數據分(fèn)析可知,對于浮(fú)子在41mm高處，時的(de)三維🌈湍流流場(chǎng)進行仿真可得(de)到設計要求的(de)流量上限值。此(cǐ)位置處浮子受(shòu)力平衡度誤差(chà)爲9.5%，傳感器物理(li)實驗獲得的示(shì)值刻度流量與(yu)通過湍流數值(zhi)模拟進行流場(chǎng)仿真實驗獲得(dé)的仿💘真流量值(zhí)較爲接近🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,仿真(zhēn)流量誤差爲0.944%。本(ben)文利👈用浮子受(shòu)力平衡度誤差(chà)法确定仿真計(jì)算精度獲得了(le)✉️較爲理想的效(xiào)果,即仿真過程(chéng)無需過分強調(diao)浮子受力平衡(heng)度誤差的減小(xiǎo),仿真流量誤差(cha)即可得到令人(ren)滿意的結果。
　　理(lǐ)論分析和實驗(yan)研究表明,這種(zhong)設計方法不僅(jǐn)可以🐕進一🏒步地(di)🚶理解流體流動(dòng)的機理和浮子(zi)流量計的測量(liang)原理,而🌈且使流(liu)量傳感器的設(shè)計進--步得到優(yōu)化,使流量測量(liang)的靈敏度和精(jing)确度㊙️得到明顯(xiǎn)的提高。此外,對(duì)流場的數值仿(pang)真與實驗研究(jiu)也是分析、解決(jué)流量計其它問(wèn)題的一-種有效(xiào)方法。目前基🥵于(yu)這種方法設計(ji)的水平式金屬(shu)管浮子流量計(jì)已經投入市場(chang)，現場，反饋這種(zhong)流量計性能穩(wen)定，精度可靠。

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