摘要(yao):利用基(ji)于計算(suàn)流體力(li)學的流(liu)量傳感(gǎn)器設計(jì)方✊法實(shi)現了對(dui)适合安(an)裝于水(shuǐ)平管道(dao)的特殊(shu)結構的(de)
金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計
三(sān)維湍流(liu)流場的(de)數值仿(páng)真研究(jiu).流場仿(páng)真所需(xū)的模型(xíng)采用CAMBIT軟(ruan)件建立(li),通過FLUNT軟(ruǎn)件進行(hang)仿真，仿(páng)真過程(cheng)中利用(yòng)受❗力平(ping)🧑🏽🤝🧑🏻衡來控(kong)制計算(suàn)精度.數(shu)值仿真(zhen)結果和(he)物理實(shí)驗結果(guo)比較,浮(fú)子受力(li)平衡🐇誤(wù)差絕對(duì)值🍉爲2.01%時(shi)，,流量誤(wù)差絕對(dui)值爲0.70%,證(zheng)實了仿(pang)真結果(guǒ)的正确(que)率.同時(shi),利用🥵流(liu)場仿真(zhēn)信息對(dui)流量傳(chuán)感器結(jie)構做了(le)進一步(bu)改👄進,解(jiě)決了水(shui)平式金(jin)屬管浮(fú)子流量(liàng)計
在大(da)流量下(xia)的浮子(zi)振動問(wen)題。
金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(ji)是一種(zhǒng)傳統的(de)變截面(miàn)流量計(jì)💞,具有結(jie)構簡單(dan)、工作可(kě)靠、壓力(lì)損失小(xiǎo)且穩定(dìng)、可測低(dī)流速介(jiè)質等諸(zhū)多💜優點(diǎn),廣泛應(ying)用于測(ce)量高溫(wēn)、高壓及(jí)腐蝕性(xìng)流體介(jiè)質🧑🏾🤝🧑🏼川,由(you)其測量(liàng)原理決(jué)定,它一(yi)般需豎(shu)直安裝(zhuang).但是☔,在(zai)某些特(te)定的工(gong)業應用(yòng)中,需要(yào)使用水(shui)平安裝(zhuāng)浮子流(liu)量計,其(qí)測量原(yuan)理雖與(yǔ)經典的(de)豎直型(xing)浮子流(liú)量計相(xiàng)同,但它(tā)卻是一(yi)種可以(yǐ)安裝于(yú)水平管(guan)道的特(te)殊結構(gou)的浮子(zi)流量計(jì).
一般對(duì)浮子流(liu)量計的(de)經典研(yan)究"是根(gēn)據伯努(nǔ)利方程(chéng)進🌐行的(de).該方程(cheng)要求流(liu)體運動(dòng)是恒定(ding)流、流體(tǐ)是✌️理想(xiang)流體(理(li)想流體(ti)是指🔆忽(hu)略了黏(nián)滞性的(de)流體)且(qiě)🔆是不.可(kě)壓縮均(jun1)質流體(ti),但是浮(fú)子流量(liang)計中流(liu)過的流(liu)體并不(bú)嚴格滿(mǎn)足這3個(ge)條件,而(er)且傳統(tǒng)流量計(ji)的㊙️設計(jì)要通過(guo)😄實驗來(lai)檢驗和(hé)修正設(shè)計❗圖紙(zhǐ),這樣不(bu)僅延長(zhang)了設計(jì)☎️周期,還(hái)增加了(le)設計成(cheng)本.基于(yu)上述🔴2點(diǎn)原因,在(zai)設計水(shui)平式金(jīn)屬管浮(fu)子流量(liang)計的時(shi)候引✨入(rù)了計算(suàn)流體力(li)🐆學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)4),對浮子(zǐ)流量傳(chuan)感器流(liú)場進行(hang)數值仿(páng)真，通過(guò)對仿真(zhēn)及實驗(yàn)數據進(jìn)行比較(jiao)來評價(jià)初樣設(she)計，優化(hua)☎️流量傳(chuán)感器的(de)結構參(can)數,使流(liú)量傳感(gan)器的設(she)計更🧡加(jiā)🎯正确,提(tí)高了設(she)計效率(lǜ)🌈.
1水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)原理
1.1檢(jiǎn)測原理(lǐ)
水平式(shì)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計的(de)檢測原(yuan)理(見圖(tu)1)與傳♻️統(tong)的金屬(shu)管🤞浮子(zi)流量計(ji)相同,其(qi)體積流(liú)量：
式中(zhong):qv爲浮子(zǐ)流量計(ji)的體積(jī)流量;α爲(wei)流量系(xi)數;h爲浮(fu)子在錐(zhuī)管中🤟的(de)垂直位(wèi)置;φ爲錐(zhui)形管錐(zhuī)半角;Af爲(wèi)浮子體(ti)積;ρf爲浮(fu)子材料(liao)密‼️度;ρ爲(wei)流體密(mi)度;A爲浮(fu)子垂直(zhi)于流向(xiang)的最大(dà)截🤟面積(jī);D0爲浮子(zǐ)最大迎(ying)流面的(de)直徑;Dh爲(wèi)浮子平(píng)衡在h高(gao)度時錐(zhui)形管的(de)㊙️直徑;df爲(wèi)浮子最(zui)大直徑(jìng).
在式(1)中(zhong)，流量系(xì)數α是一(yī)個受很(hen)多因素(sù)影響的(de)變量，難(nán)😍以給出(chu)一個确(què)切的數(shu)值，而且(qie)對于本(ben)文研究(jiū)設計的(de)水平式(shi)金屬管(guǎn)🌐浮子流(liú)量計,由(you)于其結(jié)構的特(te)殊性,在(zài)錐管的(de)上遊保(bao)證不了(le)5倍管徑(jing)以上長(zhǎng)度的直(zhí)管段,造(zao)成流場(chǎng)畸變,因(yīn)此利用(yong)式(1)計算(suàn)流量将(jiāng)會與實(shi)際的流(liu)量值存(cun)在一👣定(ding)的偏差(cha),所以更(gèng)有必要(yào)利用數(shù)值仿真(zhēn)的方法(fǎ)來保證(zhèng)設計流(liú)量的準(zhǔn)确性.
1.2設(she)計要求(qiu)
所研究(jiū)的水平(píng)式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji),測量介(jiè)質爲20℃的(de)水，口徑(jing)✌️爲♊DN50,設計(jì)要求流(liú)量測量(liàng)範圍1~10m³/h,量(liàng)程比爲(wèi)10:1,浮子行(hang)程50mm,其流(liu)量系數(shù)的經驗(yan)值爲0.9~1.0.水(shui)平式金(jin)屬管浮(fú)子流量(liang)計剖面(mian)圖如圖(tú)2所示。
2數值(zhi)仿真
2.1模(mó)型建立(lì)
爲了研(yan)究該水(shui)平式金(jīn)屬管浮(fu)子流量(liang)計達到(dào)上限流(liu)量時的(de)性☀️質,建(jian)立浮子(zi)位于41mm高(gao)處的流(liu)量傳感(gǎn)器三維(wei)流場模(mo)型,如圖(tu)💃🏻3所示.
該(gai)模型利(li)用CAMBIT軟件(jiàn)建立.GAMBIT軟(ruan)件是面(mian)向CFD的專(zhuan)業前處(chù)理器軟(ruan)件,它❤️包(bāo)含全面(miàn)的幾何(hé)建模能(neng)力.
2.2網格(gé)劃分及(ji)邊界設(she)定
GAMBIT除了(le)強大的(de)建模能(néng)力外,也(yě)是功能(neng)強大，的(de)網格劃(hua)分工具(ju).針⭕對傳(chuan)感器的(de)流場模(mo)型,選擇(ze)三角形(xíng)-四面體(ti)網格來(lái)❓進行網(wǎng)格🐆化分(fèn).圖4爲水(shuǐ)平式浮(fu)子流量(liang)計浮子(zǐ)位于41mm高(gao)時的軸(zhou)向網格(gé)剖分圖(tú).
在進行(hang)邊界的(de)設定過(guo)程中設(shè)定速度(du)入口,壓(ya)力出㊙️口(kǒu),并♋将導(dǎo)杆壁面(mian)設定爲(wei)float.wall1,浮子壁(bì)面設定(ding)爲float.wall2,除浮(fú)子組件(jiàn)、錐管組(zǔ)件和導(dao)向環外(wài)的空間(jian)設定爲(wèi)fluid..
2.3仿真計(ji)算條件(jiàn)
本文采(cai)用FLUENT軟件(jiàn)對流量(liang)傳感器(qì)内部流(liú)場進行(hang)仿真.針(zhen)對各種(zhong)複雜流(liú)動的物(wu)理現象(xiang),FLUENT軟件采(cai)用不同(tong)的離散(san)格式和(he)數值方(fāng)💋法,以期(qī)在特定(dìng)的領域(yu)内使計(jì)算速度(du)💜、穩定性(xìng)和精度(du)等方面(miàn)達到好(hao)🌐的組合(he),從而高(gao)效率地(dì)解決各(ge)個🏃♀️領域(yu)的複🐉雜(za)流動計(jì)算問題(ti).
模型建(jian)好以後(hou)輸出.msh文(wén)件,在FLUENT中(zhong)讀入網(wang)格文件(jiàn).FLUENT中相♻️應(ying)計🏃算條(tiáo)件☁️如表(biǎo)1所示.
其(qí)中流體(tǐ)介質的(de)屬性爲(wei)密度998.2kg/m³,動(dòng)力黏度(dù)0.001003Pa·s,定壓比(bǐ)熱4182J/kg·K,熱導(dǎo)🔴率☁️0.6W/m·K.水⭕平(píng)🔆式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì)内部流(liú)場是高(gao)雷諾數(shu)完♈全發(fā)展湍流(liú)流動,所(suǒ)以采用(yong)湍流模(mo)式理論(lùn)提供的(de)标準K-ε模(mo)型來計(jì)算。
金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(ji)内表面(miàn)的材料(liao)是不鏽(xiu)鋼,設定(ding)♌粗糙常(cháng)㊙️數C_K_s=1,粗糙(cao)高度K_s=0.04.速(su)度人口(kǒu)采用的(de)是平均(jun1)速度.出(chu)入口的(de)湍流參(cān)數爲
2.4計(ji)算精度(dù)的控制(zhi)
利用浮(fú)子組件(jian)受力平(ping)衡來控(kong)制計算(suàn)精度.在(zai)FLU-ENT的受力(li)分析報(bào)🌈告中會(huì)提供指(zhǐ)定壁面(mian)所受到(dao)的淨壓(yā)力💃🏻F,和黏(nian)性摩擦(cā)力Fm以及(ji)這2個力(li)的合力(li)Ff這3個力(li)遵循公(gong)式
這裏(lǐ)設定當(dāng)浮子受(shòu)力平衡(heng)度|EfI<5%時,認(ren)爲浮子(zǐ)受力達(da)🍓到平衡(heng),此時停(ting)止計算(suàn).
3仿真結(jié)果及實(shí)驗結果(guǒ)分析
通(tōng)過改變(biàn)流量系(xì)數來改(gai)變流量(liang)值,進而(ér)調整入(ru)口❤️及🌍出(chū)口條件(jian)來使浮(fú)子組件(jian)達到受(shòu)力平衡(heng).經典的(de)流量系(xì)數🔞在0.9~1.0之(zhi)間,選取(qu)包括邊(biān)界值在(zai)内的5個(ge)流量系(xì)數來進(jìn)行數值(zhi)仿真㊙️,得(dé)到5組仿(páng)真數據(jù).在下面(mian)的分析(xī)中給出(chu)第5組數(shù)據,亦即(jí)當浮子(zi)受力達(da)到平衡(héng)🌂時的壓(yā)力場和(he)速度場(chǎng)分布情(qing)況(見圖(tú)5和圖6)..
3.1壓(yā)力場分(fèn)析
圖5爲(wei)叠代收(shou)斂後流(liú)量傳感(gan)器壓力(lì)場等勢(shì)圖和壓(ya)力分布(bu)圖,左邊(biān)光柱從(cong)上至下(xia)表示壓(yā)強從大(da)到小，據(jù)圖5分析(xi)如下:
(1)傳(chuan)感器流(liu)場上遊(you)的壓強(qiáng)大于下(xià)遊的壓(yā)強;
(2)浮子(zǐ)最大直(zhi)徑處下(xià)遊壓強(qiang)最小;
(3)浮(fu)子最大(da)直徑處(chu),流場壓(ya)強變化(huà)梯度最(zui)大;
(4)最大(da)壓強在(zài)内直管(guǎn)垂直段(duan)的底部(bù);
(5)浮子最(zui)大直徑(jìng)處上下(xià)兩部分(fèn)形成很(hen)大的壓(yā)差,這是(shì)使浮🙇♀️子(zi)👈穩定在(zai)這一高(gāo)度的主(zhu)要作用(yòng)力;
(6)浮子(zǐ)底部左(zuǒ)右壓力(li)不對稱(cheng)，這種不(bú)對稱現(xian)象的存(cún)✍️在使得(dé)流‼️量比(bi)較大時(shi)浮子會(huì)出現振(zhèn)動.
3.2速度(du)場分析(xī)
圖6爲叠(die)代收斂(liǎn)後傳感(gǎn)器速度(du)場等勢(shi)圖和矢(shǐ)量圖.圖(tú)中左邊(biān)🈲光柱從(cong)上至下(xia)表示速(sù)度由大(dà)至小.由(yóu)圖✌️6.分析(xi)如下:
(1)據(jù)顔色分(fen)辨出環(huan)隙流通(tōng)面積最(zuì)小處及(ji)下遊靠(kào)近錐管(guan)🙇♀️壁的🧑🏾🤝🧑🏼流(liu)場速度(dù)最大,前(qián)者是流(liu)通面積(ji)減小導(dao)緻速度(du)增大,後(hou)者則是(shi)因爲流(liu)場方向(xiang)的改變(bian)引起的(de),特别🍓是(shi)此處可(kě)能産生(sheng)漩渦,導(dǎo)緻有效(xiao)流通面(miàn)積減小(xiǎo),流體被(bei)擠向管(guan)壁,使得(dé)此處速(sù)度增大(dà);
(2)流場下(xia)遊,外直(zhi)管左下(xia)角速度(du)較小,主(zhu)要是因(yin)爲流場(chang)👨❤️👨的出口(kǒu)在右邊(bian)，由于出(chu)口壓力(lì)小，流體(tǐ)流動都(dou)趨向出(chū)口;.
(3)浮子(zi)的最小(xiǎo)截面處(chu),流場速(sù)度存在(zai)較大的(de)變化.
3.3浮(fu)子組件(jiàn)受力定(ding)k分析
根(gen)據設計(jì)初樣給(gěi)出的浮(fu)子材料(liào)及尺寸(cun)結構,可(ke)得浮子(zi)重力爲(wèi)5.97N.從FLUENT的受(shòu)力報告(gào)中可以(yǐ)得到表(biǎo)2所示數(shu)據.
3.4物理(li)實驗及(jí)結果分(fèn)析
爲了(le)進一步(bu)驗證傳(chuán)感器流(liu)場仿真(zhēn)結果,需(xū)要進行(háng).物理實(shí)驗.按🏃照(zhào)設計圖(tú)紙加工(gōng)設計模(mo)型,加工(gōng)完後,配(pèi)上流量(liang)顯示儀(yí)表🎯,在标(biao)準裝置(zhi)上進行(háng)實驗.實(shi)驗利用(yòng)标準表(biao)法,标準(zhun)表選擇(ze)電🔆磁流(liú)量計(精(jīng)度0.2級).結(jie)合仿真(zhen)流量數(shu)據、物❓理(li)實驗數(shù)據進行(hang)比較可(kě)以得到(dao)表3.
4DN80水平(ping)式金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(ji)流量傳(chuan)感器結(jié)構的優(yōu)化及仿(pang)真
由上(shàng)述對DN50水(shuǐ)平式金(jin)屬管浮(fú)子流量(liàng)傳感器(qi)三維湍(tuān)流流場(chǎng)壓力場(chǎng)的分析(xī)可知浮(fu)子組件(jiàn)受力不(bu)平衡，物(wù)理實驗(yan)也表明(ming)在大流(liu)量下會(huì)出現浮(fú)子振動(dong)的現象(xiang),這是由(yóu)于傳感(gan)器流場(chǎng)發生了(le)畸變.在(zai)這個口(kǒu)徑下浮(fú)子振動(dong)不是☔很(hen)明顯,流(liú)量計可(ke)以正常(chang)工作.但(dàn)是在大(da)流量下(xia),尤其是(shì)在DN80及其(qí)以上口(kǒu)徑的流(liú)量計中(zhōng)浮子的(de)振動現(xiàn)象已經(jing)是一個(ge)不可忽(hu)略⛷️的問(wèn)題.
從流(liu)場的速(sù)度分布(bù)圖6可以(yǐ)看出,浮(fu)子組件(jian)的右邊(biān)速度特(te)别大😍,其(qí)原因有(yǒu)前流場(chǎng)引起的(de)，也有後(hou)流場的(de)因素,由(yóu)🚶♀️于傳感(gǎn)器🏃♂️的出(chu)🤟口在右(you)邊,所以(yǐ)流體有(you)向右邊(bian)流的趨(qū)勢.另外(wai)，由于浮(fu)子組件(jiàn)前📧直管(guan)段有個(gè)直角彎(wan),容易産(chan)生二次(cì)流,對浮(fú)子組件(jiàn)的受力(lì)也有很(hěn)大的影(yǐng)響🤩.所以(yǐ),要減弱(ruò)🏃振動,解(jiě)決的根(gēn)本方法(fǎ)就是改(gǎi)變傳感(gǎn)器結構(gou)參數,優(you)化流場(chang),使浮子(zi)左右受(shòu)力差盡(jin)量👅減小(xiao)。
根據上(shang)述分析(xi),下面對(dui)水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量傳感(gan)器♉的結(jié)構提出(chu)幾點優(you)化方案(an):
(1)加人整(zhěng)流器,消(xiāo)除或減(jiǎn)小旋渦(wō)的産生(shēng)，同時調(diào)整流速(sù)的分布(bu)狀況;
(2)将(jiāng)前流場(chǎng)的直管(guan)連接改(gai)爲彎管(guan)連接,減(jiǎn)少旋渦(wō)的産♈生(shēng)🈲,順滑流(liu)體的流(liú)動,使傳(chuan)感器有(yǒu)比較平(píng)穩的前(qian)❄️流場;
(3)延(yan)長錐管(guan)前的垂(chui)直直管(guǎn)段,這也(yě)是爲了(le)使流體(ti)在通🈚過(guò)整流器(qi)🔆後有比(bǐ)較長的(de)緩和段(duan),使流場(chang)接近充(chong)分發展(zhǎn)的流速(sù)☀️分布;
改(gai)進結構(gou)後的仿(páng)真結果(guo)如圖7和(he)圖8所示(shì)，由圖可(kě)知:①改進(jin)結構✍️後(hou)流場的(de)壓力分(fèn)布得到(dào)改善,浮(fú)子組件(jian)🌈受力接(jie)近平衡(heng),但是,由(you)于整流(liú)器的引(yǐn)人,導緻(zhì)了整流(liu)器前後(hou)壓差增(zēng)大,帶來(lái)比較大(dà)的壓損(sǔn);②改進結(jié)構後流(liú)場的速(su)度分布(bu)比較均(jun)勻,特别(bie)是使浮(fu)子組件(jiàn)周.圍沒(méi)有太大(da)的速度(dù)差,同樣(yang)由于整(zhěng)流器的(de)使用，也(ye)使浮子(zǐ)組件的(de)前流場(chang)更加複(fu)雜.
通過(guò)物理實(shí)驗也證(zhèng)實了這(zhe)幾種優(yōu)化方案(an)可以有(yǒu)效的✔️減(jian)🥵少🌏浮🛀🏻子(zǐ)左右受(shou)力差,穩(wěn)定浮子(zǐ),使流量(liàng)計在進(jìn)行大流(liú)量測量(liang)中也可(kě)以穩定(ding)工作.
5結(jie)語
由上(shang)述數據(ju)分析可(ke)知,對于(yú)浮子在(zai)41mm高處時(shí)的三維(wei)湍流💛流(liu)場進行(háng)仿真可(kě)得到設(she)計要求(qiú)的流量(liang)上限值(zhí).此🎯位置(zhì)處浮✊子(zi)受力平(píng)衡誤差(chà)絕對值(zhi)爲2.01%,傳感(gan)器物理(lǐ)實驗獲(huo)得🔅的示(shi)值刻度(du)流量與(yǔ)通過湍(tuān)流數值(zhi)⛷️模拟進(jìn)行流場(chang)仿真實(shi)驗獲得(de)🧡的仿真(zhen)流量值(zhi)較爲接(jiē)近,仿真(zhēn)流量誤(wu)差絕對(dui)值爲0.70%.因(yīn)此,浮子(zǐ)受力平(píng)衡度誤(wu)差法确(què)定仿真(zhen)計算精(jīng)度💯獲得(dé)了較爲(wei)理想的(de)效果.
理(li)論分析(xi)和實驗(yàn)研究表(biao)明,這種(zhong)設計方(fāng)法不僅(jin)可以進(jìn)一步的(de)理解流(liu)體流動(dong)的機理(li)和浮子(zǐ)流量計(ji)的測量(liang)原理，而(er)且使流(liu)量👣傳感(gǎn)器的設(she)計進一(yī)步得🏒到(dao)優化,使(shǐ)流量測(ce)量的靈(líng)敏度🈲和(he)精度得(dé)到明顯(xian)的提高(gao).此外,對(dui)流場的(de)數值仿(páng)真與實(shi)驗研究(jiu)也是分(fèn)🔅析解決(jue)流量🔆計(ji)其他問(wen)題的一(yī)種有效(xiao)方法.目(mu)前基于(yu)這種方(fāng)法設計(jì)的水平(píng)式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(jì)已⭕成功(gong)應用于(yú)工業現(xian)場,現場(chǎng)反饋這(zhè)種流量(liang)計性能(néng)♻️穩定,精(jing)度可靠(kao),具有♊廣(guang)闊的發(fa)展前景(jǐng).
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