摘要(yao):通過對(dui)适合安(an)裝于水(shui)平管道(dao)的特殊(shu)結構的(de)水平安(an)裝金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)
三維湍(tuan)流流場(chang)的數值(zhi)仿真及(ji)實驗研(yan)究提出(chu)一種🈲基(ji)于🧡計算(suan)流體力(li)學的流(liu)量傳感(gan)器設計(ji)方法。流(liu)場仿真(zhen)所需的(de)模型采(cai)用GAMBIT來建(jian)立,通過(guo)FUNT軟件進(jin)行仿真(zhen),仿真過(guo)程中利(li)用受力(li)平衡控(kong)制計算(suan)精度。數(shu)值仿真(zhen)結果和(he)實驗結(jie)果比較(jiao)當浮㊙️子(zi)受力平(ping)👄衡度誤(wu)差爲9.5%時(shi),流量誤(wu)差爲0.944%,證(zheng)實了🏃仿(pang)真結果(guo)的準确(que)性,同時(shi)利用流(liu)場仿真(zhen)信息對(dui)流量傳(chuan)感器模(mo)型做了(le)進--步🈲的(de)優化。
1引(yin)言
金屬(shu)管式浮(fu)子流量(liang)計
是一(yi)種傳統(tong)的差壓(ya)式流量(liang)計,爲了(le)适應部(bu)分管道(dao)的🥵特殊(shu)要求,本(ben)文設計(ji)研究的(de)浮子流(liu)量計是(shi)左進右(you)出型的(de),其測量(liang)原理與(yu)經典的(de)豎直型(xing)浮子流(liu)量計相(xiang)同,但它(ta)是一種(zhong)可✍️以安(an)裝于水(shui)平管道(dao)的特殊(shu)結構的(de)浮子流(liu)量計。
一(yi)般對浮(fu)子流量(liang)計
的經(jing)典研究(jiu)是根據(ju)伯努利(li)方程進(jin)行的,在(zai)推導浮(fu)子☔流量(liang)計流量(liang)測量公(gong)式時忽(hu)略了粘(zhan)性應力(li)項,而☀️該(gai)項的作(zuo)用實際(ji)上是存(cun)在的;傳(chuan)統流量(liang)計的設(she)計💁要通(tong)過實驗(yan)來檢驗(yan)和修正(zheng)設計圖(tu).紙,這樣(yang)不僅延(yan)長了設(she)計周期(qi)而且增(zeng)加了設(she)計成本(ben)。基于.上(shang)述兩🙇🏻點(dian)原因,在(zai)設計水(shui)平式安(an)裝浮子(zi)流量計(ji)時爲了(le)深入了(le)解浮子(zi)流量傳(chuan)感器的(de)工作機(ji)理,引入(ru)了計算(suan)流體力(li)學,即CFD2]技(ji)術,對傳(chuan)感♌器流(liu)場進行(hang)數值模(mo)拟,通過(guo)對仿真(zhen)及實驗(yan)結🔅果進(jin)行分析(xi)來評價(jia)初樣設(she)計,優化(hua)流量傳(chuan)感器的(de)結構參(can)數,使流(liu)量傳感(gan)器🏃♀️的設(she)🚶♀️計更加(jia)精确,并(bing)提高了(le)設計效(xiao)率。
2水平(ping)安裝金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計
的原(yuan)理
2.1檢測(ce)原理(圖(tu)1)
水(shui)平安裝(zhuang)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)檢測原(yuan)理與傳(chuan)[1]統🙇🏻的金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計相同(tong),其體積(ji)流量公(gong)式爲
式(shi)中:Qv-體積(ji)流量;α-流(liu)量系數(shu);h--浮子位(wei)置;φ-錐形(xing)管錐半(ban)角🔱;Vf-浮子(zi)體積;Qf-浮(fu)子材料(liao)密度;Q一(yi)流體密(mi)度;Af-浮子(zi)垂直于(yu)流向的(de)最大截(jie)面積;D。一(yi)浮子最(zui)大迎流(liu)面的直(zhi)徑;Dh-浮子(zi)平衡🌍在(zai)h高度時(shi)錐形管(guan)的直徑(jing);df-浮子📐最(zui)大直徑(jing)。
2.2模型建(jian)立及其(qi)設計要(yao)求
浮子(zi)流量計(ji)傳統的(de)設計方(fang)法是建(jian)立在式(shi)(1)的基礎(chu)之💚.上,在(zai)該🎯方程(cheng)中流量(liang)系數α是(shi)一個受(shou)很多因(yin)素影響(xiang)的變量(liang)。對于本(ben)文所研(yan)究的水(shui)平式安(an)裝浮子(zi)流量計(ji),測量介(jie)質爲20℃的(de)水,設計(ji)要求流(liu)量測量(liang)範圍1~10m3/h,量(liang)程比爲(wei)10:1,行程50mm,其(qi)流量🚩系(xi)數x的經(jing)驗值爲(wei)0.9~10。浮子位(wei)于41mm高✍️處(chu)的傳感(gan)器三維(wei)流場模(mo)型如圖(tu)2所示。
2．3計(ji)算精度(du)的控制(zhi)
利用浮(fu)子組件(jian)受力平(ping)衡來控(kong)制計算(suan)精度。在(zai)FLUNT的受力(li)♈分析🌐報(bao)告中會(hui)提供指(zhi)定壁面(mian)所受到(dao)的淨壓(ya)力Fy↑和粘(zhan)性摩擦(ca)力Fm↑以及(ji)這兩個(ge)力的合(he)力Fr↑。這三(san)個力遵(zun)循下面(mian)的公式(shi):
這裏(li)設定當(dang)浮子受(shou)力平衡(heng)度|Ef|<10%時，認(ren)爲浮子(zi)受力達(da)到平衡(heng)📐,此♈時💞停(ting)止計算(suan)。
3數值仿(pang)真
3.1網格(ge)劃分及(ji)邊界設(she)定
針對(dui)傳感器(qi)的流場(chang)模型,選(xuan)擇三角(jiao)形四面(mian)體網格(ge)♍來進行(hang)📧網格劃(hua)分。如圖(tu)3所示爲(wei)水平式(shi)浮子流(liu)量計浮(fu)子位于(yu)41mm高時的(de)軸向網(wang)格剖分(fen)圖。
在進(jin)行邊界(jie)的設定(ding)過程中(zhong)設定速(su)度入口(kou)、壓力出(chu)口,并将(jiang)🐕導杆壁(bi)面設定(ding)爲floatwalll,浮子(zi)壁面設(she)定爲floatwall2,除(chu)浮子組(zu)件和導(dao)向環外(wai)的空間(jian)設定爲(wei)fluid。
3.2FLUNT計算條(tiao)件
模型(xing)建好以(yi)後輸出(chu).msh文件,利(li)用FLUNT進行(hang)仿真,FLUNT中(zhong)相應計(ji)算條件(jian)👉如表1所(suo)示。
其中(zhong)流體介(jie)質的屬(shu)性:密度(du)998.2kg/m2,粘度0.001003kg/ms,定(ding)壓比熱(re)4182J/kg.K,熱導率(lü)0.6W/m.k.速度🧑🏾🤝🧑🏼入(ru)口采用(yong)的是平(ping)均速度(du),針對浮(fu)子位于(yu)41mm高的模(mo)型計算(suan)達到平(ping)衡時的(de)入口條(tiao)件,如表(biao)2所示。
3.3仿真過(guo)程
水平(ping)式浮子(zi)流量計(ji)三維流(liu)場的仿(pang)真過程(cheng)如圖4所(suo)示。該過(guo)程需要(yao)解釋的(de)幾點如(ru)下所示(shi):
(1)因每個(ge)模型入(ru)口流速(su)的準确(que)值未知(zhi),是根據(ju)經典流(liu)量公式(shi)計算的(de)一一個(ge)假設的(de)流量,因(yin)此仿真(zhen)最終結(jie)束的判(pan)斷依據(ju)爲浮🤟子(zi)受力平(ping)衡的程(cheng)度,即通(tong)過檢查(cha)仿真結(jie)果,對浮(fu)子進行(hang)受力分(fen)析,距離(li)受力平(ping)衡點誤(wu)差小于(yu)10%時,認爲(wei)達到計(ji)算精度(du),仿真計(ji)算♍結束(shu)。當誤差(cha)大于10%,首(shou)先考慮(lü)改進該(gai)模🐅型的(de)網格精(jing)度,如圖(tu)4中的左(zuo)側方案(an)1;當網格(ge)精度改(gai)進到一(yi)定程度(du)後誤差(cha)仍大于(yu)🌐10%,可修正(zheng)入口條(tiao)件.(主要(yao)指入口(kou)流速,其(qi)餘條件(jian)可相應(ying)計算調(diao)整),如圖(tu)4中的右(you)側方案(an)2,直到滿(man)足🧡計算(suan)精度。
(2)利(li)用SMPLE算法(fa)計算時(shi),每次計(ji)算叠代(dai)次數爲(wei)500次,當不(bu)足500次SMPLE算(suan)法就已(yi)經達到(dao)收斂精(jing)度(10“)時,程(cheng)序自動(dong)結束,此(ci)㊙️時可檢(jian)查計算(suan)結果;當(dang)叠🔴代次(ci)數大于(yu)500次仍未(wei)收斂時(shi),停止計(ji)算,此時(shi)需重新(xin)檢查網(wang)格狀況(kuang)和邊界(jie)設定,進(jin)行網格(ge)的合理(li)剖分和(he)邊界的(de)合理設(she)定。實踐(jian)證明,網(wang)格布置(zhi)的恰當(dang)與否會(hui)直接影(ying)響收斂(lian)速度和(he)收斂結(jie)果,不合(he)理的網(wang)格布置(zhi)将導緻(zhi)計算發(fa)散或者(zhe)結果㊙️不(bu)正确。
(3)叠(die)代前首(shou)先打開(kai)監視器(qi),監視X.Y、Z三(san)個方向(xiang)的流速(su)以及k方(fang)程和💰c方(fang)程的收(shou)斂狀況(kuang),實踐證(zheng)明,即使(shi)未達到(dao)預計的(de)叠💯代次(ci)數,若在(zai)監視器(qi)中已出(chu)現明顯(xian)的發散(san)現象,可(ke)強行中(zhong)止本次(ci)計算。
4仿(pang)真結果(guo)及實驗(yan)結果分(fen)析
4.1壓力(li)場分析(xi)(圖5.圖6)
比(bi)較壓力(li)的絕對(dui)值可以(yi)看到:浮(fu)子底部(bu)左右壓(ya)力不✌️對(dui)稱,這種(zhong)不對稱(cheng)現象的(de)存在使(shi)得流量(liang)比較大(da)時浮子(zi)會🥵出現(xian)抖動。
4.2速(su)度場分(fen)析(圖7.圖(tu)8)
據圖分(fen)析如下(xia):
(1)據顔色(se)分辨出(chu)環隙流(liu)通面積(ji)最小處(chu)及下遊(you)靠近錐(zhui)管壁的(de)流場速(su)度最大(da),前者是(shi)流通面(mian)積減小(xiao)導緻速(su)度增大(da),後✏️者則(ze)是因爲(wei)流場方(fang)向的改(gai)變而引(yin)起的,特(te)别是此(ci)處可能(neng)産生旋(xuan)渦,導緻(zhi)🌈有效流(liu)通面積(ji)減小,流(liu)體被擠(ji)向管壁(bi),使得此(ci)處速度(du)增大。
(2)流(liu)場下遊(you),外直管(guan)左下角(jiao)速度較(jiao)小,主要(yao)是.因爲(wei)流場的(de)出口🐕在(zai)右邊,由(you)于出口(kou)壓力小(xiao),流體流(liu)動都趨(qu)向出口(kou)。
(3)浮子的(de)最小截(jie)面處,流(liu)場速度(du)存在較(jiao)大的變(bian)化。
4.3浮子(zi)受力定(ding)量分析(xi)
從FLUNT的受(shou)力報告(gao)中可以(yi)得到如(ru)表3所示(shi)數據,根(gen)據設計(ji)初樣給(gei)出的浮(fu)子材料(liao)及尺寸(cun)結構,可(ke)得浮子(zi)重力爲(wei)5.995146N。根據仿(pang)真🌈結果(guo),浮子在(zai)Z方向上(shang)的合力(li)爲5.4253127N。根據(ju)受力平(ping)衡度誤(wu)🔆差分析(xi)公式可(ke)得，1E,|=9.5%，小于(yu)設定值(zhi)10%,認爲⛷️浮(fu)子受力(li)達到平(ping)衡🐇。
4.4物理(li)實驗及(ji)結果分(fen)析
爲了(le)進一步(bu)驗證傳(chuan)感器流(liu)場仿真(zhen)結果,需(xu)要進行(hang)物🏒理實(shi)驗。按🍉照(zhao)設計圖(tu)紙加工(gong)設計模(mo)型,加工(gong)完後🚶♀️,配(pei)上🌂流量(liang)顯示儀(yi)表,在标(biao)👌準裝置(zhi)上進行(hang)标定。标(biao)定方法(fa)利用标(biao)準表法(fa),标準表(biao)選擇渦(wo)輪流量(liang)計(精度(du)0.5級)。結合(he)仿真流(liu)量數♊據(ju)、物理實(shi)驗數據(ju)與🛀根據(ju)浮子⛹🏻♀️流(liu)量經典(dian)測量公(gong)式得到(dao)的設計(ji)流量📧數(shu)據進行(hang)比較可(ke)以得到(dao)表4。
5大流(liu)量下流(liu)量傳感(gan)器結構(gou)的優化(hua)及改進(jin)結構後(hou)的🚶仿真(zhen)
由上述(shu)對壓力(li)場的分(fen)析可知(zhi)浮子組(zu)件受力(li)不平衡(heng),物❄️理實(shi)驗🐇也表(biao)明在大(da)流量下(xia)會出現(xian)流量計(ji)振動的(de)現象,這(zhe)是由于(yu)傳感器(qi)流場出(chu)現了變(bian)化。從流(liu)場的速(su)度分布(bu)圖可以(yi)看出,浮(fu)子組件(jian)❗的右邊(bian)速度特(te)别大,其(qi)原因有(you)前流場(chang)引起的(de),也有後(hou)流場的(de)因✉️素,由(you)于傳感(gan)器的出(chu)口在右(you)邊,所以(yi)流體有(you)向右邊(bian)流的趨(qu)勢。另♈外(wai),由于浮(fu)子組件(jian)前直管(guan)段有個(ge)⛹🏻♀️直角彎(wan),容易産(chan)生二次(ci)流,對浮(fu)子組件(jian)的受力(li)也有很(hen)大的影(ying)響。所以(yi),要減弱(ruo)振動,解(jie)決的根(gen)本方法(fa)就是改(gai)變傳感(gan)器結構(gou)參數、優(you)化流場(chang)、使浮子(zi)左右受(shou)力差盡(jin)量減小(xiao)。
根據上(shang)述分析(xi)下面對(dui)水平式(shi)流量傳(chuan)感器的(de)結構提(ti)出幾🔅點(dian)優化方(fang)案:
(1)加入(ru)整流器(qi),以消除(chu)或減小(xiao)旋渦的(de)産生,同(tong)時調整(zheng)㊙️流速的(de)🤞分布👈狀(zhuang)況。
(2)将前(qian)流場的(de)直管連(lian)接改爲(wei)彎管連(lian)接,減少(shao)旋渦的(de)産生,順(shun)滑流體(ti)的流動(dong),使傳感(gan)器有比(bi)較平穩(wen)的前流(liu)場。
(3)延長(zhang)前直管(guan)段。這裏(li)提及的(de)直管段(duan)指錐管(guan)前的垂(chui)⛱️直直管(guan)段😄,這㊙️也(ye)是爲了(le)使流體(ti)在通過(guo)整流器(qi)後有比(bi)較長的(de)緩和㊙️段(duan),使‼️流場(chang)👉接近充(chong)分發展(zhan)的流速(su)分🈲布。
改(gai)進結構(gou)後的仿(pang)真結果(guo)如圖9、10所(suo)示,據圖(tu)分析如(ru)下:
（1）改進(jin)結構後(hou)流場的(de)壓力分(fen)布得到(dao)改善,浮(fu).子組件(jian)受力🈲接(jie)近平衡(heng),但是,由(you)于整流(liu)器的引(yin)入,導緻(zhi)了整流(liu)器✍️前後(hou)壓差增(zeng)大,帶來(lai)比較大(da)的壓損(sun)。
(2)改進結(jie)構後流(liu)場的速(su)度分布(bu)比較均(jun)勻,特别(bie)是使浮(fu)子⭕組件(jian)㊙️周圍沒(mei)有太大(da)的速度(du)差,同樣(yang)由于整(zheng)流器的(de)使用,也(ye)使浮子(zi)組件的(de)前流場(chang)更加複(fu)雜。通過(guo)㊙️物理實(shi)🥵驗也證(zheng)實了這(zhe)幾種優(you)化方案(an)可以有(you)效的減(jian)少浮子(zi)左右受(shou)力差,穩(wen)定浮子(zi)。
6結論
由(you)上述數(shu)據分析(xi)可知,對(dui)于浮子(zi)在41mm高處(chu)，時的三(san)維湍流(liu)流場進(jin)行仿真(zhen)可得到(dao)設計要(yao)求的流(liu)量上限(xian)值。此位(wei)置處浮(fu)子受力(li)平衡度(du)誤差爲(wei)9.5%，傳感器(qi)物理♉實(shi)驗獲❤️得(de)的示值(zhi)刻度流(liu)量與通(tong)過湍流(liu)數值模(mo)拟進行(hang)流場💞仿(pang)真實驗(yan)獲得的(de)仿真流(liu)量值較(jiao)爲接近(jin),仿真流(liu)量誤差(cha)爲0.944%。本文(wen)利用浮(fu)子受力(li)平衡度(du)誤差📞法(fa)确定仿(pang)真計算(suan)精度獲(huo)得了較(jiao)爲理想(xiang)的效果(guo),即🔴仿真(zhen)過程無(wu)需過分(fen)強調浮(fu)子受力(li)平衡度(du)誤差的(de)減🐉小,仿(pang)真流量(liang)誤差即(ji)可得到(dao)令人滿(man)意的結(jie)果。
理論(lun)分析和(he)實驗研(yan)究表明(ming),這種設(she)計方法(fa)不僅可(ke)🧡以🔞進一(yi)步地理(li)解流體(ti)流動的(de)機理和(he)浮子流(liu)量計的(de)測量原(yuan)🐆理,而且(qie)使流量(liang)傳感器(qi)的設計(ji)進--步得(de)到優化(hua),使流量(liang)測🧑🏽🤝🧑🏻量的(de)靈敏度(du)和精确(que)度得到(dao)明顯的(de)提高。此(ci)外,對流(liu)場的數(shu)值仿真(zhen)與實驗(yan)研究也(ye)是分👄析(xi)、解決流(liu)量計其(qi)它問題(ti)❤️的一-種(zhong)有效方(fang)法。目前(qian)基于這(zhe)種方法(fa)設計的(de)水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量計已(yi)經投入(ru)市💛場，現(xian)場，反饋(kui)這種流(liu)量計性(xing)能穩定(ding)，精度可(ke)💘靠。
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