摘要:通(tōng)過對适合安(an)裝于水平管(guǎn)道的特殊結(jié)構的水平安(ān)裝金屬管浮(fú)子流量計 三(san)維湍流流場(chang)的數值仿真(zhen)及實驗研究(jiū)提出一種基(ji)于計算流🏃🏻‍♂️體(ti)力學的流量(liàng)傳感器設計(ji)方法。流場仿(páng)真🌐所需的模(mo)🌈型采用GAMBIT來建(jiàn)立,通過FUNT軟件(jiàn)進行仿真🔴,仿(páng)真過程中利(lì)用受力平衡(heng)控制計算精(jīng)度。數值仿☔真(zhēn)結果和實驗(yan)結果比較當(dang)浮子受力平(ping)衡度誤差爲(wèi)9.5%時,流量誤差(chà)爲0.944%,證實了仿(pang)真結果的準(zhun)确性,同時利(li)用流場仿真(zhen)信息對流量(liàng)傳感器模型(xíng)做了進--步🔞的(de)優化。
1引言
　　金(jīn)屬管式浮子(zi)流量計 是一(yi)種傳統的差(chà)壓式流量計(jì),爲了适應部(bu)分管道的特(te)☀️殊要☂️求,本文(wen)設計研究的(de)浮子流量計(jì)是左進右出(chu)型的,其測量(liàng)原理與經典(diǎn)的豎直型浮(fú)子流量♈計相(xiang)同,但它是一(yi)種可✔️以安裝(zhuāng)于水平管道(dao)的特殊結構(gòu)的浮子流量(liàng)計。
　　一般對浮(fu)子流量計 的(de)經典研究是(shì)根據伯努利(li)方程進行的(de),在推導浮⁉️子(zi)⭐流量計流量(liang)測量公式時(shi)忽略了粘性(xìng)應力項,而該(gāi)項的作用實(shí)際上㊙️是存在(zai)的;傳統流量(liang)計的設計要(yào)通過實驗來(lai)檢驗和修正(zhèng)設計圖.紙,這(zhe)樣不僅延長(zhǎng)了設計周期(qī)而且增加了(le)設計成本。基(ji)👨‍❤️‍👨于.上述兩點(diǎn)原因,在設計(ji)水平式安裝(zhuāng)浮子流量計(ji)時爲了深入(ru)了解浮子流(liú)⛱️量傳感器的(de)工作機理,引(yin)入了計算⛷️流(liú)體力學,即CFD2]技(ji)術,對傳感器(qì)流場進行數(shù)值模拟,通💞過(guo)對仿真及實(shi)驗結果進行(hang)分析來評價(jià)初樣設計,優(you)化流量傳感(gǎn)器的結構參(can)數,使流量傳(chuán)感器的設⛱️計(jì)更加精确,并(bìng)提高了設計(ji)效率。
2水平安(an)裝金屬管浮(fú)子流量計 的(de)原理
2.1檢測原(yuán)理(圖1)

　　水平安裝金(jin)屬管浮子流(liú)量計的檢測(ce)原理與傳[1]統(tǒng)的🤞金屬管♈浮(fu)子流量計相(xiang)同,其體積流(liu)量公式爲

　　式(shi)中:Qv-體積流量(liang);α-流量系數;h--浮(fú)子位置;φ-錐形(xing)管錐半角🧑🏽‍🤝‍🧑🏻;Vf-浮(fú)子體積;Qf-浮⛷️子(zǐ)材料密度;Q一(yi)流體密度;Af-浮(fu)子垂直于流(liú)向的最大截(jie)♉面積;D。一浮🍉子(zi)最大迎流面(mian)的直徑;Dh-浮子(zi)平衡👌在h高度(dù)時錐形❌管的(de)直徑;df-浮子最(zui)大直徑。
2.2模型(xing)建立及其設(shè)計要求
　　浮子(zi)流量計傳統(tong)的設計方法(fa)是建立在式(shì)(1)的基礎之.上(shàng),在該✍️方程中(zhōng)流量系數α是(shì)一個受很多(duo)因素影響的(de)變量。對于本(běn)文所研究的(de)水平式安裝(zhuāng)浮子流量計(ji),測量介質爲(wèi)20℃的水,設計要(yao)求流量測量(liang)範圍1~10m3/h,量🏃程比(bi)爲10:1,行程50mm,其流(liú)量系數x的經(jing)驗值爲0.9~10。浮子(zǐ)位于41mm高🔴處的(de)傳感器三維(wéi)流場模型如(rú)圖2所示。
2．3計算(suan)精度的控制(zhi)
　　利用浮子組(zu)件受力平衡(héng)來控制計算(suàn)精度。在FLUNT的受(shòu)✊力分🐕析🔞報告(gào)中會提供指(zhǐ)定壁面所受(shòu)到的淨壓力(li)Fy↑和粘性摩👌擦(ca)力Fm↑以及這兩(liang)個力的合力(lì)Fr↑。這三個力遵(zun)循下面的公(gōng)式🐇:

這裏設(she)定當浮子受(shou)力平衡度|Ef|<10%時(shi)，認爲浮子受(shou)力達到平衡(héng),此時停止計(ji)算。
3數值仿真(zhen)
3.1網格劃分及(jí)邊界設定
　　針(zhēn)對傳感器的(de)流場模型,選(xuan)擇三角形四(si)面體網格⛷️來(lái)進行✏️網格🏃🏻‍♂️劃(huà)分。如圖3所示(shì)爲水平式浮(fú)子流量計浮(fu)子位于41mm高時(shí)的軸向網格(ge)剖分圖。
　　在進(jin)行邊界的設(shè)定過程中設(she)定速度入口(kou)、壓力出口,并(bìng)✔️将🛀🏻導杆壁面(mian)設定爲floatwalll,浮子(zǐ)壁面設定爲(wèi)floatwall2,除浮子組件(jiàn)和導向環外(wài)的空間🚩設定(dìng)爲fluid。
3.2FLUNT計算條件(jiàn)
模型建好以(yǐ)後輸出.msh文件(jian),利用FLUNT進行仿(páng)真,FLUNT中相應計(jì)算條件如表(biǎo)1所示。
　　其中流(liú)體介質的屬(shu)性:密度998.2kg/m2,粘度(du)0.001003kg/ms,定壓比熱4182J/kg.K,熱(rè)導率👌0.6W/m.k.速度♊入(ru)口🔞采用的是(shi)平均速度,針(zhēn)對浮子位于(yu)41mm高的📧模型計(ji)算達到🌏平衡(héng)時的入口條(tiáo)件,如表2所示(shi)。

3.3仿真(zhen)過程
　　水平式(shì)浮子流量計(jì)三維流場的(de)仿真過程如(ru)圖4所✌️示📱。該過(guò)程需要解釋(shì)的幾點如下(xia)所示:
(1)因每個(gè)模型入口流(liu)速的準确值(zhi)未知,是根據(ju)經典流量🐇公(gōng)式♈計算的一(yī)一個假設的(de)流量,因此仿(páng)真最終結束(shu)的判斷依據(jù)爲浮🏃‍♂️子受力(lì)平衡的程度(du),即通過檢查(chá)🐇仿真結☂️果,對(dui)浮子進行受(shou)力分析,距離(lí)受力平衡點(diǎn)誤差小于10%時(shi),認爲達到計(jì)算精度,仿真(zhēn)計算♈結束。當(dāng)誤差大于10%,首(shou)先考慮改進(jin)該模型的網(wang)格精🏃‍♂️度,如圖(tú)4中的左側方(fang)案1;當網格精(jing)度改進到一(yī)⁉️定程度後誤(wù)差仍大于10%,可(ke)修正入口條(tiao)件🍓.(主要指入(rù)口流速,其餘(yú)條件可相應(yīng)🌐計算調整),如(ru)圖4中🏒的👄右側(cè)方案2,直到滿(mǎn)足計算精度(du)。
(2)利用SMPLE算法計(jì)算時,每次計(jì)算叠代次數(shu)爲500次,當不足(zu)500次💃🏻SMPLE算法就已(yǐ)經達到收斂(liǎn)精度(10“)時,程序(xù)自動結束,此(ci)時可檢查計(ji)算結果;當叠(die)代次數大于(yú)500次仍未收斂(liǎn)💘時,停止🏃計算(suan),此時需重新(xin)檢查網格狀(zhuàng)況和邊界設(shè)定,進行網格(gé)的合理剖分(fèn)和邊✌️界的合(he)理🐅設定。實踐(jian)證明,網格布(bu)置的恰當與(yǔ)否會直接影(yǐng)響收斂速度(dù)☀️和收斂結果(guo)㊙️,不✂️合理的網(wǎng)格布置将導(dǎo)緻計算發散(san)或者結果不(bú)正确。

(3)叠代前(qián)首先打開監(jian)視器,監視X.Y、Z三(sān)個方向的流(liu)速以🚩及k方程(cheng)和🥵c方程的收(shou)斂狀況,實踐(jian)證明,即使未(wei)達到預計的(de)叠代次數,若(ruò)🌈在監視器中(zhong)已出現明顯(xian)的發🔱散現象(xiang),可強行❌中止(zhi)本次計算✔️。
4仿(pang)真結果及實(shí)驗結果分析(xī)
4.1壓力場分析(xī)(圖5.圖6)
　　比較壓(ya)力的絕對值(zhi)可以看到:浮(fu)子底部左右(you)壓力不對稱(cheng),這種不對稱(cheng)現象的存在(zài)使得流量比(bi)較大時浮🌐子(zi)會出現抖動(dong)。
4.2速度場分析(xī)(圖7.圖8)
據圖分(fèn)析如下:
(1)據顔(ya)色分辨出環(huan)隙流通面積(jī)最小處及下(xià)遊靠近錐管(guǎn)壁的流場速(sù)度最大,前者(zhe)是流通面積(jī)減小導緻速(sù)度增大,後✨者(zhě)則🧡是因爲流(liú)場方向的改(gai)變而引起的(de),特别是此處(chu)可能産生旋(xuan)渦,導緻有效(xiao)流通面積減(jian)小,流體被擠(ji)向管壁,使得(de)此處速度增(zēng)大。
(2)流場下遊(yóu),外直管左下(xià)角速度較小(xiǎo),主要是.因爲(wèi)流場的出口(kǒu)在右邊,由于(yu)出口壓力小(xiao),流體流動都(dōu)趨🙇‍♀️向出口。
(3)浮(fu)子的最小截(jie)面處,流場速(su)度存在較大(dà)的變化。

4.3浮子(zǐ)受力定量分(fèn)析
　　從FLUNT的受力(lì)報告中可以(yi)得到如表3所(suǒ)示數據,根據(jù)設計初樣給(gei)出的浮子材(cái)料及尺寸結(jié)構,可得浮子(zi)重力爲5.995146N。根據(ju)仿真結果,浮(fu)子在Z方向上(shang)的合力爲5.4253127N。根(gēn)據受力平衡(héng)度誤💋差分析(xī)公式可得，1E,|=9.5%，小(xiǎo)于設定值10%,認(ren)爲浮子受力(lì)達到平衡🔅。

4.4物(wu)理實驗及結(jie)果分析
　　爲了(le)進一步驗證(zheng)傳感器流場(chang)仿真結果,需(xū)要進行物理(li)實驗✔️。按照設(she)計圖紙加工(gong)設計模型,加(jia)工完後,配上(shang)流量顯示儀(yi)表,在标準裝(zhuāng)置上進行标(biao)定。标定🥰方法(fa)利用标準表(biǎo)法,标準表選(xuan)擇渦輪流量(liang)計(精度0.5級)。結(jie)合仿真流量(liàng)數據、物理實(shi)🐕驗數據與⁉️根(gēn)據浮子流量(liang)經典測量公(gong)式得到的設(shè)計流量數據(jù)進行比較可(kě)以得到👨‍❤️‍👨表4。

5大(dà)流量下流量(liàng)傳感器結構(gou)的優化及改(gai)進結構後的(de)仿真🍉
　　由上述(shu)對壓力場的(de)分析可知浮(fú)子組件受力(li)不平衡,物理(lǐ)實驗也表明(ming)在大流量下(xia)會出現流量(liang)計振動的現(xian)象,這是由于(yú)🍓傳感器流場(chǎng)出現了變化(hua)。從流場的速(su)度分布圖可(kě)以看出,浮子(zi)組件的右邊(bian)速度特别大(dà),其原因有前(qian)流場引起的(de),也有後流場(chang)的因素,由于(yú)傳感器的出(chū)口在🈲右邊,所(suǒ)以流體有向(xiàng)右邊☔流的趨(qu)勢。另外,由于(yú)浮子組件🍉前(qián)直管段有個(ge)直角彎,容易(yi)産生二次流(liú),對浮🛀🏻子組件(jiàn)的☁️受力也有(yǒu)很大的影響(xiǎng)。所以,要減弱(ruo)振動,解決的(de)根本方法就(jiù)是改變傳感(gan)器結構參數(shù)、優🐅化流場、使(shǐ)浮子左右受(shòu)力差盡量減(jian)小。
根據上述(shù)分析下面對(dui)水平式流量(liàng)傳感器的結(jie)構提✂️出🈚幾點(dian)優化方案:
(1)加(jia)入整流器,以(yi)消除或減小(xiǎo)旋渦的産生(sheng),同時調整🌏流(liu)速的🆚分布狀(zhuang)況。
(2)将前流場(chang)的直管連接(jie)改爲彎管連(lián)接,減少旋渦(wo)的産生,順✂️滑(huá)流體的流動(dong),使傳感器有(yǒu)比較平穩的(de)前流場。
(3)延長(zhang)前直管段。這(zhe)裏提及的直(zhi)管段指錐管(guan)前的垂直💁直(zhí)管💃🏻段,這☂️也是(shì)爲了使流體(ti)在通過整流(liú)器後有比較(jiao)長的🌈緩和段(duàn),使流場☁️接近(jin)充分發展的(de)流速分布。
改(gai)進結構後的(de)仿真結果如(ru)圖9、10所示,據圖(tu)分析如下:
（1）改(gai)進結構後流(liu)場的壓力分(fen)布得到改善(shan),浮.子組件受(shou)力接近平衡(héng),但是,由于整(zhěng)流器的引入(rù),導緻了整流(liu)器前後壓差(chà)⛹🏻‍♀️增大,帶來比(bǐ)較大的壓損(sun)。

(2)改進結構後(hou)流場的速度(dù)分布比較均(jun)勻,特别是使(shi)浮子組件周(zhou)圍沒有太大(da)的速度差,同(tong)樣由于整流(liu)器的使用,也(yě)使浮子組件(jian)的前流場更(geng)加複雜。通過(guo)💛物理實驗也(ye)證實了這幾(ji)種優化方案(àn)✔️可以有效的(de)減少浮子左(zuǒ)右受力差,穩(wěn)定浮子。
6結論(lun)
　　由上述數據(jù)分析可知,對(duì)于浮子在41mm高(gāo)處，時的三維(wei)湍流流🔴場進(jin)行仿真可得(de)到設計要求(qiú)的流量上限(xiàn)值。此位置處(chù)浮子受力平(píng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼衡度誤差爲(wei)9.5%，傳感器物理(lǐ)實驗獲得的(de)示值刻度☎️流(liú)量與通過湍(tuān)流數值模拟(nǐ)進行流場仿(páng)真實驗獲得(de)的仿真流量(liàng)值較爲接近(jin)🌈,仿真流量誤(wu)差爲0.944%。本文利(lì)用浮子受力(lì)平衡度誤差(chà)法确定仿真(zhen)🈲計算精度獲(huò)得了較爲理(lǐ)想的效果,即(jí)仿真過程無(wu)需過分強調(diao)浮子受力平(ping)衡度誤差的(de)減小,仿真流(liú)量誤差即可(kě)得到令人滿(mǎn)意的結果。
　　理(lǐ)論分析和實(shi)驗研究表明(ming),這種設計方(fāng)法不僅可以(yi)進一🧡步☀️地理(li)解流體流動(dong)的機理和浮(fú)子流量計㊙️的(de)測量原理,而(er)且使♋流量傳(chuan)感器的設計(ji)進--步得到優(you)化,使流量測(cè)😄量的靈🛀敏度(du)和精确度得(dé)到明顯的提(ti)高。此外,對流(liu)場的📱數值仿(páng)真與實驗研(yán)究也是分析(xī)、解決流量計(ji)其它問題的(de)一-種有效方(fang)法。目前基于(yú)這種方法設(she)👈計的水平式(shì)金屬管浮子(zǐ)流量計已經(jing)投入市場，現(xiàn)場，反饋這種(zhǒng)流量計性能(néng)穩定，精度可(kě)靠。

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