摘要(yào):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(duì)适合安(ān)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(san)維湍流(liú)流場的(de)數值仿(páng)真研究(jiū).流場仿(páng)真所需(xū)的模型(xing)采用CAMBIT軟(ruǎn)件建立(li),通過FLUNT軟(ruan)件進行(hang)仿真，仿(páng)真過程(chéng)中利🤟用(yong)受力平(píng)衡來控(kòng)制計算(suan)精度.數(shù)值仿真(zhen)結果和(he)物理實(shi)驗結果(guo)比較,浮(fú)子受力(lì)平衡誤(wu)差絕對(dui)值爲2.01%時(shí)，,流量誤(wu)差絕對(duì)值爲0.70%,證(zheng)實了仿(páng)真結果(guǒ)的正确(que)率.同時(shi),利用流(liu)場仿真(zhēn)信息對(duì)流量傳(chuan)感器結(jié)構做了(le)進一步(bù)改進,解(jiě)決了水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計
在大(dà)流量下(xià)的浮子(zi)振動問(wèn)題。
金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(ji)是一種(zhǒng)傳統的(de)變截面(mian)流量計(jì)♈,具有結(jie)構簡單(dān)、工作可(ke)靠、壓力(li)損失小(xiao)且穩定(dìng)、可測低(di)流💋速介(jie)質等諸(zhu)多🌏優點(diǎn),廣泛應(yīng)用于測(ce)量高溫(wēn)、高👉壓及(ji)腐蝕性(xìng)流體介(jiè)質川,由(yóu)其測量(liang)原理決(jue)定,它一(yī)般需豎(shu)直安裝(zhuang).但是,在(zài)某些特(te)定的工(gōng)業⭐應用(yong)中,需😍要(yao)使用水(shuǐ)平安裝(zhuang)浮子流(liú)量計,其(qi)測量原(yuán)理雖與(yu)經典的(de)豎直型(xíng)浮子流(liu)量計相(xiàng)同,但它(ta)卻是一(yī)種可以(yi)安裝于(yu)水平管(guǎn)道的特(tè)殊結構(gòu)的浮子(zi)流量計(ji).
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(cheng)進行的(de).該方程(chéng)要求流(liú)體運動(dòng)是恒定(dìng)流、流體(ti)是理想(xiǎng)流體(理(lǐ)想流體(tǐ)是指忽(hu)略了黏(nián)滞性的(de)流體)且(qiě)是不.可(kě)壓縮均(jun)質流體(ti),但是浮(fu)🏃🏻♂️子流量(liang)計中流(liu)過的流(liú)體并不(bú)嚴格滿(man)足💘這3個(gè)條件,而(er)且傳統(tong)流量計(ji)的🐅設計(ji)要通過(guo)實驗來(lái)檢驗和(he)修正設(she)計圖紙(zhi),這樣不(bú)僅延長(zhang)了設計(ji)周期,還(hái)增加了(le)設計成(cheng)本.基于(yú)上述🔞2點(dian)原因,在(zai)設計水(shuǐ)平式金(jīn)屬管浮(fú)子流量(liang)計的時(shi)候引入(ru)了計算(suan)流體力(lì)學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)4),對浮子(zi)流量傳(chuán)感器流(liú)場進行(hang)數💔值仿(páng)真，通過(guo)對仿真(zhen)及實驗(yan)數據進(jin)行比較(jiào)來評價(jia)初樣設(she)計，優化(hua)流量傳(chuan)感器的(de)結構參(cān)數🐪,使流(liú)量傳感(gan)器的設(she)計更加(jia)正确,提(tí)高了設(she)計效率(lǜ).
1水平式(shì)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)原理
1.1檢(jian)測原理(li)
水平式(shì)金屬管(guan)浮子流(liú)量計的(de)檢測原(yuan)理(見圖(tú)1)與傳統(tǒng)的金💁屬(shǔ)管🥰浮子(zǐ)流量計(ji)相同,其(qi)體積流(liú)量：
式中(zhong):qv爲浮子(zǐ)流量計(jì)的體積(ji)流量;α爲(wèi)流量系(xì)數;h爲浮(fu)子在錐(zhui)📐管中的(de)垂直位(wei)置;φ爲錐(zhui)形管錐(zhuī)半角;Af爲(wei)浮子體(tǐ)積;ρf爲浮(fú)子材料(liao)密度;ρ爲(wèi)流體密(mì)度;A爲浮(fú)子垂直(zhi)于㊙️流向(xiang)的最大(dà)截面積(jī);D0爲浮子(zi)最🌂大迎(ying)流面的(de)直徑;Dh爲(wei)浮子平(píng)衡在h高(gāo)度時錐(zhuī)形管的(de)直徑;df爲(wei)浮子最(zuì)大直徑(jing).
在式(1)中(zhōng)，流量系(xi)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(běn)文研究(jiu)設計的(de)❌水平式(shi)金🏃♂️屬管(guan)浮子🍓流(liu)量計,由(you)于其結(jié)構的特(te)殊性,在(zai)錐管的(de)上遊保(bǎo)證不了(le)5倍管徑(jìng)以上長(zhǎng)度的直(zhí)管段,造(zao)成流場(chang)畸變,因(yin)此利用(yong)式(1)計算(suan)🧑🏾🤝🧑🏼流量将(jiang)會與實(shí)際的流(liu)量值存(cun)在一定(ding)的偏差(chà),所㊙️以更(geng)有必要(yao)利用數(shù)值仿真(zhēn)的方法(fǎ)來保證(zhèng)👌設計流(liú)量的準(zhun)💘确性👈.
1.2設(shè)計要求(qiú)
所研究(jiū)的水平(píng)式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì),測量介(jiè)質爲20℃的(de)水，口徑(jìng)爲🌍DN50,設計(ji)要求流(liú)量測量(liang)範圍1~10m³/h,量(liang)程比爲(wèi)10:1,浮🐪子行(hang)程50mm,其流(liu)量🔞系數(shù)的經驗(yàn)值爲0.9~1.0.水(shuǐ)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計剖面(mian)圖如圖(tú)2所示。
2數值(zhí)仿真
2.1模(mó)型建立(li)
爲了研(yán)究該水(shuǐ)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)計達到(dao)上限流(liú)量時🏃的(de)性質,建(jiàn)立浮子(zǐ)位于41mm高(gāo)處的流(liu)量傳感(gǎn)器三維(wei)流場模(mó)型🔞,如圖(tú)💰3所示.
該(gāi)模型利(lì)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(ruǎn)件💰,它包(bao)含全面(miàn)的幾何(he)建模能(neng)力.
2.2網格(ge)劃分及(ji)邊界設(shè)定
GAMBIT除了(le)強大的(de)建模能(neng)力外,也(ye)是功能(néng)強大，的(de)網格劃(hua)分工具(ju).針對傳(chuán)感器的(de)流場模(mo)型,選擇(zé)三角形(xíng)-四面體(tǐ)網格來(lái)進行🎯網(wang)格化分(fen).圖4爲水(shuǐ)平式浮(fu)子流量(liang)計浮子(zi)位于41mm高(gāo)時的軸(zhóu)向🧑🏾🤝🧑🏼網格(ge)剖🤞分圖(tú).
在進行(háng)邊界的(de)設定過(guo)程中設(shè)定速度(dù)入口,壓(ya)力出口(kou),并将導(dǎo)杆壁面(mian)設定爲(wèi)float.wall1,浮子壁(bi)面設定(dìng)爲float.wall2,除浮(fu)子組件(jian)、錐管組(zǔ)件和導(dǎo)向環外(wài)的空間(jian)設定爲(wèi)fluid..
2.3仿真計(ji)算條件(jian)
本文采(cǎi)用FLUENT軟件(jian)對流量(liàng)傳感器(qi)内部流(liu)場進行(háng)仿真.針(zhen)對🚩各種(zhong)複雜流(liu)動的物(wù)理現象(xiàng),FLUENT軟件采(cǎi)用不同(tong)的離散(sàn)🤞格式和(he)數值方(fāng)法,以期(qī)在特定(ding)的領域(yu)内使計(ji)算速度(du)、穩定性(xing)和精度(dù)⁉️等方面(mian)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(ji)算問題(ti).
模型建(jian)好以後(hòu)輸出.msh文(wén)件,在FLUENT中(zhong)讀入網(wǎng)格文件(jiàn).FLUENT中相應(ying)計算條(tiao)件如表(biǎo)1所示.
其(qi)中流體(ti)介質的(de)屬性爲(wèi)密度998.2kg/m³,動(dong)力黏度(dù)0.001003Pa·s,定壓比(bǐ)熱4182J/kg·K,熱導(dao)😍率0.6W/m·K.水平(píng)式金屬(shu)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(suo)以采用(yòng)湍流模(mo)式理論(lun)提供的(de)标準K-ε模(mo)型來計(ji)算。
金屬(shu)管浮子(zi)流量計(jì)内表面(miàn)的材料(liao)是不鏽(xiù)鋼,設定(dìng)粗糙常(chang)數C_K_s=1,粗糙(cāo)高度K_s=0.04.速(su)度人口(kǒu)采用的(de)是平均(jun)速度.出(chu)入口的(de)湍流參(can)數爲
2.4計(ji)算精度(dù)的控制(zhì)
利用浮(fu)子組件(jiàn)受力平(ping)衡來控(kong)制計算(suan)精度.在(zai)FLU-ENT的受力(lì)分析報(bao)💋告中會(huì)提供指(zhǐ)定壁面(mian)所受到(dao)的淨壓(ya)力F,和黏(nian)性摩擦(cā)力Fm以及(jí)這2個力(lì)的合力(lì)Ff這3個力(lì)遵循公(gōng)式
這裏(li)設定當(dāng)浮子受(shòu)力平衡(héng)度|EfI<5%時,認(rèn)爲浮子(zi)受力達(dá)到🎯平衡(héng)👈,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(bian)流量系(xi)數來改(gǎi)變流量(liàng)值,進而(ér)調整入(ru)口🏃及出(chu)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(zhī)間,選取(qu)包括邊(bian)界值在(zài)内的5個(ge)流量❌系(xi)數來進(jin)行數🔆值(zhi)仿真,得(dé)到5組仿(páng)真數據(ju).在下面(miàn)的✊分析(xī)中給出(chū)第5組數(shu)據,亦即(jí)當浮子(zǐ)受力達(da)到平衡(héng)❌時的壓(ya)力場和(he)速度場(chang)分♍布情(qing)況(見圖(tú)5和圖6)..
3.1壓(ya)力場分(fen)析
圖5爲(wei)叠代收(shou)斂後流(liu)量傳感(gǎn)器壓力(lì)場等勢(shi)圖和壓(ya)力分布(bu)圖,左🔞邊(biān)光柱從(cóng)上至下(xia)表示壓(yā)強從大(dà)到小，據(ju)圖5分析(xi)如下:
(1)傳(chuán)感器流(liú)場上遊(yóu)的壓強(qiáng)大于下(xia)遊的壓(yā)強;
(2)浮子(zi)最大直(zhí)徑處下(xia)遊壓強(qiang)最小;
(3)浮(fu)子最大(dà)直徑處(chù),流場壓(yā)強變化(hua)梯度最(zui)大;
(4)最大(dà)壓強在(zai)内直管(guǎn)垂直段(duan)的底部(bu);
(5)浮子最(zui)大直徑(jìng)處上下(xià)兩部分(fen)形成很(hen)大的壓(ya)差,這是(shi)使浮子(zi)穩定在(zài)這一高(gāo)度的主(zhu)要作用(yòng)力;
(6)浮子(zi)底部左(zuǒ)右壓力(lì)不對稱(cheng)，這種不(bú)對稱現(xiàn)象的存(cun)🍉在使得(dé)🧡流量比(bǐ)較大時(shí)浮子會(huì)出現振(zhen)動.
3.2速度(dù)場分析(xī)
圖6爲叠(die)代收斂(liǎn)後傳感(gǎn)器速度(dù)場等勢(shi)圖和矢(shi)量圖.圖(tú)中📧左邊(biān)光柱從(cóng)上至下(xià)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(tong)面積最(zuì)小處及(ji)下遊靠(kao)近錐管(guan)壁的流(liu)場速度(du)最大,前(qian)者是流(liu)通面積(ji)減小導(dao)緻速度(dù)增大,後(hòu)者則是(shi)因🥵爲流(liu)場方向(xiàng)的改變(biàn)引起的(de),特别🐕是(shi)此處㊙️可(kě)能産生(shēng)漩渦,導(dao)緻有效(xiao)流通面(miàn)積減小(xiao),流體被(bèi)擠向管(guǎn)壁,使得(dé)此處速(sù)度增大(dà);
(2)流場下(xia)遊,外直(zhí)管左下(xià)角速度(dù)較小,主(zhu)要是因(yīn)爲流場(chǎng)的🏃出口(kǒu)📞在右邊(biān)，由于出(chū)口壓力(lì)小，流體(ti)流動都(dōu)趨⛷️向出(chū)口;.
(3)浮子(zǐ)的最小(xiao)截面處(chu),流場速(su)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(ji)初樣給(gei)出的浮(fu)子材料(liao)及尺寸(cùn)結構,可(kě)得⛱️浮子(zi)重力爲(wei)5.97N.從FLUENT的受(shòu)力報告(gào)中可以(yi)得到表(biǎo)2所示數(shù)🌍據.
3.4物理(li)實驗及(jí)結果分(fen)析
爲了(le)進一步(bù)驗證傳(chuán)感器流(liu)場仿真(zhēn)結果,需(xu)要進行(háng).物理實(shí)驗.按照(zhào)設計圖(tu)紙加工(gōng)設計模(mo)型,加工(gong)完後,配(pei)上流量(liàng)顯示🔞儀(yí)表,在标(biao)準裝置(zhi)上進行(háng)實驗.實(shi)驗利用(yong)标準表(biǎo)法,标準(zhǔn)表選擇(zé)電磁流(liú)量計(精(jīng)度0.2級).結(jié)合仿真(zhēn)流量數(shù)據、物理(li)實驗數(shù)據進行(háng)比較可(ke)以得🈚到(dào)表3.
4DN80水平(píng)式金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(ji)流量傳(chuán)感器結(jié)構的優(you)化及仿(páng)真
由上(shang)述對DN50水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)傳感器(qi)三維湍(tuan)流流場(chang)壓力場(chang)的分析(xi)可知浮(fú)子組件(jiàn)受力不(bú)平衡，物(wu)理實驗(yàn)也表明(míng)在大流(liú)❗量下會(hui)出現浮(fú)子振動(dòng)的現象(xiang),這是由(yóu)于✍️傳感(gan)器流場(chang)發生了(le)畸✉️變.在(zài)這個口(kǒu)徑下浮(fu)子振動(dòng)不是很(hen)明顯,流(liú)⛷️量計可(ke)以正常(chang)工作.但(dan)是在大(da)流量下(xia),尤其是(shi)🏃♂️在DN80及其(qí)以上口(kǒu)徑的流(liu)量計中(zhong)浮子的(de)振動現(xiàn)象已經(jīng)是一個(ge)不可忽(hū)略的問(wen)題.
從流(liú)場的速(sù)度分布(bu)圖6可以(yi)看出,浮(fú)子組件(jiàn)的右邊(bian)速度特(tè)别大♋,其(qí)原因有(you)前流場(chǎng)引起的(de)，也有後(hòu)流場的(de)因素,由(you)于傳感(gǎn)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(wài)，由于浮(fú)子組件(jian)前📐直管(guǎn)段有個(gè)直角彎(wān),容⛱️易産(chǎn)生二次(cì)流,對浮(fú)🚶♀️子組件(jian)的受力(lì)也有🏒很(hěn)大的影(yǐng)響💯.所以(yi),要減弱(ruò)振動,解(jie)決的根(gēn)本方法(fa)就㊙️是改(gai)變傳感(gan)器結構(gòu)參數,優(you)化🔞流場(chang),使浮子(zi)左右受(shou)力差盡(jìn)量😘減小(xiao)。
根據上(shang)述分析(xī),下面對(dui)水平式(shì)金屬管(guan)浮子流(liu)量傳感(gǎn)器的結(jie)構提出(chū)幾點優(you)化方案(an):
(1)加人整(zheng)流器,消(xiao)除或減(jiǎn)小旋渦(wo)的産生(sheng)，同時調(diào)整流🙇♀️速(sù)的分✌️布(bù)狀況;
(2)将(jiāng)前流場(chang)的直管(guǎn)連接改(gai)爲彎管(guan)連接,減(jiǎn)少旋渦(wo)的産生(shēng),順滑❤️流(liu)體的流(liú)動,使傳(chuan)感器有(yǒu)比較平(ping)穩的前(qian)流場;
(3)延(yán)長錐管(guan)前的垂(chuí)直直管(guan)段,這也(yě)是爲了(le)使流體(tǐ)在通過(guò)整流器(qì)後有比(bi)較長的(de)緩和段(duan),使流場(chang)接近充(chōng)分發展(zhan)的流速(su)⭕分布;
改(gai)進結構(gòu)後的仿(pang)真結果(guo)如圖7和(he)圖8所示(shì)，由圖可(ke)知:①改📱進(jìn)結構後(hòu)🚶♀️流場的(de)壓力分(fen)布得到(dào)改善,浮(fú)子組件(jiàn)受力接(jiē)近平衡(heng),但是,由(yóu)于整流(liu)器的引(yǐn)人,導緻(zhi)了整流(liu)器前後(hòu)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(sù)度分布(bù)比較均(jun)勻,特别(bié)是使浮(fú)子組件(jiàn)周.圍沒(mei)有太🆚大(da)的速度(du)差🈲,同樣(yàng)由于整(zhěng)流器的(de)使用💔，也(yě)使浮子(zǐ)組件的(de)前流場(chǎng)更加複(fu)雜.
通過(guò)物理實(shi)驗也證(zheng)實了這(zhè)幾種優(yōu)化方案(àn)可以有(yǒu)效的減(jian)少浮子(zi)左右受(shòu)力差,穩(wěn)定浮子(zi),使流量(liang)計在進(jin)行大流(liu)量測🙇♀️量(liàng)中☀️也可(ke)以穩定(ding)工作.
5結(jié)語
由上(shang)述數據(ju)分析可(ke)知,對于(yu)浮子在(zai)41mm高處時(shi)的三維(wei)湍流流(liu)場進行(háng)仿真可(kě)得到設(she)計要求(qiu)的流量(liàng)上限值(zhi).此🏃位置(zhì)處浮💜子(zǐ)受力平(píng)🐉衡誤差(chà)絕對值(zhi)爲2.01%,傳感(gǎn)器物理(lǐ)實驗獲(huò)得的示(shi)值刻度(du)流量與(yu)通🏃🏻過湍(tuan)流數值(zhí)🚶模拟進(jin)行流場(chang)仿真實(shi)驗獲得(dé)的仿真(zhen)流🌐量值(zhí)較爲接(jiē)近,仿真(zhen)流量誤(wù)差絕對(dui)值爲0.70%.因(yin)此,浮子(zǐ)受力平(píng)衡度誤(wu)差法确(què)❤️定🐕仿真(zhēn)計算精(jing)度獲得(de)了較爲(wèi)理💋想的(de)效果.
理(lǐ)論分析(xi)和實驗(yan)研究表(biao)明,這種(zhǒng)設計方(fang)法不僅(jin)可以㊙️進(jìn)一步的(de)理解流(liu)體流動(dòng)的機理(li)和浮子(zi)流量計(ji)的測量(liang)原㊙️理，而(ér)✨且使流(liu)量傳感(gan)器的設(she)計進一(yi)步得到(dào)優化,使(shi)流量測(cè)量的💁靈(ling)敏度和(hé)精度得(de)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(fen)析解決(jué)流量計(ji)其他問(wen)題🌏的一(yi)種有效(xiào)方法.目(mu)前基于(yu)這種方(fāng)法設計(jì)的水平(píng)式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(ji)已成功(gong)應用于(yu)工業現(xian)場,現場(chǎng)反饋這(zhe)種流量(liang)計性能(néng)穩定,精(jīng)度可靠(kao),具有廣(guǎng)闊的發(fa)展前景(jing)㊙️.
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