摘要(yao):通過對适(shi)合安裝于(yú)水平管道(dao)的特殊結(jié)構的水平(píng)安裝金屬(shu)管浮子流(liu)量計 三維(wei)湍流流場(chang)的數值仿(pang)真及實驗(yan)研究提出(chu)一種基于(yú)🈲計⛹🏻‍♀️算流體(ti)力學的流(liu)量傳感器(qi)設計方法(fǎ)。流場仿真(zhen)所需🤩的模(mó)型采用GAMBIT來(lái)建立,通過(guo)FUNT軟件進行(hang)仿真,仿真(zhen)過🔴程中利(lì)🐉用受力平(ping)衡控🏃🏻‍♂️制計(jì)算精度。數(shù)值仿真結(jie)果和㊙️實驗(yan)結果比較(jiào)當浮子受(shou)力平♊衡度(du)誤差爲9.5%時(shí),流量誤💚差(cha)爲0.944%,證實了(le)仿真結果(guǒ)的👨‍❤️‍👨準确性(xìng),同時㊙️利用(yong)流場仿真(zhēn)💛信息對流(liu)量傳感器(qì)模型做了(le)‼️進--步的優(you)化。
1引言
　　金(jin)屬管式浮(fu)子流量計(ji) 是一種傳(chuán)統的差壓(yā)式流量計(jì),爲了适應(ying)部分管道(dào)的特殊要(yao)⛹🏻‍♀️求❄️,本文設(she)計研究的(de)浮子流量(liang)計是左進(jin)右出型的(de)🌈,其測量原(yuan)理與經典(diǎn)的豎直型(xíng)浮子流量(liang)計相同,但(dan)它是一種(zhong)可以安裝(zhuāng)于水平管(guan)道的特殊(shū)⛹🏻‍♀️結構的浮(fu)子流量計(ji)。
　　一般對浮(fu)子流量計(ji) 的經典研(yán)究是根據(jù)伯努利方(fang)程進行的(de),在推導浮(fu)🎯子流✏️量計(ji)💰流💁量測量(liàng)公式時忽(hū)略了粘性(xing)應力項,而(ér)該項♋的作(zuò)用實際上(shang)是存在的(de);傳統流量(liàng)計的設計(jì)要通過實(shi)驗來檢驗(yan)和修正設(shè)📧計圖.紙,這(zhe)樣不僅延(yan)長了設計(jì)周期而且(qiě)增加了設(shè)計成本。基(ji)于.上述兩(liang)點原因,在(zai)設計水平(píng)式安裝浮(fú)子流量計(jì)時爲了深(shēn)入了解浮(fu)子流量傳(chuán)感器的工(gōng)作機理,引(yin)入了計算(suàn)流體力學(xué)🤩,即CFD2]技術,對(duì)傳感器流(liu)場進行數(shù)值模拟,通(tōng)過對仿真(zhēn)及實驗結(jie)🈲果進行分(fen)析來評價(jia)初樣設計(jì),優化流量(liàng)傳感器的(de)結構參數(shu)♌,使流量傳(chuán)感器的設(shè)計更加精(jing)确,并提高(gāo)了設計效(xiào)率。
2水平安(an)裝金屬管(guǎn)浮子流量(liàng)計 的原理(li)
2.1檢測原理(lǐ)(圖1)

　　水平安(an)裝金屬管(guan)浮子流量(liang)計的檢測(cè)原理與傳(chuan)[1]統🚶的金屬(shǔ)管浮☀️子流(liu)量計相同(tong),其體積流(liu)量公式爲(wèi)

　　式中:Qv-體積(jī)流量;α-流量(liang)系數;h--浮子(zi)位置;φ-錐形(xing)管錐半角(jiǎo)🏃🏻;Vf-浮子體積(ji);Qf-浮子材料(liao)密度;Q一流(liu)體密度;Af-浮(fú)子垂直于(yu)流向的最(zui)大截面積(ji);D。一浮子最(zui)大迎流面(miàn)的直徑;Dh-浮(fú)子平衡在(zai)h高度時錐(zhui)形管的直(zhí)🧡徑;df-浮子最(zui)大直徑。
2.2模(mo)型建立及(jí)其設計要(yao)求
　　浮子流(liú)量計傳統(tong)的設計方(fang)法是建立(li)在式(1)的基(jī)礎之.上,在(zài)該👨‍❤️‍👨方程中(zhong)流量系數(shù)α是一個受(shou)很多因素(sù)影響的變(biàn)量。對于本(běn)文👅所研究(jiū)的水平式(shi)安裝浮子(zǐ)流量計,測(ce)量介質爲(wèi)20℃的水,設計(ji)要求流量(liang)測量範圍(wei)1~10m3/h,量程比爲(wèi)10:1,行☂️程50mm,其流(liú)量系數x的(de)經驗值爲(wei)0.9~10。浮子位于(yu)41mm高處的傳(chuan)感器三維(wei)流場模🐕型(xing)如圖2所示(shi)🌐。
2．3計算精度(du)的控制
　　利(li)用浮子組(zǔ)件受力平(píng)衡來控制(zhì)計算精度(dù)。在FLUNT的受力(li)分析報告(gao)中會提供(gòng)指定壁面(miàn)所受到的(de)淨壓力Fy↑和(hé)粘🤟性摩擦(cā)力👈Fm↑以及這(zhè)兩⚽個力的(de)合力Fr↑。這三(san)個力遵循(xún)下面的公(gong)式:

這裏設(she)定當浮子(zǐ)受力平衡(heng)度|Ef|<10%時，認爲(wèi)浮子受力(lì)達到平衡(héng),此時停止(zhi)計算。
3數值(zhi)仿真
3.1網格(ge)劃分及邊(bian)界設定
　　針(zhēn)對傳感器(qì)的流場模(mo)型,選擇三(sān)角形四面(mian)體網格來(lái)進行網格(gé)劃分。如圖(tú)3所示爲水(shui)平式浮子(zǐ)流量計浮(fú)子位于41mm高(gao)時的軸向(xiang)網格剖分(fèn)圖。
　　在進行(hang)邊界的設(she)定過程中(zhōng)設定速度(du)入口、壓力(lì)出口,并将(jiāng)👣導杆壁面(miàn)設定爲floatwalll,浮(fu)子壁面設(shè)定爲floatwall2,除浮(fú)子組件和(he)導📞向環外(wài)的空間設(she)定爲fluid。
3.2FLUNT計算(suàn)條件
模型(xíng)建好以後(hòu)輸出.msh文件(jiàn),利用FLUNT進行(háng)仿真,FLUNT中相(xiang)應計算🆚條(tiáo)件如表1所(suǒ)示。
　　其中流(liu)體介質的(de)屬性:密度(du)998.2kg/m2,粘度0.001003kg/ms,定壓(ya)比熱4182J/kg.K,熱導(dǎo)率0.6W/m.k.速💔度入(rù)口采用的(de)是平均速(su)度,針對浮(fu)子位于41mm高(gao)的模型計(ji)算達到平(píng)衡時的💋入(ru)口條件,如(rú)表2所示。

3.3仿真過程(cheng)
　　水平式浮(fu)子流量計(ji)三維流場(chǎng)的仿真過(guò)程如圖4所(suǒ)示。該過程(cheng)需🤞要解釋(shì)的幾點如(ru)下所示:
(1)因(yīn)每個模型(xing)入口流速(su)的準确值(zhí)未知,是根(gēn)據經典流(liú)量🔞公🥰式㊙️計(ji)算的一一(yī)個假設的(de)流量,因此(ci)仿真最☁️終(zhōng)結束的判(pàn)斷依據爲(wèi)浮子受力(lì)平衡的程(cheng)度,即通過(guò)檢查🐅仿真(zhen)結果,對浮(fu)💁子進行受(shòu)力分析,距(ju)離受力平(píng)衡點誤差(chà)小于10%時,認(rèn)爲達到計(jì)算精度❄️,仿(pang)真計算結(jié)束。當誤差(cha)大于10%,首先(xian)考☎️慮改進(jìn)該模型的(de)網格精度(dù),如圖4中的(de)左🐉側方案(an)1;當網格精(jīng)度改進到(dào)一定程度(du)後誤差仍(reng)大于10%,可修(xiu)正入口條(tiáo)件.(主要指(zhi)入口流速(sù),其餘條件(jiàn)可相應計(jì)算調整),如(rú)圖4中❤️的右(yòu)側方案2,直(zhi)到滿足計(ji)算精度。
(2)利(lì)用SMPLE算法計(ji)算時,每次(cì)計算叠代(dài)次數爲500次(ci),當不足500次(ci)SMPLE算法❓就已(yǐ)經達到收(shou)斂精度(10“)時(shí),程序自動(dong)結束,此💯時(shí)可檢查計(jì)算結果;當(dāng)叠🥵代次數(shu)大于500次仍(réng)未收斂時(shí),停止計算(suan),此時需重(zhòng)新檢查網(wǎng)格狀況和(he)邊界設定(dìng),進行網格(gé)的合理剖(pōu)分和邊界(jiè)的合理設(shè)定。實踐證(zhèng)明,網格布(bu)置的恰當(dāng)與否會直(zhí)接影響收(shou)斂速度和(he)收斂結果(guo),不合理的(de)網格布置(zhì)将導緻計(jì)算⭐發散或(huo)者結果不(bu)正确。

(3)叠代(dài)前首先打(da)開監視器(qi),監視X.Y、Z三個(gè)方向的流(liu)速以🐆及k方(fang)程和⭕c方程(chéng)的收斂狀(zhuàng)況,實踐證(zhèng)明,即使未(wèi)達到💋預計(ji)㊙️的叠代次(cì)數,若在監(jian)視器中已(yǐ)出現明顯(xian)的發🌈散現(xian)象,可強行(háng)🧡中止本次(cì)計算。
4仿真(zhēn)結果及實(shi)驗結果分(fen)析
4.1壓力場(chǎng)分析(圖5.圖(tu)6)
　　比較壓力(li)的絕對值(zhí)可以看到(dao):浮子底部(bu)左右壓力(li)不對稱,這(zhè)種不對稱(chēng)現象的存(cún)在使得流(liu)量比較大(da)時浮子會(hui)出現抖動(dong)。
4.2速度場分(fen)析(圖7.圖8)
據(ju)圖分析如(ru)下:
(1)據顔色(se)分辨出環(huán)隙流通面(mian)積最小處(chu)及下遊靠(kào)近錐🥰管壁(bì)🌈的流場速(sù)度最大,前(qián)者是流通(tong)面積減小(xiǎo)導緻速度(du)增大,後者(zhe)則是因爲(wèi)流場方向(xiàng)的改變而(er)引🙇🏻起的,特(tè)别是此處(chù)可能産生(sheng)旋渦,導緻(zhi)有效流通(tong)面積減小(xiao),流體被擠(ji)向管壁,使(shǐ)得此處速(sù)度增大。
(2)流(liú)場下遊,外(wài)直管左下(xià)角速度較(jiào)小,主要是(shi).因爲流㊙️場(chǎng)的出口在(zai)右邊,由于(yú)出口壓力(li)小,流體流(liú)動都趨向(xiang)出口。
(3)浮子(zi)的最小截(jié)面處,流場(chǎng)速度存在(zài)較大的變(bian)化。

4.3浮子受(shòu)力定量分(fen)析
　　從FLUNT的受(shòu)力報告中(zhōng)可以得到(dào)如表3所示(shì)數據,根據(ju)設計⛱️初樣(yang)給出的浮(fú)子材料及(jí)尺寸結構(gòu),可得浮子(zǐ)重力爲5.995146N。根(gen)據仿真👄結(jié)果,浮子在(zai)Z方向上的(de)合力爲5.4253127N。根(gēn)據受力平(píng)衡度誤差(cha)分析公式(shì)可得，1E,|=9.5%，小于(yu)設定值10%,認(rèn)爲浮子受(shòu)力達到平(ping)衡。

4.4物理實(shí)驗及結果(guǒ)分析
　　爲了(le)進一步驗(yàn)證傳感器(qi)流場仿真(zhen)結果,需要(yào)進行物💋理(li)實驗。按照(zhào)設計圖紙(zhi)加工設計(ji)模型,加工(gong)完後,配上(shang)流量顯示(shì)儀表,在标(biāo)準裝置上(shàng)進行标定(ding)。标定方法(fǎ)利用标準(zhǔn)表法,标💞準(zhǔn)表選擇渦(wo)輪流量計(jì)(精度0.5級)。結(jié)合仿真流(liu)量數據、物(wu)理實驗數(shu)據與根據(ju)浮子流量(liang)經典測🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量(liàng)公式得到(dao)🥰的設計流(liú)量數據進(jìn)行比較可(ke)以得到表(biao)⁉️4。

5大流量下(xia)流量傳感(gan)器結構的(de)優化及改(gǎi)進結構後(hou)的仿真
　　由(you)上述對壓(yā)力場的分(fen)析可知浮(fú)子組件受(shòu)力不平衡(héng),物理實驗(yan)也表明在(zài)大流量下(xià)會出現流(liu)量計振動(dong)的👅現象,這(zhe)是由于傳(chuán)感器流場(chang)出現了變(bian)化。從流場(chang)的速度分(fen)布圖可以(yǐ)看出,浮子(zi)組件的右(you)邊速度特(te)别大,其原(yuán)因有前👄流(liu)場引起的(de),也有後流(liú)場的因⭐素(su),由于傳感(gan)器的出口(kou)在右邊,所(suǒ)以流體有(yǒu)向右邊流(liú)的趨勢。另(lìng)外,由于浮(fu)子組件前(qian)直管段有(yǒu)個直角彎(wan),容易産生(shēng)二次流,對(dui)浮🤞子組件(jian)的受力也(ye)有很大的(de)影響。所以(yi),要減弱㊙️振(zhen)動,解決的(de)根本方法(fǎ)就是改變(bian)傳感器結(jie)構參數、優(you)化流場、使(shǐ)浮子左右(yòu)受力差✏️盡(jin)量減小。
根(gēn)據上述分(fen)析下面對(duì)水平式流(liú)量傳感器(qì)的結構提(ti)出🌐幾🔅點優(yōu)化方案:
(1)加(jia)入整流器(qi),以消除或(huò)減小旋渦(wo)的産生,同(tong)時調整流(liú)速的分布(bu)狀況。
(2)将前(qian)流場的直(zhí)管連接改(gai)爲彎管連(lian)接,減少旋(xuán)渦的産💚生(shēng),順滑流體(ti)的流動,使(shǐ)傳感器有(you)比較平穩(wen)的前流場(chǎng)。
(3)延長前直(zhí)管段。這裏(lǐ)提及的直(zhí)管段指錐(zhuī)管前的垂(chui)直直管段(duan),這📐也是爲(wèi)了使流體(tǐ)在通過整(zheng)流器後有(you)比較長的(de)緩和段,使(shǐ)流場接近(jìn)充分發展(zhǎn)的流速分(fèn)布。
改進結(jie)構後的仿(páng)真結果如(ru)圖9、10所示,據(ju)圖分析如(ru)下:
（1）改進結(jié)構後流場(chǎng)的壓力分(fèn)布得到改(gǎi)善,浮.子組(zǔ)件🔞受力接(jie)近平衡,但(dan)是,由于整(zheng)流器的引(yin)入,導緻了(le)整流器前(qian)後壓差增(zēng)大,帶來比(bi)較大的壓(ya)損。

(2)改進結(jie)構後流場(chǎng)的速度分(fen)布比較均(jun)勻,特别是(shì)使浮🐇子組(zu)☔件周圍沒(méi)有太大的(de)速度差,同(tong)樣由于整(zhěng)流器的使(shi)用,也使浮(fu)子組件🌈的(de)前流場更(gèng)加複雜。通(tōng)過物理實(shí)驗也證✉️實(shi)了這幾種(zhong)優化方案(an)可以有效(xiao)的減少浮(fu)子左右受(shòu)力差,穩定(dìng)浮子。
6結論(lùn)
　　由上述數(shu)據分析可(ke)知,對于浮(fú)子在41mm高處(chù)，時的三維(wei)湍流流🤟場(chǎng)進行仿真(zhen)可得到設(she)計要求的(de)流量上限(xiàn)值。此位置(zhì)處浮子受(shòu)力平衡度(dù)誤差爲9.5%，傳(chuán)感器物理(lǐ)☀️實驗獲得(de)的示值刻(ke)度流量與(yǔ)🔞通過湍🌐流(liú)數值模拟(ni)進行流場(chang)仿真實驗(yan)獲得的仿(páng)真流量值(zhi)🧡較爲接近(jin),仿真流量(liàng)誤⛹🏻‍♀️差爲0.944%。本(ben)文利用浮(fú)子受力🔴平(píng)衡度誤差(chà)法确定仿(páng)真計算精(jīng)度獲得了(le)較爲理想(xiǎng)的效🈲果,即(jí)仿真過程(chéng)💛無需過分(fen)強調浮子(zi)受力平衡(héng)度誤差的(de)減小,仿真(zhēn)流量誤差(cha)即可得到(dao)令人滿意(yì)的結果。
　　理(li)論分析和(hé)實驗研究(jiu)表明,這種(zhǒng)設計方法(fa)不僅可以(yǐ)進一步地(dì)理解流體(tǐ)流動的機(ji)理和浮子(zi)流量計的(de)測量原理(li),而🍓且使流(liu)量傳感器(qì)的設計進(jìn)--步得到優(you)化,使流量(liàng)測量的靈(ling)敏度和精(jing)确度得到(dào)明顯的提(ti)高。此外,對(duì)流場的數(shu)值仿真與(yu)實驗研究(jiu)也是分❓析(xī)、解決流量(liang)計其它問(wen)題的一-種(zhong)有效方法(fǎ)。目前基🔞于(yu)這種方法(fa)設計的水(shuǐ)平式金屬(shǔ)管浮子流(liú)量計已經(jing)投入市場(chang)，現場，反饋(kuì)這🐕種流量(liang)計性能穩(wěn)定，精度💞可(kě)靠。

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