摘要(yào):利用基于計算(suàn)流體力學的流(liú)量傳感器設計(ji)❌方🌈法實現了對(dui)适合安裝于水(shuǐ)平管道的特殊(shu)結構的 金屬管(guan)浮子流量計 三(sān)維湍流流場的(de)數值仿真研究(jiū).流場仿真所需(xū)的模型采🍉用CAMBIT軟(ruan)🐅件建立,通過FLUNT軟(ruan)件進行仿真，仿(pang)真過程中利用(yòng)受力平衡來㊙️控(kòng)制計算精度.數(shù)值仿真結果和(hé)物理實驗結🚩果(guǒ)比較🚶,浮子受力(lì)平衡♌誤差絕對(dui)值⛹🏻‍♀️爲2.01%時，,流量誤(wu)差絕對值爲0.70%,證(zheng)實了仿真結果(guo)的正确率.同時(shi),利用流場仿真(zhen)信息對流量傳(chuan)💔感器結構做了(le)進一步改進💛,解(jie)決了水平式金(jīn)屬管浮子流量(liang)計 在大流量下(xia)的浮子振動問(wèn)題。
　　金屬管浮子(zǐ)流量計是一種(zhǒng)傳統的變截面(miàn)流量計,具🌈有結(jie)💋構簡單、工作可(kě)靠、壓力損失小(xiǎo)且穩定、可測♈低(dī)流速介💋質等諸(zhū)多優點,廣泛應(ying)用于測量高溫(wen)、高壓及腐蝕性(xìng)流體介質💃川,由(yóu)其測量原♈理決(jue)定,它一般需豎(shù)直㊙️安裝.但是,在(zài)某些特定的工(gōng)業應用中,需㊙️要(yao)使用水平🎯安裝(zhuang)浮子流量計,其(qí)測量原理雖與(yu)經典的豎直型(xíng)浮子流量計相(xiang)同,但它卻是一(yi)種可以安裝于(yú)水平管道🥰的特(tè)殊結構的浮子(zǐ)流量計.
　　一般對(duì)浮子流量計的(de)經典研究"是根(gen)據伯努利方🔴程(cheng)✉️進㊙️行的.該方程(chéng)要求流體運動(dong)是恒定流、流體(tǐ)是理想流體(理(li)想流體⁉️是指忽(hu)略了黏滞性的(de)流體)且是不.可(ke)壓縮均質流體(tǐ),但是浮子流量(liang)計中流過的流(liú)體并不嚴格滿(man)足🧑🏾‍🤝‍🧑🏼這3個條件,而(er)且傳統流量計(jì)的設計要通過(guo)實驗來檢驗和(he)修正設計圖紙(zhǐ),這樣不🌂僅延長(zhǎng)了設計周期,還(hai)增加了😄設計成(cheng)本.基于上述2點(dian)原因,在設計水(shui)平式金屬管浮(fú)子流量計的時(shí)候引入了計算(suan)流體力學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)4),對浮子流量傳(chuán)感器流場進行(hang)數值仿真，通過(guò)🏃🏻‍♂️對仿真及實驗(yan)數據進行比較(jiào)來評價初樣設(she)計，優化流量傳(chuán)感器的結構參(cān)數,使流量傳感(gǎn)器的設計更加(jiā)正确,提高了設(she)計效率🌏.
1水平式(shì)金屬管浮子流(liú)量計的原理
1.1檢(jian)測原理
　　水平式(shì)金屬管浮子流(liú)量計的檢測原(yuán)理(見圖1)與傳統(tǒng)的金屬管浮子(zi)流量計相同,其(qí)體積流量：
 
　　式中(zhōng):qv爲浮子流量計(ji)的體積流量;α爲(wei)流量系數;h爲浮(fú)子在錐管中的(de)垂直位置;φ爲錐(zhuī)形管錐半角;Af爲(wei)浮子✂️體積;ρf爲浮(fu)子材料密度;ρ爲(wei)流體密度;A爲浮(fú)子垂直于流向(xiang)的最大截面積(ji);D0爲浮子最大迎(yíng)流面的直徑;Dh爲(wei)浮子平衡在h高(gāo)度時錐形管的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻直徑;df爲浮子最(zui)大直徑.
 
　　在式(1)中，流量系(xì)數α是一個受很(hěn)多因素影響的(de)變量🐉，難以給出(chū)一個确切的數(shù)值，而且對于本(ben)文研究設🥰計的(de)水平式金屬管(guǎn)浮子流量計,由(you)于其結構的特(te)💔殊性,在錐管的(de)上遊保證不了(le)5倍管徑🛀以上長(zhǎng)度的直管段,造(zào)成流場畸變,因(yin)此利用式(1)計算(suan)🔞流量将會💞與實(shi)際的流量值存(cún)在一定的偏差(chà),所以更有必要(yào)🔅利用數值仿真(zhen)的方法來保證(zheng)設計流量的準(zhun)确性.
1.2設計要求(qiu)
　　所研究的水平(píng)式金屬管浮子(zi)流量計,測量介(jiè)質爲20℃的水🔴，口☎️徑(jing)爲DN50,設計要求流(liú)量測量範圍1~10m³/h,量(liang)程比爲10:1,浮子行(hang)程50mm,其流量系數(shu)的經驗值爲0.9~1.0.水(shui)平式金屬管浮(fú)子流量計剖面(miàn)😄圖如圖2所示。
 
2數值仿真
2.1模(mó)型建立
　　爲了研(yán)究該水平式金(jin)屬管浮子流量(liang)計達到上限流(liú)量時的性質,建(jian)立浮子位于41mm高(gao)處的流量傳感(gǎn)器💯三維流場模(mó)型,如圖💛3所示.
 
　　該(gāi)模型利用CAMBIT軟件(jiàn)建立.GAMBIT軟件是面(miàn)向CFD的專業前處(chù)理器軟件,它包(bao)含全面的幾何(he)建模能力.
2.2網格(ge)劃分及邊界設(shè)定
　　GAMBIT除了強大的(de)建模能力外,也(ye)是功能強大，的(de)網格劃分工🌐具(ju).針🍉對傳感器的(de)流場模型,選擇(ze)三角形-四面🌐體(ti)網👌格來進行網(wǎng)格化分.圖4爲水(shuǐ)平式浮子流量(liang)計浮子位于41mm高(gao)時🏃🏻‍♂️的軸向網格(ge)剖🧑🏾‍🤝‍🧑🏼分圖.
　　在進行(háng)邊界的設定過(guò)程中設定速度(du)入口,壓力出口(kǒu),并将導杆壁面(mian)設定爲float.wall1,浮子壁(bi)面設定爲float.wall2,除浮(fu)子組件🏃🏻‍♂️、錐管🧑🏽‍🤝‍🧑🏻組(zu)件和導向環外(wai)的空間設定爲(wei)fluid..
 
2.3仿真計算條件(jiàn)
　　本文采用FLUENT軟件(jian)對流量傳感器(qì)内部流場進行(háng)仿真.針對各種(zhong)複雜流動的物(wu)理現象,FLUENT軟件采(cǎi)用不同的離散(sàn)格式和數值方(fāng)法,以期在特定(dìng)的領域内使計(jì)🚩算速度、穩定性(xìng)和精度等方面(miàn)達到好的組合(hé),從而高效率地(di)🌂解決各個領域(yu)的複♈雜流動計(jì)算問題.
　　模型建(jiàn)好以後輸出.msh文(wén)件,在FLUENT中讀入網(wang)格文件.FLUENT中相🈲應(yīng)計算條件如表(biǎo)1所示.
　　其中流體(tǐ)介質的屬性爲(wei)密度998.2kg/m³,動力黏度(du)0.001003Pa·s,定壓比熱4182J/kg·K,熱導(dǎo)率0.6W/m·K.水平式金屬(shǔ)管浮子流量計(ji)内部流場是高(gao)雷諾數完全發(fa)展湍👨‍❤️‍👨流流動,所(suo)以采用湍流模(mó)式理論提供的(de)标準K-ε模型來計(ji)算。
　　金屬管浮子(zǐ)流量計内表面(mian)的材料是不鏽(xiu)鋼,設定粗糙常(chang)🤞數C_K_s=1,粗糙高度K_s=0.04.速(sù)度人口采用的(de)是平均速度.出(chu)入口的湍流參(cān)數爲
 
 
2.4計算精度(dù)的控制
　　利用浮(fu)子組件受力平(ping)衡來控制計算(suàn)精度.在FLU-ENT的受力(lì)分析👉報告中會(huì)提供指定壁面(miàn)所受到的淨壓(ya)力F,和黏㊙️性摩😘擦(ca)力Fm以及這2個力(lì)的合力Ff這3個力(li)遵循公式
 
　　這裏(lǐ)設定當浮子受(shou)力平衡度|EfI<5%時,認(rèn)爲浮子受力達(dá)到平✔️衡,此時停(tíng)止計算.
3仿真結(jié)果及實驗結果(guo)分析
　　通過改變(biàn)流量系數來改(gai)變流量值,進而(ér)調整入口💜及出(chu)口條件來使浮(fu)子組件達到受(shòu)力平衡.經典的(de)👨‍❤️‍👨流量系數♊在0.9~1.0之(zhī)間,選取包括邊(biān)界值在内的5個(gè)流量系數來進(jìn)行數值仿真,得(dé)到5組仿真數✔️據(ju).在下面的分析(xī)中給出第5組數(shù)據,亦即當浮子(zǐ)受力達到平衡(heng)時的壓力場和(hé)速度場分布情(qing)況(見圖☂️5和圖6)..
 
3.1壓(ya)力場分析
　　圖5爲(wei)叠代收斂後流(liu)量傳感器壓力(lì)場等勢圖和壓(yā)🔱力分🚶‍♀️布圖🈚,左邊(biān)光柱從上至下(xià)表示壓強從大(da)到小，據圖5分析(xī)如下:
(1)傳感器流(liú)場上遊的壓強(qiang)大于下遊的壓(ya)強;
(2)浮子最大直(zhi)徑處下遊壓強(qiang)最小;
(3)浮子最大(da)直徑處,流場壓(yā)強變化梯度最(zui)大;
(4)最大壓強在(zai)内直管垂直段(duàn)的底部;
(5)浮子最(zuì)大直徑處上下(xia)兩部分形成很(hen)大的壓差,這是(shi)使浮子穩定在(zai)這一高度的主(zhu)要作用力;
(6)浮子(zǐ)底部左右壓力(lì)不對稱，這種不(bu)對稱現象的存(cun)🔴在使得流量比(bǐ)較大時浮子會(huì)出現振動.
3.2速度(dù)場分析
　　圖6爲叠(dié)代收斂後傳感(gǎn)器速度場等勢(shi)圖和矢量圖.圖(tu)中左邊光柱從(cong)上至下表示速(sù)度由大至小.由(you)圖6.分析如下:
(1)據(jù)顔色分辨出環(huán)隙流通面積最(zuì)小處及下遊靠(kào)近錐管壁的流(liú)場速度最大,前(qian)者是流通面積(jī)減小導緻速度(du)增♻️大,後者則是(shì)因爲流場方向(xiàng)的改變引起的(de),特别🥵是此處可(ke)能産生漩渦⭕,導(dao)緻有效流通面(miàn)積減小,流體被(bei)擠向管壁,使得(dé)此處速度增大(da);
(2)流場下遊,外直(zhí)管左下角速度(dù)較小,主要是因(yīn)爲流場的🌈出🍉口(kou)在右邊，由于出(chu)口壓力小，流體(tǐ)流動都趨向出(chū)🏒口;.
(3)浮子的最小(xiǎo)截面處,流場速(sù)度存在較大的(de)變化.
3.3浮子組件(jian)受力定k分析
　　根(gen)據設計初樣給(gei)出的浮子材料(liao)及尺寸結構,可(kě)得✉️浮子重力爲(wèi)5.97N.從FLUENT的受力報告(gao)中可以得到表(biǎo)2所示數據.
 
3.4物理(li)實驗及結果分(fèn)析
　　爲了進一步(bu)驗證傳感器流(liú)場仿真結果,需(xu)要進行.物理實(shí)驗.按照設計圖(tú)紙加工設計模(mo)型,加工完後,配(pei)上流量顯示儀(yi)表🐉,在标準裝置(zhi)上進行實驗.實(shí)驗利用标準表(biao)法,标準表選擇(ze)電磁流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計(精(jīng)度0.2級).結合仿真(zhēn)流量數據、物理(li)實驗數💰據進行(hang)比較可以得到(dao)表3.
 
4DN80水平式金屬(shu)管浮子流量計(jì)流量傳感器結(jie)構的優🛀化及仿(páng)真
　　由上述對DN50水(shui)平式金屬管浮(fú)子流量傳感器(qì)三維湍流流場(chang)壓力場的分析(xi)可知浮子組件(jiàn)受力不平衡，物(wù)理🌏實驗也表明(ming)在大流量下會(hui)出現浮子振動(dòng)的現象,這是由(yóu)于傳感器💰流場(chǎng)發生了畸😄變.在(zài)這個口徑下浮(fú)子振動不是很(hen)明顯,流量計可(ke)以🌐正常工作.但(dàn)是在大流量下(xia),尤其是在DN80及其(qi)以上🌈口徑的流(liu)量計中浮子的(de)振動現象已經(jing)是一個不可忽(hū)略的問題.
　　從流(liu)場的速度分布(bu)圖6可以看出,浮(fú)子組件的右邊(bian)👅速度特别大,其(qí)原因有前流場(chǎng)引起的，也有後(hòu)流場的因素,由(yóu)于傳感器的出(chu)口在右邊,所以(yǐ)流體有向右邊(biān)流⛷️的趨勢.另外(wai)，由于浮子👅組件(jiàn)前直管段有個(gè)直角彎,容易産(chǎn)生二次流,對浮(fú)子組件的受力(li)也有⭐很大的影(yǐng)響.所以,要減弱(ruò)✂️振動,解決的根(gen)本方法就是改(gǎi)變傳感㊙️器結構(gòu)參數,優化🏃‍♀️流場(chang),使浮子左右受(shòu)力差盡量減小(xiao)。
根據上述分析(xī),下面對水平式(shi)金屬管浮子流(liu)量傳感器🍉的結(jie)構提出幾點優(yōu)化方案:
(1)加人整(zheng)流器,消除或減(jian)小旋渦的産生(sheng)，同時調整流速(su)的分布狀📐況;
(2)将(jiang)前流場的直管(guǎn)連接改爲彎管(guǎn)連接,減少旋渦(wō)的産✔️生,順滑流(liú)體的流動,使傳(chuán)感器有比較平(píng)穩的前流場;
(3)延(yán)長錐管前的垂(chuí)直直管段,這也(ye)是爲了使流體(ti)在🆚通過整流器(qi)後有比較長的(de)緩和段,使流場(chǎng)接近充分發展(zhan)的流速分布💜;
 
　　改(gai)進結構後的仿(pang)真結果如圖7和(he)圖8所示，由圖可(ke)知:①改進結構🐇後(hou)流場的壓力分(fèn)布得到改善,浮(fu)子組件🌈受力👉接(jie)近平衡,但是,由(yóu)于整流器的引(yin)人,導緻了整流(liu)器前後壓差增(zeng)大,帶㊙️來比較🍓大(da)的壓損;②改進結(jie)構後流場的🈚速(sù)度分布比較均(jun)勻,特别是使浮(fu)子組件周.圍沒(méi)有太大的速度(dù)差,同樣由于整(zhěng)流器的使用，也(ye)使浮子組件的(de)前流場更加複(fú)雜.
 
　　通過物理實(shi)驗也證實了這(zhe)幾種優化方案(àn)可以有效的減(jian)少浮子左右受(shou)力差,穩定浮子(zi),使流量計在進(jin)行大流👈量測量(liang)中也可以穩定(ding)工作.
5結語
　　由上(shàng)述數據分析可(kě)知,對于浮子在(zài)41mm高處時的三維(wei)湍流🐅流💞場進行(hang)仿真可得到設(she)計要求的流量(liang)上限值.此🛀🏻位置(zhì)🚶‍♀️處浮✂️子受力平(ping)衡誤差絕對值(zhi)爲2.01%,傳感器物理(li)實驗獲得的示(shì)值😘刻度流🌈量與(yǔ)通過湍流數值(zhi)模拟進行♻️流場(chǎng)仿真實驗獲得(dé)的仿真流量值(zhí)較爲📱接近,仿真(zhēn)流量誤差絕對(dui)值爲0.70%.因此,浮子(zǐ)受力平衡度誤(wù)差法确🛀🏻定🔞仿真(zhēn)計算精度獲得(de)了較爲理想的(de)效果.
　　理論分析(xi)和實驗研究表(biǎo)明,這種設計方(fāng)法不僅可以進(jìn)一💰步的🏃🏻理解流(liu)體流動的機理(lǐ)和浮子流量計(jì)的測量原理，而(er)💘且使👈流量🔞傳感(gǎn)器的設計進一(yī)步得到優化,使(shǐ)流量🔴測量的靈(líng)敏度💞和精度得(de)到明顯的提高(gāo).此外,對流場的(de)數值仿真與實(shí)驗研💋究也是分(fen)💚析解決流量計(jì)其他問題🐅的一(yī)種有效方法.目(mù)前基🔴于這種方(fang)法設計的水平(ping)式金屬管浮子(zi)流量計已成功(gong)應用于工業現(xiàn)場,現場反饋這(zhè)種流量計性能(néng)⁉️穩定,精度可靠(kào),具有廣闊的發(fā)展前景.

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