摘要:通過對适(shì)合安裝于水平管(guǎn)道的特殊結構的(de)水平安裝金屬管(guǎn)浮子流量計 三維(wéi)湍流流場的數值(zhí)仿真及實驗研究(jiu)提出一種基于☂️計(jì)算流☔體力學的流(liú)量傳感器設計方(fāng)法。流場仿真所需(xu)🈲的模型采用GAMBIT來建(jian)立,通過FUNT軟件進行(háng)仿真,仿真過程中(zhōng)利🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用受力🚩平衡控(kòng)💚制計算精度。數值(zhí)仿真結果和實驗(yan)結果比較當浮子(zǐ)受力平⁉️衡度誤差(chà)爲9.5%時,流量誤差爲(wei)0.944%,證實了仿真結果(guo)的準确性,同時🈚利(lì)用流場仿真📱信息(xī)對流量傳感器模(mo)型做了進--步的優(yōu)化。
1引言
　　金屬管式(shi)浮子流量計 是一(yi)種傳統的差壓式(shi)流量計,爲了适應(yīng)部分管道🐕的特殊(shū)要求,本文設計研(yán)究的浮子流量計(ji)是左進右出👉型的(de)🔴,其測⚽量原理與經(jīng)典的豎直型浮子(zǐ)流量計相同,但它(tā)是一種可以安裝(zhuāng)㊙️于水平管道的特(tè)殊結構的浮子流(liu)量計。
　　一般對浮子(zi)流量計 的經典研(yán)究是根據伯努利(li)方程進行的,在推(tui)導浮⭕子流量㊙️計流(liú)量測量公式時忽(hū)略了粘性應力項(xiang),而該項的作👅用實(shí)際上是存🏒在的;傳(chuán)統流量計的設計(jì)要通過實驗來檢(jiǎn)驗和修正設💋計圖(tu).紙,這樣不僅延長(zhǎng)了設計周期而且(qiě)增加了設計成本(běn)。基于.上述兩🔞點原(yuan)因,在設💃計水平式(shi)安裝浮子流量計(ji)時爲了深入了解(jiě)浮子流量傳感器(qì)的工作機理,引入(ru)了計算流體力學(xue)❌,即CFD2]技術,對傳感器(qi)流場進行數值模(mo)拟,通過對仿真及(jí)實驗結果進行分(fen)析來評價初樣設(shè)計,優化流量傳感(gan)器的結構參數,使(shi)流量傳感器的設(she)計更加精确,并提(tí)高了設計效率。
2水(shui)平安裝金屬管浮(fu)子流量計 的原理(lǐ)
2.1檢測原理(圖1)

　　水(shuǐ)平安裝金屬管浮(fú)子流量計的檢測(ce)原理與傳[1]統💔的金(jin)屬管浮子流量計(jì)相同,其體積流量(liàng)公式爲

　　式中:Qv-體積(jī)流量;α-流量系數;h--浮(fú)子位置;φ-錐形管錐(zhuī)半角;Vf-浮子體積;Qf-浮(fu)子材料密度;Q一流(liú)體密度;Af-浮子垂直(zhí)于流向的最大截(jié)☁️面積;D。一浮子最大(dà)迎流面的直徑;Dh-浮(fu)子平衡在h高度時(shi)錐形管的直徑;df-浮(fu)子🧑🏽‍🤝‍🧑🏻最大直徑。
2.2模型(xíng)建立及其設計要(yào)求
　　浮子流量計傳(chuan)統的設計方法是(shì)建立在式(1)的基礎(chu)之.上,在該方程中(zhong)流量系數α是一個(ge)受很多因素影響(xiǎng)的變量🔴。對于🥰本文(wén)所研究的水平式(shì)安裝浮子流㊙️量計(jì),測量介質爲20℃的水(shui)㊙️,設計要✂️求流量測(cè)量範圍1~10m3/h,量程比爲(wèi)10:1,行程50mm,其流量系數(shù)x的經驗值爲0.9~10。浮㊙️子(zi)位于41mm高處的傳感(gǎn)器三維流場模✉️型(xing)如圖2所示。
2．3計算精(jīng)度的控制
　　利用浮(fú)子組件受力平衡(heng)來控制計算精度(du)。在FLUNT的受力分析報(bào)告中會提供指定(ding)壁面所受到的淨(jìng)壓力Fy↑和粘性摩擦(ca)力Fm↑以及這兩個力(li)的合力Fr↑。這三個力(lì)遵循下面的公式(shi):

這裏設定當(dāng)浮子受力平衡度(du)|Ef|<10%時，認爲浮子受力(lì)達❓到平衡,此時停(ting)止計算。
3數值仿真(zhen)
3.1網格劃分及邊界(jiè)設定
　　針對傳感器(qi)的流場模型,選擇(zé)三角形四面體網(wang)格來進行網格⭕劃(huà)分。如圖3所示爲水(shui)平式浮子流量計(ji)浮子位于41mm高時的(de)軸向網格剖分圖(tú)。
　　在進行邊界的設(shè)定過程中設定速(sù)度入口、壓力出口(kou),并将導杆壁面設(she)定爲floatwalll,浮子壁面設(shè)定爲floatwall2,除浮子組件(jiàn)和導💁向環外的空(kong)間設定爲fluid。
3.2FLUNT計算條(tiáo)件
模型建好以後(hou)輸出.msh文件,利用FLUNT進(jin)行仿真,FLUNT中相應計(ji)算條件如💜表1所示(shi)。
　　其中流體介質的(de)屬性:密度998.2kg/m2,粘度0.001003kg/ms,定(ding)壓比熱4182J/kg.K,熱導率0.6W/m.k.速(su)度入口采用的是(shi)平均速度,針對浮(fú)子位于41mm高的🔴模型(xing)計算達到平衡時(shí)的入口條件,如表(biǎo)2所示。

3.3仿真過程
　　水平(píng)式浮子流量計三(sān)維流場的仿真過(guò)程如圖4所示。該過(guo)程☎️需要解釋的幾(ji)點如下所示:
(1)因每(měi)個模型入口流速(su)的準确值未知,是(shì)根據經典☁️流🤩量公(gong)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼式計算的一一個(ge)假設的流量,因此(ci)仿真最💘終結✌️束的(de)判斷依據爲浮子(zi)受力平衡的程度(du),即通過檢查仿真(zhēn)結果,對浮子進行(háng)👣受力分💃析,距離受(shòu)力👨‍❤️‍👨平衡點誤差小(xiǎo)于10%時,認爲達到計(jì)算精度🐇,仿真計算(suan)✌️結束。當誤差大于(yú)10%,首先考慮改進該(gāi)模型的網格精㊙️度(dù),如圖4中的左側方(fang)案1;當網格精度改(gǎi)進到一👉定程🐉度後(hòu)誤差🏃‍♀️仍大于10%,可修(xiu)正入口條件.(主要(yao)指入口流速,其餘(yú)條件可相應計算(suàn)調整),如圖4中的🌈右(you)側方案2,直到滿足(zú)計算精度。
(2)利用SMPLE算(suan)法計算時,每次計(ji)算叠代次數爲500次(cì),當不足🌂500次SMPLE算法就(jiù)已經達到收斂精(jing)度(10“)時,程序自動結(jié)束,此時可檢查計(jì)算結果;當叠代次(ci)數大于500次仍未收(shou)斂🌍時,停止計算,此(cǐ)時需重新檢查網(wǎng)格狀✊況和邊界設(she)定,進行網格的合(he)理剖分和邊界的(de)合理設定。實踐✌️證(zhèng)明,網格布置的恰(qia)當與否會直接影(ying)響收斂速度和收(shōu)斂結果,不合理的(de)網格布置将導緻(zhi)計算發散或者結(jie)果‼️不正确。

(3)叠代前(qian)首先打開監視器(qi),監視X.Y、Z三個方向的(de)流速以及💰k方程和(he)c方程的收斂狀況(kuàng),實踐證明,即使未(wei)達到預計的叠✨代(dài)次數,若💯在監🏃🏻‍♂️視器(qi)中已出現明顯的(de)發散現象,可強行(háng)中止本次計算💜。
4仿(pang)真結果及實驗結(jie)果分析
4.1壓力場分(fen)析(圖5.圖6)
　　比較壓力(li)的絕對值可以看(kan)到:浮子底部左右(yòu)壓力不對稱,這🥰種(zhong)不對稱現象的存(cun)在使得流量比較(jiào)大💞時浮子會出現(xiàn)抖動。
4.2速度場分析(xī)(圖7.圖8)
據圖分析如(ru)下:
(1)據顔色分辨出(chu)環隙流通面積最(zui)小處及下遊靠近(jìn)錐管壁的流場速(sù)度最大,前者是流(liú)通面積減小導😘緻(zhì)速度增大,後者則(zé)是因爲流場方向(xiang)的改變而引起的(de),特别是此處可能(néng)産生旋渦,導緻有(you)效流通面積減小(xiǎo),流體被擠向管壁(bi),使得此處速度‼️增(zeng)大。
(2)流場下遊,外直(zhí)管左下角速度較(jiao)小,主要是.因爲流(liu)💚場🙇🏻的出口在右邊(bian),由于出口壓力小(xiao),流體流動都趨🆚向(xiang)出口。
(3)浮子的最小(xiǎo)截面處,流場速度(du)存在較大的變化(hua)。

4.3浮子受力定量分(fen)析
　　從FLUNT的受力報告(gao)中可以得到如表(biao)3所示數據,根據設(she)計👅初🐉樣給出🍉的浮(fú)子材料及尺寸結(jie)構,可得浮子重力(lì)爲🚶5.995146N。根據仿真結果(guǒ)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,浮子在Z方向上的(de)合力爲5.4253127N。根據受力(li)平衡度誤差分析(xī)公式可🏃得，1E,|=9.5%，小于設(she)定值10%,認爲浮子受(shou)力達到平衡🔴。

4.4物理(li)實驗及結果分析(xi)
　　爲了進一步驗證(zhèng)傳感器流場仿真(zhēn)結果,需要進行物(wù)理實驗。按照設計(ji)圖紙加工設計模(mó)型,加工完後,配上(shàng)流量😘顯示儀表,在(zai)标準裝置上進行(hang)标定。标定方法利(lì)用标準表法,标準(zhun)表選擇渦輪🈲流量(liàng)計(精度0.5級)。結合仿(páng)真流量數據、物理(li)實💯驗數據與根據(ju)浮子流量經典測(ce)量公式得到⛱️的設(she)計流量數據進行(háng)比🔅較可以得到表(biǎo)🥰4。

5大流量下流量傳(chuan)感器結構的優化(huà)及改進結構後的(de)仿真
　　由上述對壓(ya)力場的分析可知(zhi)浮子組件受力不(bu)平衡,物理實驗也(yě)表明在大流量下(xia)會出現流量計振(zhen)動的現象👄,這是由(yóu)于傳感器流場出(chu)現了變化。從流場(chang)的速度分布圖可(ke)以🔞看出,浮子組件(jian)的右邊速度🏃🏻特别(bié)大,其原因有前流(liu)場引起的,也有後(hòu)流場的因素,由于(yu)傳感器的出口在(zai)右邊,所以流體有(yǒu)向右邊流的趨勢(shì)。另外🈲,由于浮子組(zu)件♈前直管段有個(ge)直角🈚彎,容易産生(shēng)二次流,對浮子組(zu)件的受力也有很(hěn)大的影響。所以,要(yao)減弱振動,解決的(de)根本方法就是改(gai)變傳感器結構參(can)數、優化流場、使浮(fu)子左右受力差💘盡(jìn)量減小。
根據上述(shu)分析下面對水平(ping)式流量傳感器的(de)結構💃提出幾點🐆優(yōu)👌化方案:
(1)加入整流(liú)器,以消除或減小(xiǎo)旋渦的産生,同時(shi)調整流速的分布(bu)狀況。
(2)将前流場的(de)直管連接改爲彎(wān)管連接,減少旋渦(wō)的産✉️生,順‼️滑流體(tǐ)的流動,使傳感器(qi)有比較平穩的前(qian)流場。
(3)延長前直管(guan)段。這裏提及的直(zhí)管段指錐管前的(de)垂👣直直管段,這⭕也(ye)是爲了使流體在(zài)通過整流器後有(you)比較長的緩和段(duan),使流場接近充分(fen)發展的流速分布(bù)。
改進結構後的仿(páng)真結果如圖9、10所示(shi),據圖分析如下:
（1）改(gǎi)進結構後流場的(de)壓力分布得到改(gǎi)善,浮.子組件受♉力(lì)💁接近平衡,但是,由(you)于整流器的引入(rù),導緻了整流器🙇🏻前(qián)後壓差增大,帶來(lai)比較大的壓損。

(2)改(gai)進結構後流場的(de)速度分布比較均(jun1)勻,特别是使浮子(zǐ)組件周圍沒有太(tai)大的速度差,同樣(yàng)由于整流器的🔴使(shi)用🛀🏻,也使浮子組件(jian)的前流場更加複(fú)雜。通過物理實⛷️驗(yàn)也證實了這幾種(zhong)優化方案可以有(you)效的🤩減少浮子左(zuǒ)右受力🌈差,穩定浮(fu)子。
6結論
　　由上述數(shu)據分析可知,對于(yu)浮子在41mm高處，時的(de)三維🌈湍流流場進(jin)🈚行仿真可得到設(she)計要求的流量上(shàng)限值。此位置處浮(fu)子受力平✌️衡度誤(wu)差爲9.5%，傳感器物理(li)實驗獲得的示✨值(zhí)刻度流量與通過(guò)湍流數值模拟進(jin)行流場仿真實驗(yàn)獲得的仿真流量(liàng)值較爲接近,仿真(zhēn)流量誤♊差爲0.944%。本文(wén)利用浮子受力平(ping)衡度誤差🆚法确定(dìng)仿真計算精度獲(huò)得了較爲理想的(de)效✍️果,即仿真過程(chéng)㊙️無需過分強調浮(fu)子受力平衡度誤(wu)差的減小,仿真流(liú)量誤差🐆即可得到(dao)令人滿意❓的結果(guǒ)。
　　理論分析和實驗(yan)研究表明,這種設(shè)計方法不僅可以(yi)進一步地理解流(liú)體流動的機理和(he)浮子流量計🚶‍♀️的測(cè)💘量原理,而且使流(liu)量傳感器的設計(ji)進--步得到優化,使(shǐ)流量測量的靈敏(min)度和☔精确度🌍得到(dào)明顯的提高。此外(wai),對流場的數值仿(pang)真與實驗研究也(ye)是分析、解決流量(liang)計其它問題的一(yī)-種有效方法。目前(qian)基于這種方法設(she)計的水平式金屬(shu)管浮子流量計已(yi)經投入市場，現場(chang)，反饋這💘種流量計(ji)🈲性能穩定，精度🈲可(kě)靠。

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