摘(zhai)要:通過(guo)對适合(he)安裝于(yu)水平管(guan)道的特(tè)殊結構(gòu)的水平(ping)安裝金(jīn)屬管浮(fu)子流量(liàng)計 三維(wei)湍流流(liú)場的數(shù)值仿真(zhen)及實驗(yàn)研究提(tí)出一種(zhǒng)基于計(jì)算💃🏻流體(tǐ)力學的(de)流量傳(chuán)感器設(shè)計方法(fa)。流場仿(pang)真🐇所需(xu)的模型(xing)采用GAMBIT來(lai)建立,通(tong)過FUNT軟件(jian)進行仿(pang)真,仿真(zhen)過程中(zhōng)利用受(shòu)力平衡(héng)控制計(jì)算精度(dù)。數值仿(pang)真結果(guo)和實驗(yan)結果🌈比(bǐ)較當浮(fu)子受力(lì)平衡度(du)誤差爲(wei)9.5%時,流量(liang)誤差爲(wei)0.944%,證實了(le)仿真結(jié)果的準(zhǔn)确性,同(tóng)時利用(yòng)流場仿(páng)真信息(xī)對流量(liàng)傳♊感器(qi)模型做(zuò)了進--步(bù)的優化(hua)。
1引言
　　金(jīn)屬管式(shi)浮子流(liú)量計 是(shì)一種傳(chuan)統的差(chà)壓式流(liu)量計,爲(wei)了适應(ying)部分管(guan)道🏃‍♀️的特(te)殊要😄求(qiú),本文設(she)計研究(jiū)的浮子(zi)流量計(jì)是左進(jin)右出型(xing)的,其測(cè)量原理(lǐ)與♻️經典(diǎn)的豎直(zhi)型浮子(zi)流量🌈計(jì)相同,但(dan)它是🛀🏻一(yī)種可以(yi)安裝于(yu)水平管(guǎn)道的特(te)殊結構(gou)的浮㊙️子(zi)流量計(ji)。
　　一般對(dui)浮子流(liu)量計 的(de)經典研(yán)究是根(gen)據伯努(nǔ)利方程(cheng)進行的(de),在推導(dǎo)浮子🈚流(liu)量計流(liú)量測量(liàng)公式時(shí)忽略了(le)粘性應(yīng)力項,而(ér)該項的(de)作✍️用實(shi)🌈際上是(shì)存🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在的(de);傳統流(liú)量計的(de)設計要(yao)通過實(shi)驗來🛀🏻檢(jiǎn)驗和修(xiū)正設計(jì)圖.紙,這(zhe)樣不僅(jin)延長了(le)設計周(zhou)期而且(qie)增加了(le)設計成(cheng)本。基于(yú).上述兩(liang)點原因(yin),在設計(ji)水平式(shì)安裝浮(fu)子流量(liàng)計時爲(wèi)了深入(ru)了解浮(fu)子流量(liang)傳感器(qì)的工作(zuo)機理,引(yin)入了計(ji)算流體(tǐ)力學,即(ji)CFD2]技術,對(duì)傳感器(qì)流場進(jìn)行數值(zhí)模拟,通(tōng)過對仿(páng)真及實(shi)驗結果(guǒ)進行分(fèn)析來評(ping)價初樣(yang)設計,優(you)化流量(liang)傳感器(qi)的結構(gou)參數,使(shǐ)流量傳(chuán)感器的(de)設計更(gèng)加精确(què),并提高(gao)了設🌈計(jì)效率。
2水(shui)平安裝(zhuang)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計 的(de)原理
2.1檢(jian)測原理(lǐ)(圖1)

　　水平安(an)裝金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì)的檢測(cè)原理與(yu)傳[1]統👌的(de)金屬管(guan)🏃🏻浮💁子流(liú)量計相(xiang)同,其體(ti)積流量(liang)公式爲(wei)

　　式中:Qv-體(tǐ)積流量(liang);α-流量系(xì)數;h--浮子(zǐ)位置;φ-錐(zhui)形管錐(zhui)半角;Vf-浮(fú)子體積(jī);Qf-浮子材(cái)料密度(dù);Q一流體(ti)密度;Af-浮(fu)子垂直(zhi)于流向(xiang)的最大(da)截面積(jī);D。一浮子(zǐ)最大迎(ying)流面的(de)直徑;Dh-浮(fú)子平衡(heng)在h高度(du)時錐形(xing)管的直(zhí)徑;df-浮子(zi)最大直(zhí)徑。
2.2模型(xing)建立及(ji)其設計(jì)要求
　　浮(fú)子流量(liàng)計傳統(tǒng)的設計(jì)方法是(shì)建立在(zai)式(1)的基(jī)礎之.上(shang)❌,在該方(fang)程中流(liu)量系數(shù)α是一個(ge)受很多(duō)因素影(ying)👈響的變(bian)量。對于(yu)本文所(suǒ)研究的(de)水平式(shi)安裝浮(fú)子流量(liang)計,測量(liàng)介質爲(wèi)20℃的水,設(shè)計要求(qiu)流量測(ce)量範圍(wei)1~10m3/h,量程比(bǐ)爲10:1,行程(cheng)50mm,其流量(liàng)❤️系數x的(de)經驗值(zhí)爲0.9~10。浮子(zi)位于41mm高(gao)處的傳(chuán)感器💰三(sān)維流場(chǎng)模型如(ru)圖2所示(shì)。
2．3計算精(jīng)度的控(kòng)制
　　利用(yòng)浮子組(zǔ)件受力(li)平衡來(lái)控制計(ji)算精度(dù)。在FLUNT的受(shou)力📞分🌂析(xī)報告中(zhōng)會提供(gong)指定壁(bì)面所受(shou)到的淨(jìng)壓力Fy↑和(hé)粘性摩(mó)擦力Fm↑以(yi)及🔞這兩(liang)個力的(de)合力Fr↑。這(zhè)三個力(li)遵循下(xia)面的公(gōng)式:

這(zhe)裏設定(dìng)當浮子(zi)受力平(ping)衡度|Ef|<10%時(shi)，認爲浮(fú)子受力(lì)達到平(píng)衡,此時(shi)停止計(ji)算。
3數值(zhi)仿真
3.1網(wǎng)格劃分(fen)及邊界(jiè)設定
　　針(zhen)對傳感(gǎn)器的流(liú)場模型(xíng),選擇三(sān)角形四(si)面體網(wǎng)格來進(jin)行網格(gé)劃分。如(ru)圖3所示(shi)爲水平(ping)式浮子(zi)流量計(jì)浮子位(wei)于41mm高時(shí)🌍的軸向(xiàng)網✨格剖(pōu)分圖。
　　在(zai)進行邊(bian)界的設(she)定過程(chéng)中設定(dìng)速度入(rù)口、壓力(li)出口⛷️,并(bing)将♉導杆(gan)壁面設(she)定爲floatwalll,浮(fu)子壁面(mian)設定爲(wei)floatwall2,除浮子(zi)組件☂️和(hé)導向環(huan)外的空(kōng)間設定(dìng)爲fluid。
3.2FLUNT計算(suàn)條件
模(mo)型建好(hao)以後輸(shu)出.msh文件(jian),利用FLUNT進(jìn)行仿真(zhēn),FLUNT中相應(yīng)計算條(tiao)⛹🏻‍♀️件如表(biǎo)1所示。
　　其(qí)中流體(tǐ)介質的(de)屬性:密(mi)度998.2kg/m2,粘度(dù)0.001003kg/ms,定壓比(bǐ)熱4182J/kg.K,熱導(dǎo)率0.6W/m.k.速度(du)入口采(cai)用的是(shì)平均速(su)度,針對(dui)浮子位(wèi)于41mm高的(de)模型計(jì)算🈲達到(dao)平衡時(shí)的入口(kou)條件,如(ru)表2所示(shì)。

3.3仿真(zhēn)過程
　　水(shuǐ)平式浮(fú)子流量(liàng)計三維(wei)流場的(de)仿真過(guò)程如圖(tú)4所示‼️。該(gāi)過程💯需(xu)要解釋(shì)的幾點(diǎn)如下所(suǒ)示:
(1)因每(mei)個模型(xing)入口流(liú)速的準(zhun)确值未(wei)知,是根(gēn)據經典(dian)流🈚量公(gōng)式計算(suàn)的一一(yī)個假設(she)的流量(liàng),因此仿(pang)真最終(zhōng)結束的(de)判斷依(yi)據👈爲浮(fú)子受力(lì)平衡的(de)程度,即(jí)通過檢(jiǎn)查仿真(zhen)結果,對(duì)浮子進(jìn)行受力(lì)分析,距(ju)離受力(li)平衡點(dian)誤差小(xiǎo)于10%時,認(rèn)爲達到(dào)計算精(jīng)度,仿真(zhēn)計算🏃🏻‍♂️結(jie)束。當誤(wu)差大于(yu)10%,首先考(kǎo)慮改進(jin)該模型(xing)的網格(ge)精度,如(ru)圖4中的(de)左側方(fang)案1;當網(wang)格精度(du)改進到(dao)一定程(chéng)🍓度後誤(wù)差👨‍❤️‍👨仍大(da)于10%,可修(xiu)正入口(kǒu)條件.(主(zhǔ)要指入(rù)口流速(sù),其餘條(tiáo)件可相(xiàng)應計算(suan)調整),如(rú)圖4中的(de)右側方(fāng)案🤞2,直到(dào)滿足🔴計(ji)算精度(du)。
(2)利用SMPLE算(suàn)法計算(suàn)時,每次(cì)計算叠(die)代次數(shu)爲500次,當(dāng)不足500次(ci)SMPLE算法就(jiu)☎️已🌂經達(dá)到收斂(liǎn)精度(10“)時(shí),程序自(zi)動結束(shù),此時可(ke)檢查💜計(ji)算結果(guo)🌈;當叠代(dai)次數大(dà)于500次仍(reng)未收斂(lian)時,停止(zhi)計算,此(ci)時需重(zhong)新檢查(cha)網格狀(zhuang)況和邊(bian)界設定(ding),進行網(wang)格的合(hé)理剖分(fen)和邊界(jie)的合理(lǐ)設定。實(shi)踐證明(míng),網格布(bu)置的恰(qià)當與🌈否(fǒu)會直接(jie)影響收(shou)斂速度(dù)和收斂(liǎn)結果,不(bú)合理的(de)網格布(bù)置将導(dǎo)緻計算(suàn)發散或(huo)者結果(guo)不正确(que)。

(3)叠代前(qián)首先打(dǎ)開監視(shì)器,監視(shi)X.Y、Z三個方(fang)向的流(liú)速以及(jí)k方程和(he)🚶c方程的(de)收斂狀(zhuang)況,實踐(jiàn)證明,即(jí)使未達(dá)到預計(ji)的叠代(dai)次👣數,若(ruo)⭐在監視(shi)器中已(yi)出現明(ming)顯的發(fa)散現象(xiàng),可強行(hang)💛中止本(běn)次計算(suàn)。
4仿真結(jie)果及實(shí)驗結果(guo)分析
4.1壓(yā)力場分(fen)析(圖5.圖(tu)6)
　　比較壓(yā)力的絕(jué)對值可(ke)以看到(dào):浮子底(di)部左右(yòu)壓力不(bú)對稱,這(zhe)種🍓不對(dui)稱現象(xiang)的存在(zai)使得流(liú)量比較(jiao)大時浮(fu)子會出(chu)現抖動(dòng)。
4.2速度場(chǎng)分析(圖(tu)7.圖8)
據圖(tú)分析如(rú)下:
(1)據顔(yá)色分辨(bian)出環隙(xì)流通面(miàn)積最小(xiao)處及下(xià)遊靠近(jin)❌錐管壁(bì)的流⭐場(chang)速度最(zuì)大,前者(zhe)是流通(tōng)面積減(jiǎn)小導緻(zhì)速度增(zeng)大,後🔞者(zhě)則✊是因(yin)爲流場(chǎng)方向的(de)改變而(ér)引起的(de),特别是(shi)此處可(ke)能産生(sheng)旋渦,導(dǎo)緻有效(xiào)流通面(miàn)積減小(xiǎo),流體被(bèi)擠向管(guǎn)壁,使得(dé)此處速(su)度增大(dà)。
(2)流場下(xià)遊,外直(zhi)管左下(xià)角速度(dù)較小,主(zhǔ)要是.因(yīn)爲流場(chang)的♌出口(kou)在右邊(bian),由于出(chu)口壓力(lì)小,流體(ti)流動都(dōu)趨向出(chū)⁉️口。
(3)浮子(zi)的最小(xiao)截面處(chù),流場速(su)度存在(zai)較大的(de)變化。

4.3浮(fú)子受力(lì)定量分(fen)析
　　從FLUNT的(de)受力報(bao)告中可(kě)以得到(dào)如表3所(suǒ)示數據(ju),根據設(she)💁計初樣(yàng)給出的(de)浮子材(cái)料及尺(chǐ)寸結構(gou),可得浮(fú)子重力(lì)爲5.995146N。根據(ju)仿真結(jie)果,浮子(zǐ)在Z方向(xiàng)上的合(hé)力爲5.4253127N。根(gen)據受力(li)平衡度(du)誤差分(fèn)析公式(shì)可得，1E,|=9.5%，小(xiao)于設定(ding)值10%,認爲(wei)浮子受(shòu)力達到(dào)平衡♉。

4.4物(wù)理實驗(yàn)及結果(guǒ)分析
　　爲(wèi)了進一(yī)步驗證(zheng)傳感器(qi)流場仿(pang)真結果(guǒ),需要進(jin)行物理(li)實驗。按(an)照設計(ji)圖紙加(jia)工設計(jì)模型,加(jia)工完後(hou),配上流(liu)量顯示(shi)儀表,在(zài)标準裝(zhuāng)置上進(jin)行标定(ding)。标定方(fang)法利用(yòng)标準表(biǎo)法,标準(zhǔn)表選擇(zé)渦輪流(liú)量計(精(jing)度✌️0.5級)。結(jie)合仿真(zhen)流量數(shu)據、物理(li)實驗數(shù)據與🐉根(gen)據浮子(zǐ)流量經(jing)典測量(liang)公式得(de)到的設(she)計流量(liàng)數據進(jìn)行比較(jiào)可以得(de)到表4。

5大(da)流量下(xià)流量傳(chuan)感器結(jié)構的優(yōu)化及改(gǎi)進結構(gòu)後的仿(pang)㊙️真
　　由上(shàng)述對壓(yā)力場的(de)分析可(ke)知浮子(zǐ)組件受(shòu)力不平(píng)❗衡,物理(li)實驗也(yě)表明在(zai)大流量(liàng)下會出(chū)現流量(liang)計振動(dong)的現象(xiang),這是由(you)于✂️傳感(gǎn)器流場(chang)出現了(le)變化。從(cong)流場的(de)速度分(fen)布圖可(ke)以看出(chū),浮子組(zu)件的右(yòu)邊速度(dù)特别大(dà),其原因(yīn)有前流(liu)場引起(qǐ)的,也有(you)後流場(chang)的因素(su),由于傳(chuan)感器的(de)出口在(zài)右邊,所(suǒ)以流體(tǐ)有向右(yòu)邊㊙️流的(de)趨勢。另(lìng)外,由于(yú)浮子組(zu)件前直(zhí)管段有(you)個直角(jiao)彎,容易(yì)産生二(èr)次☔流,對(duì)浮子組(zǔ)件的❤️受(shou)力也有(yǒu)很大的(de)影響。所(suǒ)以,要減(jian)弱🌍振動(dòng),解決的(de)根本方(fang)💘法就是(shì)改變傳(chuan)感器結(jie)構參數(shù)、優化流(liú)場、使浮(fu)子左右(you)受力差(chà)💯盡量減(jian)小。
根據(ju)上述分(fen)析下面(mian)對水平(ping)式流量(liang)傳感器(qì)的結構(gou)提出幾(jǐ)點😘優化(hua)方案:
(1)加(jia)入整流(liú)器,以消(xiao)除或減(jiǎn)小旋渦(wō)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(gǎi)爲彎管(guan)連接,減(jiǎn)少旋渦(wo)的産生(sheng),順滑💞流(liu)體的流(liu)動,使傳(chuan)感器有(you)比較平(ping)穩的前(qián)🐉流場㊙️。
(3)延(yan)長前直(zhi)管段。這(zhe)裏提及(jí)的直管(guǎn)段指錐(zhuī)管前的(de)垂直😍直(zhi)管段🥰,這(zhe)也是爲(wei)了使流(liu)體在通(tong)過整流(liu)器後有(you)比較長(zhang)的緩和(hé)⛱️段,使流(liu)場接近(jin)充分發(fā)展的流(liu)速分布(bù)。
改進結(jie)構後的(de)仿真結(jie)果如圖(tu)9、10所示,據(ju)圖分析(xi)如下:
（1）改(gai)進結構(gou)後流場(chang)的壓力(li)分布得(dé)到改善(shàn),浮.子組(zǔ)件受力(lì)🏃🏻‍♂️接近平(píng)衡,但是(shì),由于整(zheng)流器的(de)引入,導(dao)緻了整(zhěng)流器前(qian)後壓差(cha)增大,帶(dài)來比較(jiao)大的壓(yā)損。

(2)改進(jìn)結構後(hòu)流場的(de)速度分(fen)布比較(jiào)均勻,特(te)别是使(shǐ)浮🏒子組(zu)件周📧圍(wéi)沒有太(tai)大的速(sù)度差,同(tóng)樣由于(yu)整流器(qì)的使用(yong),也使🏃浮(fu)子💃🏻組件(jian)的前流(liú)場更加(jia)複雜。通(tong)過物理(li)實驗也(yě)證實了(le)這幾種(zhǒng)優化方(fāng)案可以(yi)有效的(de)👉減少浮(fú)子左右(yòu)受力差(chà),穩定浮(fú)🤞子。
6結論(lun)
　　由上述(shu)數據分(fèn)析可知(zhī),對于浮(fú)子在41mm高(gāo)處，時的(de)三維湍(tuan)流流場(chang)進行仿(pang)真可得(dé)到設計(ji)要求的(de)流量上(shàng)限值。此(cǐ)位置處(chù)浮🈲子受(shou)力平衡(heng)度誤差(cha)爲9.5%，傳感(gan)器物理(lǐ)實驗獲(huò)🐕得的示(shì)值刻度(dù)流量與(yu)🌍通過湍(tuan)流數值(zhi)模拟進(jìn)行流場(chǎng)仿真實(shi)驗獲得(de)的仿真(zhēn)流量值(zhi)較爲接(jiē)近,仿真(zhen)流量誤(wu)差爲0.944%。本(ben)文利👣用(yòng)浮子受(shou)力平衡(heng)度誤差(chà)法确定(ding)仿真☁️計(ji)算精度(dù)獲得了(le)🐅較爲理(lǐ)想的效(xiào)果,即✉️仿(pang)真過程(cheng)無需過(guo)分強調(diao)浮子受(shòu)力平衡(heng)度誤差(cha)的減小(xiao),仿真流(liu)量誤差(chà)即可得(dé)到令人(ren)滿🏃‍♀️意的(de)結果。
　　理(lǐ)論分析(xi)和實驗(yan)研究表(biǎo)明,這種(zhǒng)設計方(fāng)法不僅(jǐn)可以進(jin)一步地(di)理解流(liú)體流動(dòng)的機理(lǐ)和浮子(zi)流量計(jì)🔴的測量(liàng)原理,而(ér)🐅且使流(liu)量傳感(gǎn)器的設(she)計進--步(bu)得到優(you)化,使流(liu)量測量(liàng)的靈敏(mǐn)度和精(jing)确度得(dé)到明顯(xian)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻提高(gao)。此外💜,對(duì)流場的(de)數值仿(páng)真與實(shí)驗研究(jiu)也是分(fen)🌈析、解決(jue)流量計(ji)其它問(wen)題的一(yi)-種有效(xiào)方法。目(mu)前基于(yú)這種方(fang)法設計(ji)的水平(ping)式金✔️屬(shu)管浮子(zǐ)流量🌂計(jì)已經投(tou)入市場(chǎng)，現場，反(fan)饋這🏃🏻種(zhǒng)流量計(jì)性能穩(wěn)定，精度(dù)可靠。

以(yi)上内容(róng)源于網(wang)絡，如有(you)侵權聯(lian)系即删(shān)除!