摘要(yao):利用基(jī)于計算(suàn)流體力(li)學的流(liu)量傳感(gan)器設計(ji)🧑🏽🤝🧑🏻方法實(shí)現了對(dui)适合安(an)裝于水(shui)平管道(dao)的特殊(shu)結構的(de)
金屬管(guan)浮子流(liú)量計
三(san)維湍流(liu)流場的(de)數值仿(pang)真研究(jiu).流場仿(pang)真所需(xu)的模型(xíng)采用CAMBIT軟(ruǎn)件建立(li),通過FLUNT軟(ruǎn)件進行(háng)仿真，仿(páng)真過程(chéng)中利用(yòng)受🏃力平(ping)衡來控(kong)制計算(suan)精度.數(shu)值仿真(zhēn)結果和(hé)物理實(shí)驗結果(guo)比較,浮(fú)子受力(lì)平衡誤(wu)差絕對(duì)值爲2.01%時(shi)，,流量誤(wu)差絕對(dui)值爲0.70%,證(zheng)實了仿(páng)真結果(guǒ)的正确(què)🔞率.同時(shi),利用流(liu)場仿真(zhen)信息對(dui)流量傳(chuán)感器結(jié)構做♌了(le)進一步(bu)改進,解(jie)決了水(shui)平式金(jīn)屬管浮(fu)子流量(liang)計
在大(da)流量下(xia)的浮子(zǐ)振動問(wen)題。
金屬(shu)管浮子(zi)流量計(jì)是一種(zhǒng)傳統的(de)變截面(mian)流量計(ji),具有結(jié)構簡單(dan)、工作可(ke)靠、壓力(lì)損失小(xiǎo)且穩定(ding)、可測低(dī)流✔️速介(jiè)質等諸(zhū)多🙇🏻優點(diǎn),廣泛應(yīng)用于測(cè)量高溫(wēn)、高❌壓及(ji)腐蝕性(xing)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(zai)某些特(te)👉定的工(gōng)業應用(yòng)中,需要(yao)使用水(shuǐ)平安裝(zhuāng)浮子流(liú)量計,其(qí)測量原(yuan)理雖與(yu)經典的(de)豎直型(xing)❤️浮子流(liú)量計相(xiàng)同,但它(tā)卻是一(yī)種🐆可以(yi)安裝于(yú)水平管(guan)道的特(te)殊結構(gòu)的浮子(zǐ)流量計(jì).
一般對(dui)浮子流(liu)量計的(de)經典研(yan)究"是根(gen)據伯努(nǔ)利方程(cheng)進行的(de)☎️.該🌍方程(cheng)要求流(liu)體運動(dong)是恒定(ding)流、流體(tǐ)是理想(xiǎng)流體(理(li)想📞流體(ti)😄是指忽(hū)略了黏(nián)滞性的(de)流體)且(qiě)🌂是不.可(ke)壓縮均(jun)質流體(ti),但是浮(fú)子流量(liang)🛀🏻計中流(liu)過的流(liu)體并不(bú)嚴格滿(mǎn)足這3個(ge)條件,而(ér)且傳統(tong)流量計(ji)的🐕設計(ji)要通過(guò)實驗來(lái)檢驗👣和(hé)修正設(shè)計圖紙(zhi),這樣不(bu)🤟僅延長(zhang)了設計(jì)周期,還(hái)增加了(le)設計成(cheng)本.基于(yu)上述2點(dian)原因,在(zài)設計水(shuǐ)🔞平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計的時(shí)候引入(rù)了計算(suàn)流體力(li)學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shu)4),對浮子(zi)流💞量傳(chuan)感器流(liú)場進行(hang)數值仿(pang)真，通過(guò)對仿真(zhen)及實驗(yàn)數據進(jin)行比較(jiao)來評價(jià)初樣設(she)♻️計，優化(huà)流量傳(chuán)感器的(de)結構參(cān)數🏃,使流(liu)量傳感(gan)器的設(she)計更加(jiā)正确,提(tí)高了設(shè)計效率(lǜ).
1水平式(shi)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計的(de)原理
1.1檢(jian)測原理(lǐ)
水平式(shi)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計的(de)檢測原(yuán)理(見圖(tu)1)與傳統(tǒng)的金屬(shu)管💚浮子(zi)流量計(jì)相同,其(qi)體積流(liú)量：
式中(zhong):qv爲浮子(zǐ)流量計(ji)的體積(ji)流量;α爲(wèi)流量系(xi)數;h爲浮(fú)子在錐(zhui)管中的(de)垂直位(wèi)置;φ爲錐(zhui)形管錐(zhui)半角;Af爲(wèi)浮子體(ti)積;ρf爲浮(fú)👨❤️👨子材🌏料(liào)密度;ρ爲(wei)流體密(mì)度;A爲浮(fu)子垂直(zhí)于流向(xiang)的⭐最大(dà)截面積(jī);D0爲浮子(zǐ)最大迎(yíng)流面的(de)直徑;Dh爲(wei)浮子平(ping)衡⭐在h高(gāo)度時錐(zhuī)形管的(de)直徑;df爲(wei)浮子最(zui)大直徑(jing).
在式(1)中(zhōng)，流量系(xi)數α是一(yi)個受很(hěn)多因素(su)影響的(de)變量，難(nan)以給出(chū)一個确(què)切的數(shu)值，而且(qie)對于本(běn)文研究(jiū)設計的(de)水平式(shì)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計,由(you)于其結(jie)構的特(tè)殊性,在(zai)錐管的(de)上遊保(bao)🧑🏽🤝🧑🏻證不了(le)🈲5倍管徑(jìng)以上長(zhang)度的直(zhí)管段,造(zao)成流場(chǎng)畸變,因(yin)此利用(yòng)式(1)計算(suan)流量将(jiang)會與實(shi)際的流(liu)量值存(cun)在一♈定(ding)的偏差(cha),所以更(geng)有必要(yào)利用數(shu)值仿🙇🏻真(zhen)⛹🏻♀️的方法(fa)來保證(zheng)設計流(liu)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(ji),測量介(jie)質爲20℃的(de)水，口徑(jing)爲DN50,設計(jì)要求流(liu)量測量(liang)範圍1~10m³/h,量(liàng)程比爲(wei)10:1,浮子行(háng)☀️程50mm,其⭐流(liú)量系數(shu)的經驗(yan)值爲0.9~1.0.水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)🙇♀️計剖面(miàn)㊙️圖如圖(tú)2所示。
2數值(zhí)仿真
2.1模(mó)型建立(lì)
爲了研(yan)究該水(shuǐ)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計達到(dao)上限流(liu)量⛹🏻♀️時👣的(de)性🔆質,建(jian)立浮子(zǐ)位于41mm高(gao)處的流(liu)量傳感(gǎn)器三維(wéi)流場💔模(mó)型,如圖(tú)3所示.
該(gai)模型利(li)用CAMBIT軟件(jiàn)建立.GAMBIT軟(ruǎn)件是面(miàn)向CFD的專(zhuan)業前處(chu)理✔️器軟(ruan)件,它包(bāo)含全面(mian)的幾何(hé)建模能(néng)力.
2.2網格(gé)劃分及(jí)邊界設(she)定
GAMBIT除了(le)強大的(de)建模能(néng)力外,也(ye)是功能(néng)強大，的(de)網格劃(hua)分工🔞具(jù).針對傳(chuán)感器的(de)流場模(mó)型,選擇(zé)三角形(xíng)-四面體(ti)網🏒格來(lai)進行🚶♀️網(wang)格化分(fen).圖4爲水(shuǐ)平式浮(fú)子流量(liàng)計浮子(zi)位🌂于41mm高(gao)時的軸(zhou)向網格(ge)剖分圖(tú).
在進行(háng)邊界的(de)設定過(guò)程中設(she)定速度(du)入口,壓(yā)力出口(kǒu)🔴,并将導(dao)杆壁面(mian)設定爲(wèi)float.wall1,浮子壁(bi)面設定(ding)爲float.wall2,除浮(fu)子組件(jiàn)、錐管組(zǔ)件和導(dǎo)向環外(wai)的空間(jiān)設定爲(wèi)fluid..
2.3仿真計(jì)算條件(jiàn)
本文采(cai)用FLUENT軟件(jian)對流量(liang)傳感器(qì)内部流(liú)場進行(hang)仿真.針(zhen)對各種(zhǒng)✂️複雜流(liu)動的物(wu)理現象(xiang),FLUENT軟件采(cǎi)用不同(tóng)的離散(sàn)格式和(he)數值方(fāng)❗法,以期(qi)在特定(dìng)的領域(yu)内使計(jì)算速度(dù)、穩定性(xing)和精度(du)等方面(miàn)👌達到好(hao)的組合(hé),從而高(gāo)效率地(dì)👣解決各(ge)個領域(yu)的複雜(za)流動計(jì)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(jian).FLUENT中相應(ying)計算條(tiao)件如表(biǎo)1所示.
其(qí)中流體(tǐ)介質的(de)屬性爲(wèi)密度998.2kg/m³,動(dòng)力黏度(dù)0.001003Pa·s,定壓比(bǐ)熱4182J/kg·K,熱導(dǎo)率0.6W/m·K.水平(ping)式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì)内部流(liu)場是高(gao)雷諾數(shu)完全發(fā)📱展湍🔅流(liú)流動,所(suo)以采用(yong)湍流模(mo)式理論(lùn)提供的(de)标準K-ε模(mo)型來計(jì)算。
金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(ji)内表面(mian)的材料(liao)是不鏽(xiu)鋼,設定(dìng)粗糙常(chang)數C_K_s=1,粗💃🏻糙(cao)高度K_s=0.04.速(sù)度人口(kou)采用的(de)是平均(jun1)速度.出(chū)入口的(de)㊙️湍流參(cān)數🏃🏻爲
2.4計(jì)算精度(dù)的控制(zhì)
利用浮(fú)子組件(jian)受力平(píng)衡來控(kong)制計算(suan)精度.在(zài)FLU-ENT的受力(li)❓分析報(bào)告中會(hui)提供指(zhǐ)定壁面(mian)所受到(dao)的淨壓(yā)力F,和黏(nián)性摩擦(cā)力Fm以及(ji)㊙️這2個力(lì)的合力(li)Ff這3個力(li)遵循公(gong)式
這裏(lǐ)設定當(dāng)浮子受(shou)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(suan).
3仿真結(jié)果及實(shi)驗結果(guǒ)分析
通(tōng)過改變(bian)流量系(xì)數來改(gai)變流量(liàng)值,進而(ér)調整入(rù)口及出(chu)口條件(jian)來使浮(fú)子組件(jiàn)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(qǔ)包👉括邊(biān)界值在(zài)内的5個(ge)流量系(xì)數來進(jin)行數值(zhí)仿真,得(dé)到5組仿(pang)真數據(ju).在下面(miàn)的分析(xī)中給出(chu)第5組數(shu)據,亦即(jí)當浮子(zi)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(tu)5和圖6)..
3.1壓(yā)力場分(fèn)析
圖5爲(wei)叠代收(shou)斂後流(liu)量傳感(gǎn)器壓力(li)場等勢(shi)圖和壓(yā)力😘分💞布(bù)圖🙇🏻,左邊(biān)光柱從(cóng)上至下(xià)表示壓(ya)強從大(da)到小，據(jù)圖☁️5分析(xi)如下:
(1)傳(chuán)感器流(liu)場上遊(you)的壓強(qiang)大于下(xià)遊的壓(ya)強;
(2)浮子(zi)最大直(zhí)徑處下(xià)遊壓強(qiang)最小;
(3)浮(fú)子最大(dà)直徑處(chù),流場壓(ya)強變化(huà)梯度最(zuì)大;
(4)最大(da)壓強在(zai)内直管(guǎn)垂直段(duàn)的底部(bù);
(5)浮子最(zuì)大直徑(jìng)處上下(xià)兩部分(fèn)形成很(hen)大的壓(ya)差,這🧑🏾🤝🧑🏼是(shì)使浮子(zi)穩定在(zai)這一高(gao)度的主(zhǔ)要作用(yòng)力;
(6)浮子(zǐ)底部左(zuǒ)右壓力(li)不對稱(chēng)，這種不(bú)對稱現(xian)象的存(cun)在使❄️得(de)流量比(bǐ)較大時(shí)浮子會(hui)出現振(zhèn)動.
3.2速度(dù)場分析(xi)
圖6爲叠(die)代收斂(lian)後傳感(gan)器速度(dù)場等勢(shì)圖和矢(shǐ)量圖.圖(tú)中💋左邊(bian)光柱從(cong)上至下(xia)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(zui)小處及(ji)下遊靠(kào)近♻️錐管(guǎn)🌏壁的流(liú)場速度(du)最大,前(qian)者是流(liú)通面積(ji)減小導(dǎo)緻速度(dù)增✉️大,後(hou)🏃者則是(shì)因爲流(liu)場方向(xiàng)的改變(biàn)引起的(de),特别是(shì)此處可(ke)能産生(sheng)漩渦⚽,導(dǎo)緻有效(xiào)流通面(mian)積減小(xiao),流體被(bèi)擠向管(guǎn)壁,使得(dé)此處速(su)度增大(da);
(2)流場下(xià)遊,外直(zhi)管左下(xià)角速度(du)較小,主(zhǔ)要是因(yīn)爲流🔆場(chang)☁️的出🏃♂️口(kǒu)在右邊(bian)，由于出(chu)口壓力(lì)小，流體(tǐ)流動都(dou)趨🌂向出(chu)口;.
(3)浮子(zi)的最小(xiao)截面處(chu),流場速(su)度存在(zài)較大的(de)變化.
3.3浮(fú)子組件(jian)受力定(dìng)k分析
根(gēn)據設計(ji)初樣給(gěi)出的浮(fú)子材料(liao)及尺寸(cun)結構,可(ke)得浮子(zi)重力爲(wèi)5.97N.從FLUENT的受(shou)力報告(gao)中可以(yǐ)得到表(biao)2所示數(shu)據.
3.4物理(lǐ)實驗及(ji)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(xū)要進行(háng).物理實(shi)驗.按照(zhào)設計圖(tu)紙加工(gong)設計模(mo)型,加工(gōng)完後,配(pèi)上流量(liang)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(biao)法,标準(zhun)表選擇(ze)電💋磁流(liú)量計(精(jīng)度0.2級).結(jié)🌈合仿真(zhēn)流量數(shu)據、物✍️理(li)實驗數(shù)據進行(háng)比🐪較可(ke)以得🔴到(dao)表3.
4DN80水平(píng)式金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(jì)流量傳(chuán)感器結(jié)構的優(yōu)化及仿(pang)真
由上(shang)述對DN50水(shuǐ)平式金(jīn)屬管浮(fú)子流量(liàng)傳感器(qì)三維湍(tuan)🌈流流♊場(chang)壓👄力場(chang)的分析(xī)可知浮(fú)子組件(jian)受力不(bu)平衡，物(wù)理🈚實驗(yàn)也表明(míng)在大流(liú)量下會(hui)出現浮(fú)子振動(dong)的🥵現象(xiang),這是由(you)于傳感(gan)器流場(chǎng)發🏃🏻生了(le)畸㊙️變.在(zai)這個口(kǒu)🈲徑下浮(fú)子振動(dòng)不是很(hen)明顯,流(liu)量計可(ke)以💔正常(cháng)工作❤️.但(dàn)是在大(dà)流🧡量下(xia),尤其是(shi)在DN80及其(qi)以上口(kou)徑的流(liú)量計中(zhong)浮子的(de)振動現(xian)象已經(jing)是一個(ge)不可忽(hū)略的問(wen)題.
從流(liu)場的速(su)度分布(bu)圖6可以(yi)看出,浮(fu)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(hou)流場的(de)因素,由(you)于傳❓感(gan)器的出(chu)口在右(yòu)邊,所以(yi)流體有(you)向右邊(biān)流的趨(qū)勢🧑🏾🤝🧑🏼.另外(wài)，由于浮(fú)子💋組件(jiàn)前直管(guǎn)段有個(ge)直角彎(wān),容易産(chǎn)生二次(cì)流,對浮(fú)子組件(jian)的受力(li)也有很(hen)大的影(ying)響.所以(yi),要減弱(ruo)振動,解(jiě)決的⛱️根(gēn)本方法(fa)就是改(gǎi)變傳感(gan)器結構(gou)參數,優(yōu)化流場(chǎng),使浮子(zǐ)左右受(shou)力差盡(jin)量❄️減小(xiao)。
根據上(shang)述分析(xi),下面對(dui)水平式(shì)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量傳感(gǎn)器✔️的結(jié)構提出(chu)幾點優(yōu)化方案(àn):
(1)加人整(zheng)流器,消(xiao)除或減(jian)小旋渦(wo)的産生(shēng)，同時調(diao)整流♋速(sù)的㊙️分🚶布(bu)狀況;
(2)将(jiang)前流場(chang)的直管(guan)連接改(gai)爲彎管(guǎn)連接,減(jian)少旋渦(wo)的産生(shēng),順滑流(liú)體的流(liú)動,使傳(chuan)感器有(you)比較平(ping)穩的前(qián)流場👉;
(3)延(yan)長錐管(guǎn)前的垂(chui)直直管(guǎn)段,這也(ye)是爲了(le)使流體(ti)在通💔過(guò)⭐整流器(qì)♌後有比(bi)較長的(de)緩和段(duàn),使流場(chǎng)接近充(chōng)🔞分發展(zhan)的流速(sù)🌂分布;
改(gai)進結構(gòu)後的仿(pang)真結果(guo)如圖7和(hé)圖8所示(shì)，由圖可(kě)知🆚:①改進(jìn)結🔴構✏️後(hou)流場的(de)壓力分(fèn)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(liú)器的引(yǐn)人,導緻(zhi)了整流(liú)器前後(hòu)壓差✏️增(zeng)大,帶來(lai)比較大(dà)的壓損(sun);②改進結(jie)構✨後流(liu)場的速(sù)度分布(bù)♉比較均(jun1)勻,特别(bie)是使浮(fu)子組件(jiàn)👣周.圍沒(méi)有太大(da)的速度(dù)差,同樣(yàng)由于整(zhěng)流器的(de)使用，也(ye)使浮子(zi)組件✏️的(de)前流場(chǎng)更加複(fú)雜.
通過(guò)物理實(shí)驗也證(zhèng)實了這(zhe)幾種優(you)化方案(àn)可以有(yǒu)效的減(jiǎn)少浮子(zǐ)左右受(shòu)力差,穩(wěn)定浮子(zǐ),使流量(liang)計在進(jin)行大流(liú)量測✨量(liang)中❓也可(ke)以穩定(ding)工作.
5結(jié)語
由上(shàng)述數據(jù)分析可(ke)知,對于(yu)浮子在(zài)41mm高處時(shí)的三維(wei)湍流流(liú)場進行(háng)仿真可(ke)得到設(shè)計要求(qiu)的流量(liang)上限值(zhí).此位置(zhì)處浮子(zi)受力平(ping)衡誤差(chà)絕對值(zhí)爲2.01%,傳感(gǎn)器物理(li)實驗獲(huo)得✌️的示(shì)值刻度(dù)流量與(yǔ)通過湍(tuan)流數值(zhí)模拟進(jin)行流場(chang)仿真✂️實(shí)驗獲得(de)的仿真(zhēn)流量值(zhi)較爲🏃🏻♂️接(jie)近,仿真(zhen)流💁量誤(wu)差絕對(duì)值爲0.70%.因(yin)此,浮子(zi)受力平(píng)衡度誤(wù)差法确(que)📧定仿真(zhen)計算精(jīng)度獲得(de)了較爲(wèi)理🌈想的(de)😍效果.
理(li)論分析(xi)和實驗(yàn)研究表(biǎo)明,這種(zhǒng)設計方(fang)法不僅(jin)可♻️以進(jin)一步的(de)🈲理解流(liu)體流動(dòng)的機理(li)和浮子(zi)流量計(jì)的測☎️量(liang)原理，而(er)且使流(liú)量傳感(gan)器的設(shè)計進一(yi)步得到(dào)優化😘,使(shi)流量測(ce)量的靈(ling)敏度和(hé)精度得(dé)到明顯(xiǎn)的提高(gao).此外,對(duì)流場的(de)數值仿(páng)真與實(shi)驗研究(jiu)也是分(fèn)析解決(jue)流量計(jì)其他問(wen)題的一(yi)種有效(xiao)方法.目(mu)前基🏃🏻于(yú)這種方(fāng)法設計(jì)的水平(ping)式金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(jì)已成功(gōng)應用于(yu)工業⛱️現(xiàn)場,現💞場(chǎng)反饋這(zhè)種流量(liang)計性能(neng)穩💁定,精(jīng)度可靠(kào),具有😍廣(guang)闊的發(fa)展前景(jing).
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