摘要(yao):利用基(jī)于計算(suàn)流體力(lì)學的流(liu)量傳感(gan)器設計(jì)方法實(shi)現⛹🏻‍♀️了對(duì)适合安(ān)裝于水(shuǐ)平管道(dào)的特殊(shu)結構的(de) 金屬管(guan)浮子流(liu)量計 三(san)維湍流(liú)流場的(de)數值仿(páng)真研究(jiu).流場仿(páng)真所需(xu)的模型(xíng)采用🍉CAMBIT軟(ruan)💁件建立(li),通過FLUNT軟(ruǎn)件進行(hang)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(shù)值仿真(zhēn)結果和(hé)物理實(shi)驗結果(guo)比較🏃🏻‍♂️,浮(fú)子受力(li)平衡♊誤(wù)差絕對(dui)值爲2.01%時(shi)，,流量誤(wù)差絕對(duì)值爲0.70%,證(zhèng)實了仿(pang)真結果(guo)的正确(què)率.同時(shi),利用流(liu)場仿真(zhen)信息對(dui)流量傳(chuan)感器結(jie)構做了(le)進一步(bù)改進,解(jiě)決了水(shui)平式金(jin)屬管浮(fú)子流量(liàng)計 在大(da)流量下(xia)的浮子(zi)振動問(wen)題。
　　金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(ji)是一種(zhǒng)傳統的(de)變截面(miàn)流量計(ji),具有🥰結(jié)構簡單(dan)、工作可(kě)靠、壓力(lì)損失小(xiǎo)且穩定(ding)、可測低(di)流速介(jie)質等💃諸(zhu)多優點(dian),廣泛應(ying)用于測(cè)量高溫(wen)、高壓及(ji)腐🔴蝕性(xing)流體介(jie)質川,由(yóu)其測量(liàng)原理決(jué)定,它一(yi)般需豎(shù)直安裝(zhuang).但是,在(zai)某些特(te)定的工(gong)業應用(yòng)中,需要(yao)使用水(shui)平安裝(zhuang)浮子流(liu)量計,其(qi)測量原(yuán)理雖與(yǔ)經典的(de)豎直型(xing)㊙️浮💞子流(liú)量計相(xiang)同㊙️,但它(ta)卻是一(yī)種🌈可以(yi)安裝于(yu)水💋平管(guan)道❄️的特(te)殊結構(gòu)的浮子(zi)流量計(ji).
　　一般對(dui)浮子流(liu)量計的(de)經典研(yan)究"是根(gēn)據伯努(nu)利方程(cheng)進行🚶的(de).該方程(cheng)要求流(liu)體運動(dòng)是恒定(ding)流、流體(tǐ)是理想(xiang)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(tǐ)🚶,但是浮(fú)⭐子流量(liàng)計中流(liu)過的流(liu)體并不(bu)嚴格滿(man)足這3個(ge)條件💁,而(er)且傳統(tǒng)流量計(jì)的設計(ji)要通過(guò)實驗來(lai)檢驗和(hé)修正設(shè)計圖紙(zhi),這樣不(bu)僅延長(zhǎng)了設計(jì)🏃‍♂️周期,還(hai)增加了(le)設計成(cheng)本.基于(yú)上述2點(dian)原因,在(zai)設計水(shuǐ)平式金(jin)㊙️屬管浮(fú)子流量(liàng)計的時(shi)候引入(rù)了計算(suan)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(zhēn)及實驗(yan)數據進(jìn)行比較(jiào)來評價(jia)初樣設(shè)計，優化(hua)流量傳(chuán)感器的(de)結構參(can)數,使流(liú)量傳感(gǎn)器的設(shè)計更加(jia)💋正确,提(tí)高了設(shè)計效率(lǜ).
1水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liú)量計的(de)原理
1.1檢(jiǎn)測原理(li)
　　水平式(shì)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)檢測原(yuán)理(見圖(tú)1)與傳統(tong)的金屬(shǔ)🈚管浮子(zi)流量計(ji)相同,其(qi)體積流(liu)量：
 
　　式中(zhōng):qv爲浮子(zi)流量計(ji)的體積(jī)流量;α爲(wei)流量系(xi)數;h爲浮(fu)子在錐(zhui)管中的(de)垂直位(wei)置;φ爲錐(zhuī)形管錐(zhuī)半角;Af爲(wei)浮子體(tǐ)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(zhi)于流向(xiàng)的最大(da)截面積(jī);D0爲🔴浮子(zi)最大迎(ying)流面的(de)直徑;Dh爲(wèi)浮子平(ping)衡在h高(gāo)度時錐(zhuī)形管的(de)直徑;df爲(wèi)浮子最(zui)大直🔴徑(jìng).
 
　　在式(1)中(zhōng)，流量系(xi)數α是一(yī)個受很(hěn)多因素(su)影響的(de)變量，難(nan)📞以給🌍出(chu)一個确(què)切的數(shù)值，而且(qie)對于本(ben)文研究(jiū)設計的(de)水平式(shì)金屬管(guan)🈚浮子流(liú)量計,由(yóu)于其結(jié)構的特(te)殊性,在(zài)錐管的(de)上遊保(bao)證不了(le)5倍管徑(jing)以上長(zhang)度的直(zhí)管段,造(zào)成流場(chǎng)畸變,因(yin)此利用(yong)式(1)計算(suàn)流量将(jiāng)會與實(shi)際的流(liú)量值存(cún)在一😘定(ding)的偏差(chà),所以更(gèng)有必要(yao)利用數(shu)值仿真(zhēn)的方法(fǎ)來保證(zhèng)設計流(liú)量的準(zhǔn)确性.
1.2設(shè)計要求(qiu)
　　所研究(jiu)的水平(píng)式金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(jì),測量介(jiè)質爲✂️20℃的(de)水，口徑(jing)爲DN50,設計(jì)要求流(liú)量測量(liàng)範圍1~10m³/h,量(liang)程比爲(wei)10:1,浮子行(háng)程50mm,其流(liu)量系數(shù)💘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(mian)圖如圖(tu)2所示。
 
2數值(zhi)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(fú)子流量(liàng)計達到(dào)上限㊙️流(liu)量時㊙️的(de)性質,建(jiàn)立浮子(zi)位于41mm高(gāo)處的流(liu)量傳感(gǎn)器三維(wéi)流場模(mo)型,如圖(tú)3所示.
 
　　該(gai)模型利(lì)用CAMBIT軟件(jian)建立.GAMBIT軟(ruan)件是面(miàn)向CFD的專(zhuān)業前處(chu)理器軟(ruan)🔞件,它包(bāo)含全面(mian)的幾何(he)建模能(néng)力.
2.2網格(ge)劃分及(ji)邊界設(she)定
　　GAMBIT除了(le)強大的(de)建模能(neng)力外,也(ye)是功能(neng)強大，的(de)網格劃(huà)分工具(ju)⛹🏻‍♀️.針對傳(chuán)感器的(de)流場模(mó)型,選擇(ze)三角形(xíng)-四面體(ti)網㊙️格來(lái)進行🈚網(wang)格化分(fèn).圖4爲水(shui)平式浮(fu)子流量(liang)計浮子(zǐ)位于41mm高(gao)時的軸(zhóu)向網格(ge)剖分圖(tú).
　　在進行(hang)邊界的(de)設定過(guo)程中設(she)定速度(dù)入口,壓(ya)力出♌口(kǒu)🌈,并将導(dǎo)杆壁面(mian)設定爲(wèi)float.wall1,浮子壁(bi)面設定(dìng)爲float.wall2,除浮(fu)子組件(jiàn)、錐管組(zǔ)件和導(dao)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(cǎi)用FLUENT軟件(jian)對流量(liàng)傳感器(qi)内部流(liú)場進行(hang)仿真.針(zhēn)對各種(zhong)🔞複雜流(liú)動的物(wù)理現象(xiàng),FLUENT軟件采(cai)用不同(tong)的離散(san)格式和(he)數⛱️值方(fang)👨‍❤️‍👨法,以期(qi)在特定(ding)的領域(yù)内使計(jì)算速度(du)、穩定性(xing)🎯和精度(du)等方面(miàn)達到好(hao)的組合(he),從而高(gao)效率地(dì)解決各(gè)個領域(yù)的複👉雜(zá)流動計(ji)算問題(ti).
　　模型建(jiàn)好以後(hou)輸出.msh文(wen)件,在FLUENT中(zhong)讀入網(wang)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(ti)介質的(de)屬性爲(wèi)密度998.2kg/m³,動(dong)力黏度(du)0.001003Pa·s,定壓比(bǐ)熱4182J/kg·K,熱導(dao)率0.6W/m·K.水平(ping)式金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(jì)内部流(liú)場是高(gāo)雷諾數(shu)完🔞全發(fa)展湍流(liú)流動,所(suǒ)以采用(yòng)湍流模(mo)式理論(lùn)提供的(de)标準K-ε模(mó)型來🥵計(ji)算。
　　金屬(shu)管浮子(zi)流量計(jì)内表面(miàn)的材料(liào)是不鏽(xiu)鋼,設定(dìng)粗糙常(cháng)數🛀🏻C_K_s=1,粗糙(cāo)高度K_s=0.04.速(sù)度人口(kǒu)采用的(de)是平均(jun)速度.出(chu)入口的(de)湍流參(cān)數爲
 
 
2.4計(jì)算精度(dù)的控制(zhi)
　　利用浮(fu)子組件(jian)受力平(ping)衡來控(kòng)制計算(suan)精度.在(zài)FLU-ENT的受力(lì)分析☂️報(bao)告中會(hui)提供指(zhi)定壁面(miàn)所受到(dào)的淨壓(ya)力F,和黏(nian)性摩擦(cā)力Fm以及(jí)這2個力(lì)的合力(li)Ff這3個力(lì)遵循公(gōng)式
 
　　這裏(lǐ)設定當(dang)浮子受(shou)力平衡(héng)度|EfI<5%時,認(rèn)爲浮子(zǐ)受力達(dá)到📱平衡(héng),此時停(tíng)止計算(suan).
3仿真結(jie)果及實(shi)驗結果(guo)分析
　　通(tong)過改變(biàn)流量系(xi)數來改(gǎi)變流量(liang)值,進而(er)調整入(ru)口及出(chū)♻️口條件(jian)💞來使浮(fu)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(bian)界值在(zài)内的5個(ge)流量💜系(xì)數來進(jin)行數值(zhi)仿真😘,得(dé)到5組仿(páng)真數據(ju).在下面(miàn)的分析(xi)中給出(chu)第5組數(shu)據,亦即(jí)當浮子(zǐ)受力達(da)到平衡(héng)時的壓(ya)力場和(he)速度場(chǎng)分布情(qíng)況(見圖(tú)5和圖6)..
 
3.1壓(ya)力場分(fèn)析
　　圖5爲(wèi)叠代收(shou)斂後流(liu)量傳感(gǎn)器壓力(li)場等勢(shì)圖和壓(ya)♻️力分布(bu)圖,左邊(bian)光柱從(cong)上至下(xià)表示壓(ya)強從大(da)到小，據(ju)圖5分析(xī)如下:
(1)傳(chuán)感器流(liu)場上遊(yóu)的壓強(qiáng)大于下(xià)遊的壓(yā)強;
(2)浮子(zǐ)最大直(zhi)徑處下(xià)遊壓強(qiáng)最小;
(3)浮(fu)子最大(dà)直徑處(chù),流場壓(ya)強變化(huà)梯度最(zui)大;
(4)最大(dà)壓強在(zai)内直管(guǎn)垂直段(duàn)的底部(bù);
(5)浮子最(zui)大直徑(jing)處上下(xia)兩部分(fèn)形成很(hěn)大的壓(yā)差,這是(shi)使浮子(zǐ)穩定在(zài)這一高(gao)度的主(zhǔ)要作用(yòng)力;
(6)浮子(zǐ)底部左(zuo)右壓力(li)不對稱(chēng)，這種不(bú)對稱現(xian)象的存(cún)在⛷️使得(dé)流量比(bǐ)較大時(shi)浮子會(huì)出現振(zhen)動.
3.2速度(du)場分析(xī)
　　圖6爲叠(dié)代收斂(liǎn)後傳感(gan)器速度(du)場等勢(shi)圖和矢(shi)量圖.圖(tú)中左邊(bian)光柱從(cóng)上至下(xià)表示速(sù)度由大(dà)至小.由(you)圖⭐6.分析(xī)🧡如下:
(1)據(jù)顔色分(fèn)辨出環(huan)隙流通(tōng)面積最(zuì)小處及(jí)下遊靠(kao)近🛀錐管(guǎn)♉壁的流(liu)場速度(du)最大,前(qián)者是流(liu)通面積(jī)減小導(dǎo)緻速💜度(dù)增大,後(hòu)📧者則是(shi)因爲流(liu)場方向(xiàng)的改變(biàn)引起的(de),特别是(shi)此處可(kě)能産生(sheng)漩渦,導(dao)緻有效(xiào)流通面(mian)積☔減小(xiǎo),流體被(bei)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(xia)角速度(du)較小,主(zhǔ)要是因(yīn)爲流場(chǎng)的出口(kou)在右邊(bian)，由于出(chu)口壓力(li)小，流體(tǐ)流動都(dōu)趨向出(chu)口;.
(3)浮子(zi)的最小(xiǎo)截面處(chu),流場速(sù)度存在(zai)較大的(de)變化.
3.3浮(fú)子組件(jiàn)受力定(ding)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(kě)得浮子(zǐ)重力爲(wèi)5.97N.從FLUENT的受(shou)力報告(gào)中可以(yi)得到表(biao)2所示數(shù)據.
 
3.4物理(lǐ)實驗及(jí)結果分(fen)析
　　爲了(le)進一步(bù)驗證傳(chuán)感器流(liú)場仿真(zhen)結果,需(xū)要進行(háng).物理實(shí)驗.按🔞照(zhào)設計圖(tú)紙加工(gong)設計模(mó)型,加工(gong)完後,配(pèi)上流量(liang)顯示儀(yi)表,在标(biao)準裝置(zhi)上進行(hang)實驗.實(shí)驗利用(yòng)标準表(biao)法,标準(zhun)表選擇(zé)電磁流(liú)量計(精(jīng)度0.2級).結(jié)合仿真(zhēn)流💰量數(shù)據、物理(lǐ)實驗數(shu)據進行(hang)比較可(ke)以得到(dao)表3.
 
4DN80水平(ping)式金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(ji)流量傳(chuán)感器結(jié)構的優(yōu)🌂化及🚶仿(pang)真
　　由上(shàng)述對DN50水(shuǐ)平式金(jīn)屬管浮(fu)子流量(liang)傳感器(qi)三維湍(tuan)✏️流☀️流場(chang)壓力場(chǎng)的分析(xi)可知浮(fú)子組件(jian)受力不(bú)平衡🔆，物(wu)理實驗(yan)也表明(ming)在大流(liú)量下會(hui)出現浮(fu)子振動(dong)的現象(xiang),這是由(yóu)于🈲傳感(gǎn)器流場(chang)發生了(le)畸變.在(zài)這個口(kǒu)徑下浮(fu)子🈲振動(dong)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(jīng)是一個(ge)不可忽(hu)略的問(wèn)題.
　　從流(liu)場的速(su)度分布(bù)圖6可以(yǐ)看出,浮(fú)子組件(jian)的右邊(biān)速度特(te)别大,其(qi)原因有(you)前流場(chang)引起的(de)，也有後(hòu)流場✌️的(de)因素,由(you)于傳感(gǎn)器的出(chū)🔞口在右(you)邊,所以(yǐ)流體有(yǒu)向右邊(biān)流🏃🏻‍♂️的趨(qu)勢🌐.另外(wài)，由于浮(fú)子組件(jian)前直管(guan)段有個(ge)直角彎(wān),容易産(chan)生二次(cì)流,對浮(fú)🈲子組件(jiàn)的受力(li)也有很(hen)大的影(yǐng)響💞.所以(yi),要減弱(ruo)振動,解(jiě)決的根(gēn)本方法(fǎ)就是改(gai)變傳感(gǎn)器結構(gòu)參數,優(you)化流場(chǎng),使浮子(zi)左右受(shou)力差盡(jìn)量減小(xiao)。
根據上(shàng)述分析(xī),下面對(duì)水平式(shì)金屬管(guan)浮子流(liú)量傳感(gǎn)器的結(jie)構提出(chū)幾點優(you)化方案(an):
(1)加人整(zheng)流器,消(xiao)除或減(jian)小旋渦(wō)的産生(sheng)，同時調(diào)整流速(sù)的👨‍❤️‍👨分布(bu)狀💋況;
(2)将(jiang)前流場(chang)的直管(guan)連接改(gǎi)爲彎管(guǎn)連接,減(jiǎn)少旋渦(wo)的🐕産生(sheng),順滑流(liu)體的流(liu)動,使傳(chuán)感器有(you)比較平(ping)穩的前(qián)流場👄;
(3)延(yán)長錐管(guǎn)前的垂(chui)直直管(guan)段,這也(ye)是爲了(le)使流體(tǐ)在通過(guo)整流器(qì)後有比(bǐ)較長的(de)緩和段(duan),使流場(chǎng)接近充(chong)⭐分發展(zhan)的流速(sù)🤞分布;
 
　　改(gǎi)進結構(gòu)後的仿(páng)真結果(guo)如圖7和(he)圖8所示(shi)，由圖可(kě)知:①改進(jìn)☎️結構後(hòu)流場的(de)壓力分(fèn)布得到(dào)改善,浮(fú)子組件(jiàn)受力接(jie)近平衡(héng)💚,但是,由(yóu)于整流(liú)器的引(yǐn)人,導緻(zhi)了整🐆流(liu)器前👅後(hou)壓差增(zeng)大,帶來(lái)比較大(da)的壓損(sun);②改進結(jie)構後流(liú)場的🙇🏻速(su)度分布(bù)比較均(jun1)勻,特别(bie)是使浮(fu)子組件(jian)♻️周.圍沒(mei)有太大(dà)的速度(du)差,同樣(yang)由于整(zhěng)流器的(de)使用，也(ye)使浮子(zi)組🙇🏻件的(de)前流場(chang)更加複(fú)雜.
 
　　通過(guò)物理實(shí)驗也證(zheng)實了這(zhe)幾種優(yōu)化方案(àn)可以有(you)效的減(jiǎn)少☀️浮子(zǐ)左右受(shou)力差,穩(wen)定浮子(zi),使流量(liàng)計在進(jìn)行大流(liu)量測🔴量(liang)中也可(ke)以穩定(dìng)工作.
5結(jie)語
　　由上(shang)述數據(jù)分析可(ke)知,對于(yu)浮子在(zai)41mm高處時(shi)的三維(wéi)湍流流(liú)場進行(hang)仿真可(ke)得到設(shè)計要求(qiu)的流量(liàng)上限值(zhí).此位置(zhi)🎯處浮子(zi)受力平(ping)衡誤差(chà)絕對值(zhi)爲2.01%,傳感(gǎn)器物理(li)實驗獲(huo)得的示(shi)值刻度(dù)流量與(yǔ)通過湍(tuan)流數值(zhi)模拟進(jin)行流場(chǎng)仿真👅實(shí)驗獲得(de)的仿真(zhēn)流量值(zhí)較爲㊙️接(jie)近,仿真(zhen)流量誤(wu)差絕對(duì)🎯值爲0.70%.因(yīn)此,浮子(zi)受力平(píng)衡度誤(wu)差法确(què)定⛱️仿真(zhen)計算精(jīng)度獲得(de)了較爲(wèi)理想的(de)👉效果.
　　理(lǐ)論分析(xi)和實驗(yan)研究表(biao)明,這種(zhǒng)設計方(fang)法不僅(jǐn)可以進(jìn)一步的(de)理解流(liu)體流動(dòng)的機理(li)和浮子(zi)流量計(ji)的測量(liang)原理，而(ér)且使流(liú)量傳感(gǎn)器的設(she)計進一(yī)步得到(dao)優化,使(shǐ)流量測(ce)量的靈(ling)敏度和(hé)精度得(dé)到明顯(xian)的♋提高(gao).此外,對(dui)流場的(de)數值仿(páng)真與實(shí)驗研究(jiu)也是分(fèn)析解決(jué)流量🤟計(ji)其他問(wèn)題的一(yi)種有效(xiao)方法.目(mù)前基于(yu)這種方(fāng)法設計(jì)的水平(ping)式金🈚屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(ji)已成功(gōng)應用于(yú)工業現(xian)場,現場(chang)反饋這(zhè)種流量(liàng)計性能(néng)穩定,精(jīng)度可靠(kao),具有廣(guang)闊的發(fā)展前景(jǐng).

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