摘要:利用基于計算流體力學的流量傳感器設(shè)計方法實現(xiàn)了對適合安裝于水平管道的特殊結(jié)構(gòu)的金屬管浮子流量計三維湍流流場的數(shù)值仿真研究.流場仿真所需的模型采用CAMBIT軟件建立,通過FLUNT軟件進行仿真，仿真過程中利用受力平衡來控制計算精度.數(shù)值仿真結(jié)果和物理實驗結(jié)果比較,浮子受力平衡誤差絕對值為2.01%時，,流量誤差絕對值為0.70%,證實了仿真結(jié)果的正確率.同時,利用流場仿真信息對流量傳感器結(jié)構(gòu)做了進一步改進,解決了水平式金屬管浮子流量計在大流量下的浮子振動問題。
金屬管浮子流量計是一種傳統(tǒng)的變截面流量計,具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壓力損失小且穩(wěn)定、可測低流速介質(zhì)等諸多優(yōu)點,廣泛應用于測量高溫、高壓及腐蝕性流體介質(zhì)川,由其測量原理決定,它一般需豎直安裝.但是,在某些特定的工業(yè)應用中,需要使用水平安裝浮子流量計,其測量原理雖與經(jīng)典的豎直型浮子流量計相同,但它卻是一種可以安裝于水平管道的特殊結(jié)構(gòu)的浮子流量計.
一般對浮子流量計的經(jīng)典研究"是根據(jù)伯努利方程進行的.該方程要求流體運動是恒定流、流體是理想流體(理想流體是指忽略了黏滯性的流體)且是不.可壓縮均質(zhì)流體,但是浮子流量計中流過的流體并不嚴格滿足這3個條件,而且傳統(tǒng)流量計的設(shè)計要通過實驗來檢驗和修正設(shè)計圖紙,這樣不僅延長了設(shè)計周期,還增加了設(shè)計成本.基于上述2點原因,在設(shè)計水平式金屬管浮子流量計的時候引入了計算流體力學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)4),對浮子流量傳感器流場進行數(shù)值仿真，通過對仿真及實驗數(shù)據(jù)進行比較來評價初樣設(shè)計，優(yōu)化流量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù),使流量傳感器的設(shè)計更加正確,提高了設(shè)計效率.
1水平式金屬管浮子流量計的原理
1.1檢測原理
水平式金屬管浮子流量計的檢測原理(見圖1)與傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計相同,其體積流量：
式中:qv為浮子流量計的體積流量;α為流量系數(shù);h為浮子在錐管中的垂直位置;φ為錐形管錐半角;Af為浮子體積;ρf為浮子材料密度;ρ為流體密度;A為浮子垂直于流向的最大截面積;D0為浮子最大迎流面的直徑;Dh為浮子平衡在h高度時錐形管的直徑;df為浮子最大直徑.
在式(1)中，流量系數(shù)α是一個受很多因素影響的變量，難以給出一個確切的數(shù)值，而且對于本文研究設(shè)計的水平式金屬管浮子流量計,由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,在錐管的上游保證不了5倍管徑以上長度的直管段,造成流場畸變,因此利用式(1)計算流量將會與實際的流量值存在一定的偏差,所以更有必要利用數(shù)值仿真的方法來保證設(shè)計流量的準確性.
1.2設(shè)計要求
所研究的水平式金屬管浮子流量計,測量介質(zhì)為20℃的水，口徑為DN50,設(shè)計要求流量測量范圍1~10m³/h,量程比為10:1,浮子行程50mm,其流量系數(shù)的經(jīng)驗值為0.9~1.0.水平式金屬管浮子流量計剖面圖如圖2所示。
2數(shù)值仿真
2.1模型建立
為了研究該水平式金屬管浮子流量計達到上限流量時的性質(zhì),建立浮子位于41mm高處的流量傳感器三維流場模型,如圖3所示.
該模型利用CAMBIT軟件建立.GAMBIT軟件是面向CFD的專業(yè)前處理器軟件,它包含全面的幾何建模能力.
2.2網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)定
GAMBIT除了強大的建模能力外,也是功能強大，的網(wǎng)格劃分工具.針對傳感器的流場模型,選擇三角形-四面體網(wǎng)格來進行網(wǎng)格化分.圖4為水平式浮子流量計浮子位于41mm高時的軸向網(wǎng)格剖分圖.
在進行邊界的設(shè)定過程中設(shè)定速度入口,壓力出口,并將導桿壁面設(shè)定為float.wall1,浮子壁面設(shè)定為float.wall2,除浮子組件、錐管組件和導向環(huán)外的空間設(shè)定為fluid..
2.3仿真計算條件
本文采用FLUENT軟件對流量傳感器內(nèi)部流場進行仿真.針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象,FLUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法,以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到好的組合,從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復雜流動計算問題.
模型建好以后輸出.msh文件,在FLUENT中讀入網(wǎng)格文件.FLUENT中相應計算條件如表1所示.
其中流體介質(zhì)的屬性為密度998.2kg/m³,動力黏度0.001003Pa·s,定壓比熱4182J/kg·K,熱導率0.6W/m·K.水平式金屬管浮子流量計內(nèi)部流場是高雷諾數(shù)完全發(fā)展湍流流動,所以采用湍流模式理論提供的標準K-ε模型來計算。
金屬管浮子流量計內(nèi)表面的材料是不銹鋼,設(shè)定粗糙常數(shù)C_K_s=1,粗糙高度K_s=0.04.速度人口采用的是平均速度.出入口的湍流參數(shù)為
2.4計算精度的控制
利用浮子組件受力平衡來控制計算精度.在FLU-ENT的受力分析報告中會提供指定壁面所受到的凈壓力F,和黏性摩擦力Fm以及這2個力的合力Ff這3個力遵循公式
這里設(shè)定當浮子受力平衡度|EfI<5%時,認為浮子受力達到平衡,此時停止計算.
3仿真結(jié)果及實驗結(jié)果分析
通過改變流量系數(shù)來改變流量值,進而調(diào)整入口及出口條件來使浮子組件達到受力平衡.經(jīng)典的流量系數(shù)在0.9~1.0之間,選取包括邊界值在內(nèi)的5個流量系數(shù)來進行數(shù)值仿真,得到5組仿真數(shù)據(jù).在下面的分析中給出第5組數(shù)據(jù),亦即當浮子受力達到平衡時的壓力場和速度場分布情況(見圖5和圖6)..
3.1壓力場分析
圖5為迭代收斂后流量傳感器壓力場等勢圖和壓力分布圖,左邊光柱從上至下表示壓強從大到小，據(jù)圖5分析如下:
(1)傳感器流場上游的壓強大于下游的壓強;
(2)浮子最大直徑處下游壓強最小;
(3)浮子最大直徑處,流場壓強變化梯度最大;
(4)最大壓強在內(nèi)直管垂直段的底部;
(5)浮子最大直徑處上下兩部分形成很大的壓差,這是使浮子穩(wěn)定在這一高度的主要作用力;
(6)浮子底部左右壓力不對稱，這種不對稱現(xiàn)象的存在使得流量比較大時浮子會出現(xiàn)振動.
3.2速度場分析
圖6為迭代收斂后傳感器速度場等勢圖和矢量圖.圖中左邊光柱從上至下表示速度由大至小.由圖6.分析如下:
(1)據(jù)顏色分辨出環(huán)隙流通面積最小處及下游靠近錐管壁的流場速度最大,前者是流通面積減小導致速度增大,后者則是因為流場方向的改變引起的,特別是此處可能產(chǎn)生漩渦,導致有效流通面積減小,流體被擠向管壁,使得此處速度增大;
(2)流場下游,外直管左下角速度較小,主要是因為流場的出口在右邊，由于出口壓力小，流體流動都趨向出口;.
(3)浮子的最小截面處,流場速度存在較大的變化.
3.3浮子組件受力定k分析
根據(jù)設(shè)計初樣給出的浮子材料及尺寸結(jié)構(gòu),可得浮子重力為5.97N.從FLUENT的受力報告中可以得到表2所示數(shù)據(jù).
3.4物理實驗及結(jié)果分析
為了進一步驗證傳感器流場仿真結(jié)果,需要進行.物理實驗.按照設(shè)計圖紙加工設(shè)計模型,加工完后,配上流量顯示儀表,在標準裝置上進行實驗.實驗利用標準表法,標準表選擇電磁流量計(精度0.2級).結(jié)合仿真流量數(shù)據(jù)、物理實驗數(shù)據(jù)進行比較可以得到表3.
4DN80水平式金屬管浮子流量計流量傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及仿真
由上述對DN50水平式金屬管浮子流量傳感器三維湍流流場壓力場的分析可知浮子組件受力不平衡，物理實驗也表明在大流量下會出現(xiàn)浮子振動的現(xiàn)象,這是由于傳感器流場發(fā)生了畸變.在這個口徑下浮子振動不是很明顯,流量計可以正常工作.但是在大流量下,尤其是在DN80及其以上口徑的流量計中浮子的振動現(xiàn)象已經(jīng)是一個不可忽略的問題.
從流場的速度分布圖6可以看出,浮子組件的右邊速度特別大,其原因有前流場引起的，也有后流場的因素,由于傳感器的出口在右邊,所以流體有向右邊流的趨勢.另外，由于浮子組件前直管段有個直角彎,容易產(chǎn)生二次流,對浮子組件的受力也有很大的影響.所以,要減弱振動,解決的根本方法就是改變傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù),優(yōu)化流場,使浮子左右受力差盡量減小。
根據(jù)上述分析,下面對水平式金屬管浮子流量傳感器的結(jié)構(gòu)提出幾點優(yōu)化方案:
(1)加人整流器,消除或減小旋渦的產(chǎn)生，同時調(diào)整流速的分布狀況;
(2)將前流場的直管連接改為彎管連接,減少旋渦的產(chǎn)生,順滑流體的流動,使傳感器有比較平穩(wěn)的前流場;
(3)延長錐管前的垂直直管段,這也是為了使流體在通過整流器后有比較長的緩和段,使流場接近充分發(fā)展的流速分布;
改進結(jié)構(gòu)后的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示，由圖可知:①改進結(jié)構(gòu)后流場的壓力分布得到改善,浮子組件受力接近平衡,但是,由于整流器的引人,導致了整流器前后壓差增大,帶來比較大的壓損;②改進結(jié)構(gòu)后流場的速度分布比較均勻,特別是使浮子組件周.圍沒有太大的速度差,同樣由于整流器的使用，也使浮子組件的前流場更加復雜.
通過物理實驗也證實了這幾種優(yōu)化方案可以有效的減少浮子左右受力差,穩(wěn)定浮子,使流量計在進行大流量測量中也可以穩(wěn)定工作.
5結(jié)語
由上述數(shù)據(jù)分析可知,對于浮子在41mm高處時的三維湍流流場進行仿真可得到設(shè)計要求的流量上限值.此位置處浮子受力平衡誤差絕對值為2.01%,傳感器物理實驗獲得的示值刻度流量與通過湍流數(shù)值模擬進行流場仿真實驗獲得的仿真流量值較為接近,仿真流量誤差絕對值為0.70%.因此,浮子受力平衡度誤差法確定仿真計算精度獲得了較為理想的效果.
理論分析和實驗研究表明,這種設(shè)計方法不僅可以進一步的理解流體流動的機理和浮子流量計的測量原理，而且使流量傳感器的設(shè)計進一步得到優(yōu)化,使流量測量的靈敏度和精度得到明顯的提高.此外,對流場的數(shù)值仿真與實驗研究也是分析解決流量計其他問題的一種有效方法.目前基于這種方法設(shè)計的水平式金屬管浮子流量計已成功應用于工業(yè)現(xiàn)場,現(xiàn)場反饋這種流量計性能穩(wěn)定,精度可靠,具有廣闊的發(fā)展前景.
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