摘要(yao):通過對适(shì)合安裝于(yu)水平管道(dào)的特殊結(jie)構的水平(ping)安裝金屬(shǔ)管浮子流(liú)量計 三維(wei)湍流流場(chǎng)的數值仿(pang)真及實驗(yàn)研究提出(chu)一種基于(yu)👣計算流體(tǐ)力學的流(liu)量傳感器(qì)設計方法(fa)。流場仿真(zhēn)所需的模(mó)型采用GAMBIT來(lái)建立,通過(guo)FUNT軟件進行(háng)仿真,仿真(zhen)過程中利(li)用受力📐平(píng)衡控💰制計(jì)算精度。數(shù)值仿真結(jié)果和實驗(yàn)結果比較(jiao)當浮子受(shou)力平衡度(du)誤差爲9.5%時(shí),流量誤差(cha)爲0.944%,證實了(le)仿真結果(guo)的😘準确性(xing),同時⛷️利用(yong)流場仿真(zhēn)🌂信息對流(liu)量傳感器(qi)模型做了(le)進--步的優(you)化。
1引言
　　金(jīn)屬管式浮(fu)子流量計(ji) 是一種傳(chuán)統的差壓(ya)式流量計(jì),爲了适應(yīng)部分管道(dào)的特😄殊要(yào)求✌️,本文設(shè)計研究的(de)浮子流量(liang)計是左進(jìn)右出👈型的(de),其測量原(yuan)理與經典(diǎn)的豎直型(xíng)浮子流量(liàng)👉計相同㊙️,但(dàn)它是💰一種(zhong)可以安裝(zhuāng)于水平管(guan)道的特殊(shu)結構的浮(fú)子流量計(jì)。
　　一般對浮(fú)子流量計(jì) 的經典研(yán)究是根據(ju)伯努利方(fāng)程進行的(de),在推導浮(fu)子✌️流量計(jì)流量測量(liàng)公式時忽(hu)略了粘性(xing)應力項,而(er)該項💔的作(zuò)用實際上(shang)是存在的(de);傳統流量(liang)計的設計(ji)要通過❤️實(shi)驗來檢驗(yàn)和修正設(shè)計圖.紙,這(zhe)樣不僅延(yan)長了設計(jì)周期而且(qie)增加了設(she)🛀計成本。基(jī)于.上述兩(liang)🤞點原因,在(zài)設📧計水平(ping)式安🌏裝浮(fu)子流量🌍計(jì)時爲了深(shēn)⛹🏻‍♀️入了解浮(fú)子流量傳(chuan)感器的工(gong)📧作機理,引(yǐn)入了計算(suan)流體力學(xué),即CFD2]技術,對(dui)傳感🐉器流(liú)場進行數(shù)值模拟,通(tong)♋過對仿真(zhēn)及實驗結(jie)果進行分(fen)析來評🔞價(jia)初樣設計(ji),優化流量(liàng)傳感器的(de)結構參數(shù),使流量傳(chuan)感器的設(she)計更加精(jīng)确,并提🈲高(gāo)了設計效(xiao)率。
2水平安(an)裝金屬管(guǎn)浮子流量(liang)計 的原理(lǐ)
2.1檢測原理(li)(圖1)

　　水平安(an)裝金屬管(guan)浮子流量(liang)計的檢測(ce)原理與傳(chuan)[1]統的金❄️屬(shu)管♈浮子流(liú)量計相同(tóng),其體積流(liú)量公式爲(wei)

　　式中:Qv-體積(jī)流量;α-流量(liàng)系數;h--浮子(zǐ)位置;φ-錐形(xing)管錐半角(jiao);Vf-浮子體積(jī);Qf-浮子材料(liao)密度;Q一流(liu)體密度;Af-浮(fu)子垂直于(yú)流向的最(zui)大截面積(jī);D。一浮子最(zuì)大迎流面(miàn)的直徑;Dh-浮(fú)子平衡在(zài)h高度時錐(zhuī)形管的直(zhí)徑;df-浮子最(zuì)大直徑。
2.2模(mo)型建立及(jí)其設計要(yao)求
　　浮子流(liu)量計傳統(tong)的設計方(fāng)法是建立(li)在式(1)的基(ji)礎之.上,在(zai)該♉方程中(zhong)流量系數(shu)α是一個受(shou)很多因素(su)影✨響的變(biàn)量。對于本(běn)文所研💚究(jiu)的水平式(shi)安裝浮子(zǐ)流量計,測(ce)量介質爲(wei)20℃的水,設計(jì)要🌈求流量(liàng)測量範圍(wéi)1~10m3/h,量🔞程比爲(wèi)10:1,行程50mm,其流(liu)量系數x的(de)經驗值爲(wei)0.9~10。浮子位于(yú)41mm高💔處的傳(chuan)感器三維(wéi)流場模型(xíng)如圖2所示(shi)。
2．3計算精度(dù)的控制
　　利(li)用浮子組(zǔ)件受力平(píng)衡來控制(zhi)計算精度(dù)。在FLUNT的受力(lì)分🔴析報告(gào)👨‍❤️‍👨中會提供(gòng)指定壁面(miàn)所受到的(de)淨壓力🙇‍♀️Fy↑和(hé)粘✏️性摩擦(ca)力Fm↑以及這(zhe)兩個力的(de)合力Fr↑。這三(san)個力遵循(xún)下面的公(gong)式:

這裏設(she)定當浮子(zǐ)受力平衡(heng)度|Ef|<10%時，認爲(wei)浮子受力(lì)達到平衡(heng),此時停止(zhi)計算。
3數值(zhí)仿真
3.1網格(gé)劃分及邊(bian)界設定
　　針(zhen)對傳感器(qì)的流場模(mo)型,選擇三(san)角形四面(miàn)體網格來(lai)進行網格(ge)劃分。如圖(tú)3所示爲水(shui)平式浮子(zǐ)流量計🚶浮(fu)子♻️位于41mm高(gao)時的軸🈚向(xiàng)網🏒格剖分(fen)圖。
　　在進行(hang)邊界的設(she)定過程中(zhōng)設定速度(dù)入口、壓力(li)出口,并将(jiāng)導杆🥰壁面(mian)設定爲floatwalll,浮(fú)子壁面設(she)定爲floatwall2,除浮(fú)子組件👌和(he)導向環🈲外(wai)的⭐空間設(shè)定爲fluid。
3.2FLUNT計算(suàn)條件
模型(xing)建好以後(hou)輸出.msh文件(jiàn),利用FLUNT進行(hang)仿真,FLUNT中相(xiang)應計算條(tiáo)🎯件如表1所(suo)示。
　　其中流(liú)體介質的(de)屬性:密度(dù)998.2kg/m2,粘度0.001003kg/ms,定壓(ya)比熱4182J/kg.K,熱導(dǎo)率0.6W/m.k.速度入(rù)口采用的(de)是平均速(su)度,針對浮(fú)子位于41mm高(gāo)的模型計(ji)算達到🌐平(píng)衡💁時的🤟入(rù)口條件,如(rú)表2所示。

3.3仿真過程(cheng)
　　水平式浮(fu)子流量計(ji)三維流場(chǎng)的仿真過(guò)程如圖4所(suǒ)示。該過程(chéng)需要解釋(shi)的幾點如(ru)下所示:
(1)因(yīn)每個模型(xíng)入口流速(su)的準确值(zhi)未知,是根(gen)據經典流(liú)量公式計(jì)算的一一(yi)個假設的(de)流量,因此(ci)仿真最終(zhong)結💔束的判(pàn)斷依據爲(wei)浮子受力(li)平衡的程(chéng)度,即通💋過(guò)檢查仿真(zhen)結果,對浮(fu)🙇‍♀️子進行受(shou)力分析,距(jù)離受力平(píng)衡點誤差(cha)小于10%時♊,認(rèn)爲達到計(jì)算精度,仿(páng)真計算結(jie)束。當誤差(chà)大于10%,首先(xiān)考慮改進(jìn)該模型的(de)網格精度(dù),如圖4中的(de)左側方案(an)1;當網格精(jīng)度改進到(dào)一定程度(dù)後誤差仍(reng)大于10%,可修(xiū)正📧入口條(tiáo)件.(主要指(zhǐ)入口流速(sù),其餘條件(jian)可相應計(jì)算調整),如(ru)圖4中的右(you)側方案2,直(zhi)到滿足❓計(jì)算精度。
(2)利(li)用SMPLE算法計(jì)算時,每次(ci)計算叠代(dài)次數爲500次(ci),當不足500次(ci)SMPLE算㊙️法🔴就已(yǐ)🐕經達到收(shou)斂精度(10“)時(shí),程序自動(dòng)結束,此時(shí)可💃檢查計(ji)算結果;當(dang)叠代次數(shù)大于500次仍(réng)未收斂🐅時(shi),停止計算(suàn),此時需重(zhòng)新檢查網(wang)格狀況和(hé)邊界設定(dìng),進行網格(ge)的合理剖(pōu)分和邊界(jie)的合理設(she)定。實踐👌證(zhèng)明,網格布(bù)置的恰當(dang)與否會直(zhi)接影👨‍❤️‍👨響收(shōu)斂速度♋和(hé)收斂結果(guǒ),不合理的(de)網格布置(zhì)将導緻計(jì)算💋發散或(huo)者結果🔴不(bu)正确。

(3)叠代(dai)前首先打(dǎ)開監視器(qi),監視X.Y、Z三個(gè)方向的流(liu)速以及k方(fāng)程和🐪c方程(cheng)的收斂狀(zhuàng)況,實踐證(zhèng)明,即使未(wèi)達到預計(jì)的叠🧡代次(cì)♍數,若☎️在監(jiān)視器中已(yi)出現明顯(xiǎn)的發散現(xian)象💔,可強行(háng)㊙️中止本次(cì)計算。
4仿真(zhen)結果及實(shí)驗結果分(fèn)析
4.1壓力場(chǎng)分析(圖5.圖(tu)6)
　　比較壓力(li)的絕對值(zhí)可以看到(dào):浮子底部(bu)左右壓力(li)不💛對💰稱♊,這(zhè)種不對稱(cheng)現象的存(cun)在使得流(liú)量比較大(da)時浮子會(huì)出現💁抖動(dòng)🌈。
4.2速度場分(fen)析(圖7.圖8)
據(jù)圖分析如(ru)下:
(1)據顔色(se)分辨出環(huan)隙流通面(mian)積最小處(chu)及下遊靠(kao)近錐☂️管壁(bi)的🈲流場速(sù)度最大,前(qian)者是流通(tōng)面積減小(xiao)導緻速度(dù)增☂️大,後者(zhe)則是因爲(wèi)流場方向(xiàng)的改變而(ér)引起的,特(tè)别是此處(chù)可能産生(shēng)旋✉️渦,導緻(zhi)有效流通(tōng)面積減小(xiao),流體被擠(ji)向管壁,使(shǐ)得此處速(su)度增大。
(2)流(liú)場下遊,外(wài)直管左下(xià)角速度較(jiào)小,主要是(shì).因爲流場(chang)的🏒出口在(zài)右邊,由于(yu)出口壓力(lì)小,流體流(liu)動都趨向(xiàng)出✨口。
(3)浮子(zǐ)的最小截(jie)面處,流場(chǎng)速度存在(zài)較大的變(biàn)化。

4.3浮子受(shou)力定量分(fèn)析
　　從FLUNT的受(shou)力報告中(zhong)可以得到(dao)如表3所示(shì)數據,根據(jù)設計初樣(yàng)給🌈出的浮(fú)子材料及(jí)尺寸結構(gòu),可得浮子(zi)重❗力爲♈5.995146N。根(gēn)據仿真結(jié)果🌂,浮子在(zai)Z方向上的(de)合力爲5.4253127N。根(gēn)據受力平(píng)衡度誤差(chà)分析公式(shì)可得，1E,|=9.5%，小于(yú)🥵設定值10%,認(rèn)爲浮子受(shòu)力達到平(píng)衡。

4.4物理實(shi)驗及結果(guǒ)分析
　　爲了(le)進一步驗(yàn)證傳感器(qì)流場仿真(zhēn)結果,需要(yào)進行物理(li)實👨‍❤️‍👨驗🈲。按照(zhao)設計圖紙(zhi)加工設計(ji)模型,加工(gong)完後🏃‍♀️,配上(shàng)✏️流量顯示(shì)儀表,在标(biāo)🌈準裝置上(shang)進行标定(ding)。标定方法(fǎ)利用标準(zhun)表法,标準(zhun)表選擇渦(wo)輪流量計(jì)(精度0.5級)。結(jie)合仿真流(liu)量數據、物(wù)理實驗數(shu)據與根據(jù)浮子流量(liàng)經典測量(liàng)公式得到(dào)的設計流(liú)量數據進(jin)行比💞較可(kě)以得到表(biǎo)4。

5大流量下(xià)流量傳感(gǎn)器結構的(de)優化及改(gai)進結構後(hou)的仿🔞真
　　由(you)上述對壓(ya)力場的分(fen)析可知浮(fu)子組件受(shou)力不平衡(heng),物理實驗(yàn)也表明在(zài)大流量下(xia)會出現流(liú)量計振✂️動(dong)的現象👨‍❤️‍👨,這(zhè)是由于傳(chuán)感器流場(chang)出現了變(bian)化。從流場(chang)的速度分(fen)布圖可以(yǐ)看出,浮子(zǐ)組件的右(yòu)邊速度📱特(te)别大,其原(yuán)因有前流(liú)場引起的(de),也有後流(liú)場的因📧素(su),由于傳感(gan)器的出口(kou)在✊右邊,所(suo)以流體有(you)向右邊🐅流(liú)的趨勢。另(ling)外,由于浮(fú)子組件前(qián)直管段有(yǒu)個直角彎(wān),容易産生(shēng)二次流,對(dui)浮子組件(jian)的受力也(yě)有很大的(de)影響。所以(yǐ),要減弱振(zhen)動,解決的(de)根本方法(fa)就是改變(bian)傳感器✌️結(jie)構參數、優(yōu)化流場、使(shi)浮子左右(you)受力差盡(jin)量減小。
根(gēn)據上述分(fèn)析下面對(duì)水平式流(liú)量傳感器(qi)的結構提(tí)🐅出幾點🈚優(you)化方案:
(1)加(jia)入整流器(qì),以消除或(huo)減小旋渦(wō)的産生,同(tóng)時調整流(liu)💁速的分布(bù)狀況。
(2)将前(qián)流場的直(zhi)管連接改(gai)爲彎管連(lian)接,減少旋(xuán)渦的産生(shēng),順滑流體(ti)的流動,使(shi)傳感器有(yǒu)比較平穩(wen)的前🐉流場(chang)。
(3)延長前直(zhi)管段。這裏(lǐ)提及的直(zhí)管段指錐(zhui)管前的垂(chui)直直管段(duan),這也是爲(wei)了使流體(tǐ)在通過整(zheng)流器後有(you)比較長的(de)緩和段,使(shǐ)流場接近(jin)充分發展(zhan)的流速分(fen)布。
改進結(jie)構後的仿(páng)真結果如(rú)圖9、10所示,據(jù)圖分析如(rú)下:
（1）改進結(jie)構後流場(chang)的壓力分(fèn)布得到改(gǎi)善,浮.子組(zu)件受力接(jie)⛷️近✉️平衡,但(dan)是,由于整(zhěng)流器的引(yǐn)入,導緻了(le)整流器前(qian)後壓差⚽增(zēng)大,帶來比(bi)較大的壓(yā)損。

(2)改進結(jie)構後流場(chǎng)的速度分(fèn)布比較均(jun1)勻,特别是(shì)使浮🏃🏻‍♂️子組(zu)件周圍沒(méi)有太大的(de)速度差,同(tóng)樣由于整(zhěng)流♻️器的使(shǐ)用,也使浮(fu)子組件的(de)前流場更(gèng)加複雜。通(tong)過物理實(shí)驗也證實(shi)了這🆚幾種(zhong)優👣化方案(an)可以有效(xiao)的減少浮(fú)子☂️左右受(shòu)力差,穩定(ding)浮子。
6結論(lun)
　　由上述數(shù)據分析可(kě)知,對于浮(fu)子在41mm高處(chù)，時的三維(wei)湍流流場(chǎng)進行仿真(zhen)可得到設(shè)計要求的(de)流量上限(xian)🈲值。此位置(zhì)處浮子受(shou)力平衡度(du)誤差爲9.5%，傳(chuan)感器物理(lǐ)實驗獲得(dé)的示☁️值刻(kè)度🔞流量與(yǔ)通過湍流(liu)數值模拟(ni)進行流場(chǎng)仿真實驗(yan)獲得的仿(pang)真流量值(zhi)較爲接近(jin),仿真流量(liang)誤差爲0.944%。本(ben)文利💘用浮(fu)子受力平(ping)衡度誤差(cha)法确定仿(páng)真計算精(jing)度獲得了(le)較爲理想(xiǎng)的效果,即(ji)仿真過程(cheng)無需過🤟分(fen)強調🔞浮子(zi)受力平衡(héng)度誤差的(de)減小,仿真(zhen)流量誤差(cha)即可得到(dào)令人滿意(yi)⭕的結果。
　　理(lǐ)論分析和(he)實驗研究(jiū)表明,這種(zhǒng)設計方法(fǎ)不僅可以(yi)進一步地(di)理解流體(tǐ)流動的機(ji)理和浮子(zi)流量計的(de)測量原理(lǐ),而且使流(liú)量傳感器(qì)的設計進(jin)--步得到⛹🏻‍♀️優(you)化,使流量(liang)測量的靈(líng)敏度和精(jīng)确度👨‍❤️‍👨得到(dao)明顯的🍉提(ti)高。此外,對(duì)流場的數(shu)值仿真與(yǔ)實驗研究(jiu)也是分析(xī)、解決流量(liàng)計其它問(wèn)題的一-種(zhong)有效方法(fa)。目前基于(yú)這種方法(fa)設計的水(shui)平式金屬(shu)管浮子流(liú)量計已經(jing)投入市🐅場(chang)，現場，反饋(kuì)這💋種流量(liàng)計性能穩(wen)定，精度可(kě)靠。

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