摘要(yao):利用基(ji)于計算(suan)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(an)裝于水(shuǐ)平管道(dào)的特殊(shu)結構的(de) 金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計 三(sān)維湍流(liu)流場的(de)數值仿(pang)真研究(jiū).流場仿(pang)真所需(xū)的✊模型(xíng)🐉采用CAMBIT軟(ruan)件建立(li),通過FLUNT軟(ruan)件進行(hang)仿真，仿(páng)真過程(cheng)中利用(yòng)受力平(ping)衡來控(kong)制計算(suan)精度.數(shu)值仿真(zhen)結果🏒和(he)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(shí)，,流量誤(wu)差絕對(dui)值爲0.70%,證(zheng)實了仿(páng)真結果(guo)的正确(què)率.同時(shí),利用流(liú)場仿真(zhēn)信息對(duì)流量傳(chuan)感器結(jié)構做🔴了(le)進一步(bu)改進,解(jiě)決了水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)計 在大(da)流量下(xia)的浮子(zi)振動問(wèn)題。
　　金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(jì)是一種(zhong)傳統的(de)變截面(mian)流量計(ji),具有結(jie)構簡單(dān)、工作可(ke)靠、壓力(li)損失小(xiǎo)且穩定(ding)、可測低(dī)流速介(jie)質等🐕諸(zhu)多優點(dian)⛷️,廣泛應(yīng)用于測(cè)量高溫(wēn)、高壓及(jí)腐蝕性(xìng)流體介(jie)質川,由(you)其測量(liàng)原理決(jué)定,它一(yī)般需豎(shu)直安裝(zhuāng).但是,在(zai)某些特(te)定的工(gong)業應用(yong)中,需要(yao)使用水(shui)平安裝(zhuang)浮子流(liu)量計,其(qi)測量🙇🏻原(yuan)理雖與(yǔ)經典的(de)豎直型(xíng)♈浮子流(liú)量計相(xiang)同,但它(ta)卻是一(yi)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(duì)浮子流(liu)量計的(de)經典研(yán)究"是根(gēn)據伯努(nu)利方程(chéng)進行⭐的(de).該方程(chéng)要求流(liú)體運動(dong)是恒定(dìng)流、流體(ti)是理想(xiǎng)流體(理(lǐ)想流體(ti)是指㊙️忽(hu)略了黏(nian)滞性的(de)流體)且(qie)是不.可(ke)💃🏻壓縮均(jun)質流體(tǐ),但是浮(fú)子流量(liang)計中流(liú)過的流(liu)體并不(bu)🛀嚴格滿(man)足這3個(gè)條件🌏,而(ér)且傳統(tong)流量計(jì)的設計(jì)要通過(guò)實驗來(lai)檢驗和(hé)修正設(she)計㊙️圖紙(zhi),這樣不(bu)🌍僅延長(zhǎng)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(liàng)計的時(shi)候引入(rù)了計算(suàn)流體力(lì)學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)4),對浮子(zi)流量傳(chuan)感器流(liu)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(jiào)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(gǎn)⛹🏻‍♀️器的設(she)計更加(jiā)正确,提(ti)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(lǐ)
　　水平式(shi)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計的(de)檢測原(yuan)理(見圖(tu)1)與傳統(tong)的金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(ji)相同,其(qi)體積流(liu)量：
 
　　式中(zhong):qv爲浮子(zi)流量計(jì)的體積(ji)流量;α爲(wèi)流量系(xi)數;h爲浮(fu)子在錐(zhuī)🚶‍♀️管中的(de)垂直位(wei)置;φ爲錐(zhui)形管錐(zhui)半角;Af爲(wei)浮子體(tǐ)積;ρf爲浮(fú)子材料(liào)密度;ρ爲(wèi)流體密(mi)度;A爲浮(fú)子垂直(zhí)于流向(xiang)的最大(dà)截面積(ji);D0爲💘浮子(zi)最大迎(ying)流面的(de)直徑;Dh爲(wei)浮子平(ping)衡📐在h高(gāo)度時錐(zhui)形管的(de)直徑;df爲(wei)浮🔞子最(zui)大直徑(jìng).
 
　　在式(1)中(zhong)，流量系(xi)數α是一(yī)個受很(hen)多因素(sù)影響的(de)變量，難(nan)以🙇🏻給🈲出(chu)一個确(que)切的數(shu)值，而且(qie)對于本(běn)文研究(jiū)設計的(de)💃🏻水平式(shi)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計,由(yóu)于其結(jie)構的特(te)殊性,在(zai)錐管的(de)上遊保(bao)🈲證不了(le)🔞5倍管徑(jìng)❗以上長(zhǎng)度的直(zhí)管段,造(zao)成流場(chǎng)畸變,因(yīn)此利用(yong)式(1)計算(suàn)流量将(jiāng)會⛹🏻‍♀️與實(shi)際的流(liu)🔅量值存(cun)在一定(dìng)的偏差(chà),所☀️以更(gèng)有必要(yào)利用數(shù)值仿🐇真(zhen)的方法(fa)來保證(zhèng)設計流(liu)量的準(zhun)确性.
1.2設(she)計要求(qiu)
　　所研究(jiu)的水平(ping)式金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì),測量介(jiè)質爲20℃的(de)水，口徑(jìng)爲DN50,設計(ji)要求流(liu)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(liú)量系數(shù)的經驗(yàn)值爲0.9~1.0.水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計剖面(miàn)圖如圖(tú)2所示。
 
2數值(zhí)仿真
2.1模(mó)型建立(li)
　　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(liú)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(gāi)模型利(lì)用CAMBIT軟件(jiàn)建立.GAMBIT軟(ruǎn)件是面(mian)向CFD的專(zhuan)業前處(chu)理器軟(ruǎn)件,它包(bāo)含全面(miàn)的幾何(hé)建模能(néng)力.
2.2網格(ge)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(huà)🐕分工具(ju).針對🐆傳(chuan)感器的(de)流場模(mó)型,選擇(ze)三角形(xing)-四面體(ti)網格來(lái)進行網(wang)格化分(fèn).圖4爲水(shui)平式浮(fú)子流量(liàng)計浮子(zǐ)位🔞于41mm高(gāo)時的軸(zhóu)向網格(gé)剖分圖(tú).
　　在進行(hang)邊界的(de)設定過(guo)程中設(she)定速度(du)入口,壓(ya)力出口(kou)🏃‍♀️,并将⚽導(dǎo)杆壁面(miàn)設定爲(wei)float.wall1,浮子壁(bì)面設定(ding)爲float.wall2,除浮(fu)子組件(jiàn)、錐管組(zu)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(jian)
　　本文采(cǎi)用FLUENT軟件(jiàn)對流量(liàng)傳感器(qi)内部流(liú)場進行(háng)仿真♈.針(zhēn)對各㊙️種(zhong)複雜流(liu)動的物(wu)理現象(xiàng),FLUENT軟件采(cai)用不同(tóng)的🏒離散(sàn)格式和(hé)數值方(fang)法,以期(qī)在特定(dìng)的領域(yu)内使計(ji)算速度(dù)、穩定性(xìng)和精度(dù)等方面(mian)達到好(hao)的組合(he),從而高(gao)效率地(di)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(wǎng)格文件(jiàn).FLUENT中相應(ying)計算條(tiáo)件如表(biao)1所示.
　　其(qí)中流體(ti)介質的(de)屬性爲(wei)密度998.2kg/m³,動(dòng)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(píng)式金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(ji)内部流(liú)場是高(gāo)雷諾數(shu)完全發(fa)展湍流(liu)流動,所(suǒ)以采用(yòng)湍流模(mo)式理論(lun)提供的(de)标準K-ε模(mo)型來計(jì)算。
　　金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(jì)内表面(miàn)的材料(liao)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(ji)算精度(dù)的控制(zhì)
　　利用浮(fú)子組件(jiàn)受力平(píng)衡來控(kong)制計算(suàn)精度.在(zai)FLU-ENT的受力(lì)分析報(bao)告中會(hui)提供指(zhǐ)定壁面(mian)所受到(dào)的淨壓(yā)力F,和黏(nián)性摩擦(cā)力Fm以及(jí)這2個力(lì)的合力(li)Ff這3個力(li)遵循公(gōng)式
 
　　這裏(lǐ)設定當(dang)浮子受(shòu)力平衡(heng)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(suàn).
3仿真結(jié)果及實(shi)驗結果(guo)分析
　　通(tong)過改變(biàn)流量系(xì)數來改(gǎi)變流量(liàng)值,進而(ér)調整入(ru)口及出(chū)💋口⭐條件(jiàn)來使浮(fú)子組件(jian)達到受(shou)力平衡(heng).經典的(de)📞流量系(xi)數在0.9~1.0之(zhi)間,選取(qǔ)包括邊(bian)界值在(zai)内的5個(ge)流量系(xi)數來進(jin)行數💘值(zhi)仿真,得(de)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(ji)當浮子(zǐ)受力達(da)到平衡(heng)時的壓(ya)力場和(hé)速度場(chǎng)分布情(qing)況(見圖(tu)5和圖6)..
 
3.1壓(yā)力場分(fen)析
　　圖5爲(wei)叠代收(shōu)斂後流(liú)量傳感(gǎn)器壓力(lì)場等勢(shì)圖和壓(ya)力分布(bù)💚圖,左邊(biān)光柱從(cóng)上至下(xia)表示壓(ya)強從大(dà)到小，據(jù)圖5分析(xī)☔如下:
(1)傳(chuan)感器流(liu)場上遊(yóu)的壓強(qiáng)大于下(xia)遊的壓(yā)強;
(2)浮子(zi)最大直(zhi)徑處下(xia)遊壓強(qiáng)最小;
(3)浮(fú)子最大(dà)直徑處(chu),流場壓(ya)強變化(huà)梯度最(zui)大;
(4)最大(da)壓強在(zài)内直管(guan)垂直段(duan)的底部(bu);
(5)浮子最(zui)大直徑(jing)處上下(xia)兩部分(fen)形成很(hěn)大的壓(yā)差,這♊是(shì)使浮子(zǐ)穩🏃‍♀️定在(zài)這一高(gao)度的主(zhu)要作用(yòng)力;
(6)浮子(zǐ)底部左(zuǒ)右壓力(lì)不對稱(cheng)，這種不(bu)對稱現(xian)象的存(cún)在🔴使得(de)流量比(bi)較大時(shi)浮子會(hui)出現振(zhen)動.
3.2速度(du)場分析(xi)
　　圖6爲叠(die)代收斂(lian)後傳感(gan)器速度(du)場等勢(shì)圖和矢(shi)量圖.圖(tú)💜中♈左邊(biān)光柱從(cóng)上至下(xià)表示速(su)度由大(dà)至小.由(yóu)圖6.分析(xi)如下🏃‍♂️:
(1)據(ju)顔色分(fen)辨出環(huán)隙流通(tōng)面積最(zuì)小處及(ji)下遊靠(kao)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(du)增🌈大,後(hou)者則是(shi)因爲流(liu)場方向(xiang)的改變(biàn)引起的(de),特别是(shì)此處可(kě)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(guan)壁,使得(de)此☀️處速(sù)度增大(dà);
(2)流場下(xia)遊,外直(zhi)管左下(xià)角速度(du)較小,主(zhu)要是因(yin)爲流⭐場(chǎng)的出口(kǒu)在右邊(biān)，由于出(chū)口壓力(lì)小，流體(tǐ)流動都(dōu)趨向出(chu)口;.
(3)浮子(zǐ)的最小(xiao)截面處(chu),流場速(sù)度存在(zài)較大的(de)變化.
3.3浮(fu)子組件(jian)受力定(ding)k分析
　　根(gen)據設計(ji)初樣給(gei)出的浮(fú)子材料(liào)及尺寸(cun)結構,可(kě)得浮子(zǐ)重力爲(wei)5.97N.從FLUENT的受(shou)力報告(gao)中可以(yi)得到表(biǎo)2所示數(shù)據.
 
3.4物理(lǐ)實驗及(jí)結果分(fèn)析
　　爲了(le)進一步(bù)驗證傳(chuan)感器流(liu)場仿真(zhen)結果,需(xū)要進行(hang).物理實(shí)驗.按照(zhao)設計圖(tu)紙加工(gong)設計模(mo)型,加工(gong)完後,配(pèi)上流量(liàng)顯示儀(yi)表,在标(biāo)準裝置(zhì)上進行(hang)實驗.實(shí)驗利用(yòng)标準表(biǎo)法,标準(zhǔn)表選擇(ze)電磁流(liu)量♈計(精(jīng)度0.2級).結(jie)合仿真(zhēn)流量數(shu)據、物理(lǐ)實驗數(shu)據進行(háng)比較可(ke)以得到(dào)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(you)化及仿(pang)✏️真
　　由上(shang)述對DN50水(shui)平式金(jin)屬管浮(fú)子流量(liàng)傳感器(qì)三維湍(tuan)流🌈流場(chǎng)壓㊙️力場(chǎng)的分析(xī)可知浮(fú)子組件(jiàn)受力不(bu)平衡，物(wù)理實驗(yàn)也表🐇明(míng)在大流(liu)量下會(hui)出現浮(fú)子振動(dong)的💚現象(xiang),這是由(yóu)于傳感(gan)器流場(chang)發生了(le)畸🈲變.在(zai)這個口(kǒu)徑下浮(fú)子🔞振動(dong)不是很(hěn)明顯,流(liu)量計可(ke)以正常(chang)工作.但(dan)是在大(dà)流量下(xia),尤其是(shi)在DN80及其(qi)以上口(kǒu)徑的流(liú)量計中(zhōng)浮子的(de)振動現(xian)象已經(jing)是一個(gè)不可忽(hū)略的問(wèn)題.
　　從流(liú)場的速(su)度分布(bù)圖6可以(yi)看出,浮(fú)子組件(jiàn)的右邊(biān)速度特(tè)别大,其(qí)原因有(yǒu)前流場(chang)引起的(de)，也有後(hòu)流場的(de)因素,由(you)于傳感(gan)器㊙️的出(chu)口在右(you)邊,所以(yǐ)流體有(yǒu)向右邊(biān)流的趨(qū)勢.另外(wai)，由于浮(fú)子😍組件(jiàn)前直管(guan)段有個(gè)直角彎(wan),容易産(chan)生二💘次(cì)流,對浮(fú)子組件(jian)的受力(lì)也有💚很(hěn)大的影(yǐng)響.所以(yi),要減弱(ruo)振動,解(jie)決的根(gen)本方法(fa)就是改(gǎi)變傳感(gǎn)🥰器結構(gou)參數,優(yōu)化流場(chǎng),使浮子(zi)左右受(shòu)力差盡(jin)量減小(xiao)。
根據上(shang)述分析(xī),下面對(dui)水平式(shì)金屬管(guan)浮子流(liu)量傳感(gan)器的結(jié)🎯構提出(chu)幾點優(you)化方案(àn):
(1)加人整(zheng)流器,消(xiāo)除或減(jiǎn)小旋渦(wo)的産生(sheng)，同時調(diào)整流速(sù)的分🐅布(bù)狀況;
(2)将(jiāng)前流場(chǎng)的直管(guǎn)連接改(gai)爲彎管(guan)連接,減(jiǎn)少旋渦(wo)的産生(shēng),順滑流(liú)體的流(liú)動,使傳(chuán)感器有(you)比較平(ping)穩的前(qián)流場;
(3)延(yán)長錐管(guan)前的垂(chui)直直管(guǎn)段,這也(yě)是爲了(le)使流體(tǐ)在通過(guo)整🔆流器(qi)後有比(bi)較長的(de)緩和段(duan),使流場(chang)接近充(chong)分發展(zhǎn)的流速(sù)分布;
 
　　改(gai)進結構(gou)後的仿(pang)真結果(guǒ)如圖7和(he)圖8所示(shi)，由圖可(kě)知:①改進(jin)結構後(hòu)流場的(de)壓力分(fen)布得到(dao)改善,浮(fu)子組件(jiàn)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻受力接(jie)近🤩平衡(héng),但是,由(yóu)于整流(liu)器的引(yǐn)人,導緻(zhi)了整㊙️流(liu)器前後(hou)壓差增(zēng)大,帶來(lai)比較大(da)的壓💜損(sǔn);②改進結(jié)構後流(liu)場的速(su)度分布(bù)比較均(jun)勻,特别(bie)是使💞浮(fú)子組件(jian)周.圍沒(mei)有太大(dà)的速度(dù)差,同樣(yang)由于整(zhěng)流器的(de)使用🈲，也(yě)使浮子(zǐ)組件🌐的(de)前流場(chǎng)更加複(fú)雜.
 
　　通過(guò)物理實(shi)驗也證(zhèng)實了這(zhe)幾種優(you)化方案(àn)可以有(you)效的減(jian)少浮子(zi)左右受(shou)力差,穩(wěn)定浮子(zi),使流量(liang)計在進(jin)行大流(liu)量測量(liàng)中也可(ke)以穩定(dìng)工作.
5結(jié)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(wei)湍流流(liú)場進行(háng)仿真可(kě)得到設(shè)計要求(qiu)的流量(liàng)上限值(zhí).此位置(zhì)處浮子(zǐ)受力平(píng)衡誤差(cha)絕對值(zhi)爲2.01%,傳感(gan)器物理(li)實驗獲(huò)得的示(shì)值刻度(du)流量與(yu)通過湍(tuan)流數值(zhí)模拟進(jìn)行流場(chǎng)仿真實(shi)驗獲得(dé)的仿真(zhēn)流量值(zhí)較爲接(jie)近,仿真(zhēn)流量誤(wù)差絕對(dui)值爲0.70%.因(yin)此,浮子(zi)受力平(píng)衡🔞度誤(wu)差法确(que)定仿真(zhen)計算精(jing)度獲得(dé)了較爲(wèi)理想的(de)效果.
　　理(lǐ)論分析(xī)和實驗(yan)研究表(biǎo)明,這種(zhǒng)設計方(fāng)法不僅(jin)可♌以進(jìn)一步🌍的(de)理解流(liú)體流動(dong)的機理(lǐ)和浮子(zǐ)流量計(ji)的測🔞量(liang)原理，而(er)且使🚶流(liú)量傳感(gan)器的設(she)計進一(yī)步得到(dào)優化,使(shǐ)流量🈲測(ce)量的靈(ling)敏度和(hé)精度🙇🏻得(de)到明顯(xian)的提高(gāo).此外,對(duì)流場的(de)♊數值仿(pang)真與實(shi)驗研究(jiū)也是分(fèn)析解決(jué)流量計(jì)其他問(wèn)題的一(yi)種有效(xiào)方法.目(mu)前基☀️于(yu)這種方(fang)法設計(jì)的水平(píng)式金屬(shu)管浮子(zi)流量✏️計(ji)已🐅成功(gong)應用于(yu)工業現(xiàn)場,現場(chǎng)反饋這(zhe)種流量(liàng)計性能(neng)穩㊙️定,精(jīng)度可靠(kào),具有廣(guǎng)闊的發(fā)展前景(jing).

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