摘(zhai)要:利用(yong)基于計(ji)算流體(ti)力學的(de)流量傳(chuan)感器設(she)計方法(fa)實現🚩了(le)對适合(he)安裝于(yu)水平管(guan)道的特(te)殊結構(gou)的 金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji) 三維湍(tuan)流流場(chang)的數值(zhi)仿真研(yan)究.流場(chang)仿真所(suo)需的🐅模(mo)型采用(yong)CAMBIT軟件建(jian)立,通過(guo)FLUNT軟件進(jin)行仿真(zhen)，仿真過(guo)程中利(li)用受力(li)平衡來(lai)控制計(ji)算精度(du).數值仿(pang)真結果(guo)和物理(li)實驗結(jie)果比較(jiao),浮子受(shou)🐆力平衡(heng)誤差絕(jue)對值爲(wei)2.01%時，,流量(liang)㊙️誤差絕(jue)對值爲(wei)0.70%,證實了(le)仿真結(jie)果的正(zheng)确率.同(tong)時,利用(yong)流場仿(pang)真信息(xi)對流量(liang)傳感器(qi)結構做(zuo)了進一(yi)步改進(jin),解決了(le)水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量計 在(zai)大流量(liang)下的浮(fu)子振動(dong)問題。
　　金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計是一(yi)種傳統(tong)的變截(jie)面流量(liang)計🈲,具有(you)結構簡(jian)單、工作(zuo)可靠、壓(ya)力損失(shi)小且穩(wen)定、可測(ce)低流速(su)介質等(deng)諸多優(you)點,廣泛(fan)應用于(yu)測量高(gao)溫、高㊙️壓(ya)及腐蝕(shi)性流體(ti)介質川(chuan),由其♌測(ce)量原理(li)決定,它(ta)一般需(xu)豎直💘安(an)裝.但是(shi)💯,在某些(xie)特定的(de)工業應(ying)用中,需(xu)🌈要使用(yong)水平安(an)裝浮子(zi)流量計(ji),其測量(liang)原理雖(sui)與經典(dian)的豎直(zhi)型浮子(zi)流量計(ji)相同,但(dan)它卻是(shi)一種可(ke)以♊安裝(zhuang)于水平(ping)管道的(de)特殊結(jie)構的浮(fu)子流量(liang)計.
　　一般(ban)對浮子(zi)流量計(ji)的經典(dian)研究"是(shi)根據伯(bo)努利方(fang)程進❄️行(hang)的.該方(fang)程要求(qiu)流體運(yun)動是恒(heng)定流、流(liu)體是理(li)想流體(ti)(理想♈流(liu)體是指(zhi)忽略了(le)黏滞性(xing)的流體(ti))且是不(bu).可壓縮(suo)均質流(liu)體,但是(shi)浮子流(liu)量計中(zhong)流過的(de)🤞流體并(bing)不嚴格(ge)滿足這(zhe)3個條件(jian),而且傳(chuan)統流量(liang)計的設(she)計要通(tong)過💔實驗(yan)來檢驗(yan)和修正(zheng)設計圖(tu)紙,這樣(yang)不僅延(yan)長了設(she)計周期(qi),還增加(jia)了設計(ji)成本.基(ji)于上述(shu)2點原因(yin),在設計(ji)水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)時候🤩引(yin)入了計(ji)算流體(ti)力‼️學(computationalfluiddynamics,CFD)技(ji)術4),對浮(fu)子流量(liang)傳感器(qi)流🔞場進(jin)行數值(zhi)仿真，通(tong)過對仿(pang)真及實(shi)驗數據(ju)進📱行比(bi)🐇較來評(ping)價初樣(yang)設計，優(you)化流量(liang)傳感器(qi)的結構(gou)參數,使(shi)流量傳(chuan)感器的(de)設計更(geng)❓加正确(que),提高了(le)設計效(xiao)率.
1水平(ping)式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)的原理(li)
1.1檢測原(yuan)理
　　水平(ping)式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)的檢測(ce)原理(見(jian)圖1)與傳(chuan)👅統的📞金(jin)屬管🤞浮(fu)子流量(liang)計相同(tong),其體積(ji)流量：
 
　　式(shi)中:qv爲浮(fu)子流量(liang)計的體(ti)積流量(liang);α爲流量(liang)系數;h爲(wei)浮子在(zai)錐管中(zhong)的垂直(zhi)位置;φ爲(wei)錐形管(guan)錐半角(jiao);Af爲浮子(zi)體積;ρf爲(wei)浮子材(cai)料密度(du);ρ爲流體(ti)密度;A爲(wei)浮子垂(chui)直于流(liu)向的最(zui)大截🔅面(mian)積;D0爲浮(fu)子最大(da)迎流面(mian)的直徑(jing);Dh爲浮子(zi)平衡在(zai)h高度時(shi)🐕錐形管(guan)的直徑(jing);df爲浮子(zi)最大直(zhi)徑.
 
　　在式(shi)(1)中，流量(liang)系數α是(shi)一個受(shou)很多因(yin)素影響(xiang)的變量(liang)，難以給(gei)出一個(ge)确切的(de)數值，而(er)且對于(yu)本文研(yan)究設計(ji)的水平(ping)🏒式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji),由于其(qi)結構的(de)特殊性(xing),在錐管(guan)的上遊(you)保證不(bu)了‼️5倍管(guan)徑以上(shang)長度的(de)直管段(duan),造成流(liu)場畸變(bian),因此利(li)用式(1)計(ji)算😄流量(liang)将會👅與(yu)實際的(de)流量值(zhi)存在一(yi)⁉️定的偏(pian)差,所以(yi)更有必(bi)要利用(yong)數值仿(pang)真的方(fang)法來保(bao)證設計(ji)流量的(de)準确性(xing).
1.2設計要(yao)求
　　所研(yan)究的水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計,測量(liang)介質爲(wei)⭐20℃的水，口(kou)徑爲DN50,設(she)計要求(qiu)流量測(ce)量範圍(wei)1~10m³/h,量程比(bi)爲10:1,浮子(zi)行程50mm,其(qi)流量系(xi)數的經(jing)驗值爲(wei)0.9~1.0.水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量計剖(pou)面圖如(ru)圖2所示(shi)。
 
2數(shu)值仿真(zhen)
2.1模型建(jian)立
　　爲了(le)研究該(gai)水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量計達(da)到上限(xian)💋流🈲量時(shi)的性質(zhi),建立浮(fu)子位于(yu)41mm高處的(de)流量傳(chuan)感器三(san)維💰流場(chang)模型,如(ru)圖3所示(shi).
 
　　該模型(xing)利用CAMBIT軟(ruan)件建立(li).GAMBIT軟件是(shi)面向CFD的(de)專業前(qian)處理器(qi)軟件,它(ta)包含全(quan)面的幾(ji)何建模(mo)能力.
2.2網(wang)格劃分(fen)及邊界(jie)設定
　　GAMBIT除(chu)了強大(da)的建模(mo)能力外(wai),也是功(gong)能強大(da)，的網格(ge)劃分工(gong)具.針☂️對(dui)傳感器(qi)的流場(chang)模型,選(xuan)擇三角(jiao)形-四面(mian)體網格(ge)來進行(hang)網格化(hua)分.圖4爲(wei)水平式(shi)浮子流(liu)量計浮(fu)子位🔱于(yu)41mm高時🔞的(de)軸向😍網(wang)格剖分(fen)圖.
　　在進(jin)行邊界(jie)的設定(ding)過程中(zhong)設定速(su)度入口(kou),壓力出(chu)口,并🏃🏻将(jiang)導🧑🏽‍🤝‍🧑🏻杆♊壁(bi)面設定(ding)爲float.wall1,浮子(zi)壁面設(she)定爲float.wall2,除(chu)浮子❗組(zu)件、錐管(guan)組件和(he)導向環(huan)外的空(kong)間設定(ding)爲fluid..
 
2.3仿真(zhen)計算條(tiao)件
　　本文(wen)采用FLUENT軟(ruan)件對流(liu)量傳感(gan)器内部(bu)流場進(jin)行仿真(zhen).針✉️對各(ge)種複雜(za)流動的(de)物理現(xian)象,FLUENT軟件(jian)采用不(bu)同的離(li)散格式(shi)✨和數🌈值(zhi)方法,以(yi)期在特(te)定的領(ling)域内使(shi)計算速(su)度、穩定(ding)性和精(jing)度等方(fang)面達到(dao)好的組(zu)合,從而(er)❗高效率(lü)地解決(jue)各個領(ling)域的複(fu)雜流動(dong)計算問(wen)題.
　　模型(xing)建好以(yi)後輸出(chu).msh文件,在(zai)FLUENT中讀入(ru)網格文(wen)件.FLUENT中相(xiang)應計🌐算(suan)☁️條件如(ru)表1所示(shi).
　　其中流(liu)體介質(zhi)的屬性(xing)爲密度(du)998.2kg/m³,動力黏(nian)度0.001003Pa·s,定壓(ya)比熱4182J/kg·K,熱(re)🐪導率0.6W/m·K.水(shui)❗平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計内部(bu)流場是(shi)高雷諾(nuo)數完🚶‍♀️全(quan)發展湍(tuan)流流動(dong),所以采(cai)用湍流(liu)模式理(li)論提供(gong)的标準(zhun)K-ε模型來(lai)計算。
　　金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計内表(biao)面的材(cai)料是不(bu)鏽鋼,設(she)定粗糙(cao)常數C_K_s=1,粗(cu)👣糙高度(du)K_s=0.04.速度人(ren)口采用(yong)的是平(ping)均速度(du).出入口(kou)的㊙️湍流(liu)參數爲(wei)
 
 
2.4計算精(jing)度的控(kong)制
　　利用(yong)浮子組(zu)件受力(li)平衡來(lai)控制計(ji)算精度(du).在FLU-ENT的受(shou)💃力分析(xi)💚報告中(zhong)會提供(gong)指定壁(bi)面所受(shou)到的淨(jing)壓力F,和(he)黏性摩(mo)擦力Fm以(yi)及💃🏻這2個(ge)力的合(he)力Ff這3個(ge)力遵循(xun)公式
 
　　這(zhe)裏設定(ding)當浮子(zi)受力平(ping)衡度|EfI<5%時(shi),認爲浮(fu)子受力(li)達到🌈平(ping)衡♋,此時(shi)停止計(ji)算.
3仿真(zhen)結果及(ji)實驗結(jie)果分析(xi)
　　通過改(gai)變流量(liang)系數來(lai)改變流(liu)量值,進(jin)而調整(zheng)入口及(ji)🌂出口條(tiao)件✊來使(shi)浮子組(zu)件達到(dao)受力平(ping)衡.經典(dian)的流量(liang)♻️系數在(zai)0.9~1.0之間,選(xuan)取包✍️括(kuo)邊界值(zhi)在内的(de)5個流量(liang)系數來(lai)進行數(shu)值仿真(zhen),得到5組(zu)仿真數(shu)據.在下(xia)面的分(fen)析中給(gei)出第5組(zu)數據,亦(yi)即當浮(fu)子受力(li)達到平(ping)衡💚時的(de)壓力場(chang)👄和速度(du)場分布(bu)情況(見(jian)圖5和圖(tu)6)..
 
3.1壓力場(chang)分析
　　圖(tu)5爲叠代(dai)收斂後(hou)流量傳(chuan)感器壓(ya)力場等(deng)勢圖和(he)壓力分(fen)布圖,左(zuo)☎️邊光柱(zhu)從上至(zhi)下表示(shi)壓強從(cong)大到小(xiao)，據圖🔞5分(fen)析如下(xia):
(1)傳感器(qi)流場上(shang)遊的壓(ya)強大于(yu)下遊的(de)壓強;
(2)浮(fu)子最大(da)直徑處(chu)下遊壓(ya)強最小(xiao);
(3)浮子最(zui)大直徑(jing)處,流場(chang)壓強變(bian)化梯度(du)最大;
(4)最(zui)大壓強(qiang)在内直(zhi)管垂直(zhi)段的底(di)部;
(5)浮子(zi)最大直(zhi)徑處上(shang)下兩部(bu)分形成(cheng)很大的(de)壓差,這(zhe)🐇是使🙇‍♀️浮(fu)子穩定(ding)在這一(yi)高度的(de)主要作(zuo)用力;
(6)浮(fu)子底部(bu)左右壓(ya)力不對(dui)稱，這種(zhong)不對稱(cheng)現象的(de)存在使(shi)😍得流量(liang)比較大(da)時浮子(zi)會出現(xian)振動.
3.2速(su)度場分(fen)析
　　圖6爲(wei)叠代收(shou)斂後傳(chuan)感器速(su)度場等(deng)勢圖和(he)矢量圖(tu).圖中📧左(zuo)邊光柱(zhu)從上至(zhi)下表示(shi)速度由(you)大至小(xiao).由圖6.分(fen)析如下(xia):
(1)據顔色(se)分辨出(chu)環隙流(liu)通面積(ji)最小處(chu)及下遊(you)靠近錐(zhui)🐪管🈲壁的(de)流🏒場速(su)度最大(da),前者是(shi)流通面(mian)積減小(xiao)導🔴緻速(su)⚽度增大(da),後者則(ze)是因爲(wei)流場方(fang)向的改(gai)變引起(qi)的,特别(bie)是此處(chu)可能産(chan)生漩渦(wo),導緻有(you)效流通(tong)面積🈲減(jian)小,流體(ti)被擠向(xiang)管壁,使(shi)得此🤞處(chu)速度增(zeng)大;
(2)流場(chang)下遊,外(wai)直管左(zuo)下角速(su)度較小(xiao),主要是(shi)因爲流(liu)場的出(chu)口🧑🏽‍🤝‍🧑🏻在右(you)邊，由于(yu)出口壓(ya)力小，流(liu)體流動(dong)都趨🔱向(xiang)出口;.
(3)浮(fu)子的最(zui)小截面(mian)處,流場(chang)速度存(cun)在較大(da)的變化(hua).
3.3浮子組(zu)件受力(li)定k分析(xi)
　　根據設(she)計初樣(yang)給出的(de)浮子材(cai)料及尺(chi)寸結構(gou),可得浮(fu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼子重力(li)爲㊙️5.97N.從FLUENT的(de)受力報(bao)告中可(ke)以得到(dao)表2所示(shi)數據.
 
3.4物(wu)理實驗(yan)及結果(guo)分析
　　爲(wei)了進一(yi)步驗證(zheng)傳感器(qi)流場仿(pang)真結果(guo),需要進(jin)行.物理(li)👣實驗.按(an)照設計(ji)圖紙加(jia)工設計(ji)模型,加(jia)工完後(hou),配上流(liu)量顯示(shi)儀表⁉️,在(zai)标準裝(zhuang)置上進(jin)行實驗(yan).實驗利(li)用标準(zhun)表法,标(biao)準表選(xuan)擇電磁(ci)流量計(ji)(精度0.2級(ji)).結合仿(pang)真流量(liang)數據、物(wu)理實驗(yan)數據進(jin)行比較(jiao)可以得(de)🐕到表3.
 
4DN80水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計流量(liang)傳感器(qi)結構的(de)優🧑🏽‍🤝‍🧑🏻化🌍及(ji)仿真
　　由(you)上述對(dui)DN50水平式(shi)金屬管(guan)浮子流(liu)量傳感(gan)器三維(wei)湍流流(liu)場壓力(li)場的分(fen)析可知(zhi)浮子組(zu)件受力(li)不平衡(heng)，物理實(shi)驗也表(biao)明在大(da)流量下(xia)會出現(xian)浮子振(zhen)動的現(xian)象,這是(shi)由于傳(chuan)感器流(liu)場發生(sheng)了畸變(bian).在這個(ge)口徑下(xia)浮子振(zhen)動不是(shi)📐很明顯(xian),流量計(ji)可以正(zheng)常工作(zuo)💔.但是在(zai)大流😍量(liang)下,尤其(qi)是😄在DN80及(ji)其以上(shang)口徑的(de)流量計(ji)中浮子(zi)的振動(dong)現象已(yi)經是一(yi)個不可(ke)忽略⭐的(de)問題.
　　從(cong)流場的(de)速度分(fen)布圖6可(ke)以看出(chu),浮子組(zu)件的右(you)邊速度(du)特♌别大(da),其原因(yin)有前流(liu)場引起(qi)的，也有(you)後流場(chang)的因素(su),由于傳(chuan)感器的(de)出☎️口在(zai)右邊,所(suo)以流體(ti)有向右(you)邊流🔞的(de)趨勢.另(ling)外，由于(yu)浮子組(zu)件前直(zhi)管段有(you)個直角(jiao)彎,容易(yi)産生二(er)次流,對(dui)浮子組(zu)件的☁️受(shou)力也有(you)很大的(de)影響.所(suo)以,要減(jian)弱振動(dong),解決的(de)根本方(fang)法就是(shi)改變傳(chuan)感器結(jie)構參數(shu),優化流(liu)場,使浮(fu)子左右(you)受😘力差(cha)盡量減(jian)小。
根據(ju)上述分(fen)析,下面(mian)對水平(ping)式金屬(shu)管浮子(zi)流量傳(chuan)感器的(de)結構提(ti)出幾點(dian)優化方(fang)案:
(1)加人(ren)整流器(qi),消除或(huo)減小旋(xuan)渦的産(chan)生，同時(shi)調整流(liu)速的分(fen)布狀況(kuang);
(2)将前流(liu)場的直(zhi)管連接(jie)改爲彎(wan)管連接(jie),減少旋(xuan)渦的産(chan)生🌈,順滑(hua)流🏃體的(de)流動,使(shi)傳感器(qi)有比較(jiao)平穩的(de)前流場(chang)🥵;
(3)延長錐(zhui)管前的(de)垂直直(zhi)管段,這(zhe)也是爲(wei)了使流(liu)體在通(tong)過整流(liu)器☂️後有(you)比較長(zhang)的緩和(he)段,使流(liu)場接近(jin)充分發(fa)展的流(liu)速分布(bu);
 
　　改進結(jie)構後的(de)仿真結(jie)果如圖(tu)7和圖8所(suo)示，由圖(tu)可知:①改(gai)進結🧡構(gou)後流場(chang)的壓力(li)分布得(de)到改善(shan),浮子組(zu)件受力(li)接近平(ping)衡,但是(shi),由于整(zheng)流器的(de)引人,導(dao)緻了整(zheng)流器前(qian)後壓差(cha)增大,帶(dai)來比較(jiao)大的壓(ya)損;②改進(jin)結構後(hou)流場的(de)速度分(fen)布🔴比較(jiao)均勻,特(te)别是使(shi)浮子組(zu)件周.圍(wei)沒有太(tai)大的速(su)度差,同(tong)樣由于(yu)整🙇🏻流器(qi)的使用(yong)，也使浮(fu)子組件(jian)🚶的前流(liu)場更加(jia)💃🏻複雜.
 
　　通(tong)過物理(li)實驗也(ye)證實了(le)這幾種(zhong)優化方(fang)案可以(yi)有效🔴的(de)減少浮(fu)子左右(you)受力差(cha),穩定浮(fu)子,使流(liu)量計在(zai)進行大(da)流量測(ce)量中也(ye)可🛀以穩(wen)定工作(zuo).
5結語
　　由(you)上述數(shu)據分析(xi)可知,對(dui)于浮子(zi)在41mm高處(chu)時的三(san)維湍流(liu)流場⛱️進(jin)行仿真(zhen)可得到(dao)設計要(yao)求的流(liu)量上限(xian)值.此位(wei)置處浮(fu)子受力(li)平衡誤(wu)差絕對(dui)值爲2.01%,傳(chuan)感器物(wu)理實驗(yan)獲得的(de)示值刻(ke)度流量(liang)與通💋過(guo)湍流數(shu)值⭐模拟(ni)進行流(liu)場仿真(zhen)實驗獲(huo)得的仿(pang)真流量(liang)值較爲(wei)🆚接近,仿(pang)真流量(liang)誤差絕(jue)對值爲(wei)0.70%.因此,浮(fu)子受力(li)平衡度(du)誤差法(fa)确定仿(pang)真計算(suan)精度獲(huo)得了較(jiao)爲理想(xiang)的效果(guo).
　　理論分(fen)析和實(shi)驗研究(jiu)表明,這(zhe)種設計(ji)方法不(bu)僅可以(yi)☎️進一步(bu)的理解(jie)流體流(liu)動的機(ji)理和浮(fu)子流量(liang)計🛀🏻的測(ce)量原理(li)，而且使(shi)流量傳(chuan)感器的(de)設計進(jin)一步得(de)到優化(hua),使流量(liang)測量的(de)☀️靈敏度(du)和精度(du)得到明(ming)顯的提(ti)高.此外(wai),對流場(chang)的數值(zhi)仿真與(yu)實驗研(yan)究也是(shi)分析解(jie)決流量(liang)計其他(ta)問題的(de)一種有(you)效方法(fa).目前基(ji)☁️于這種(zhong)方法設(she)計的水(shui)平式金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計已成(cheng)功應用(yong)于工業(ye)現場,現(xian)場反饋(kui)這種流(liu)量計性(xing)能穩定(ding),精度可(ke)靠,具有(you)🌈廣闊的(de)發展前(qian)景.

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