摘要:利用基于計(jì)算流體力學(xué)的流量傳感器設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值仿真研究.流場(chǎng)仿真所需的模型采用CAMBIT軟件建立,通過(guò)FLUNT軟件進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中利用受力平衡來(lái)控制計(jì)算精度.數(shù)值仿真結(jié)果和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,浮子受力平衡誤差絕對(duì)值為2.01%時(shí)，,流量誤差絕對(duì)值為0.70%,證實(shí)了仿真結(jié)果的正確率.同時(shí),利用流場(chǎng)仿真信息對(duì)流量傳感器結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步改進(jìn),解決了水平式金屬管浮子流量計(jì)在大流量下的浮子振動(dòng)問(wèn)題。
金屬管浮子流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的變截面流量計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壓力損失小且穩(wěn)定、可測(cè)低流速介質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于測(cè)量高溫、高壓及腐蝕性流體介質(zhì)川,由其測(cè)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(yīng)用中,需要使用水平安裝浮子流量計(jì),其測(cè)量原理雖與經(jīng)典的豎直型浮子流量計(jì)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(jì).
一般對(duì)浮子流量計(jì)的經(jīng)典研究"是根據(jù)伯努利方程進(jìn)行的.該方程要求流體運(yùn)動(dòng)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(jì)中流過(guò)的流體并不嚴(yán)格滿(mǎn)足這3個(gè)條件,而且傳統(tǒng)流量計(jì)的設(shè)計(jì)要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和修正設(shè)計(jì)圖紙,這樣不僅延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期,還增加了設(shè)計(jì)成本.基于上述2點(diǎn)原因,在設(shè)計(jì)水平式金屬管浮子流量計(jì)的時(shí)候引入了計(jì)算流體力學(xué)(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)4),對(duì)浮子流量傳感器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，通過(guò)對(duì)仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)初樣設(shè)計(jì)，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(jì)更加正確,提高了設(shè)計(jì)效率.
1水平式金屬管浮子流量計(jì)的原理
1.1檢測(cè)原理
水平式金屬管浮子流量計(jì)的檢測(cè)原理(見(jiàn)圖1)與傳統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)相同,其體積流量：
式中:qv為浮子流量計(jì)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(shí)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(gè)受很多因素影響的變量，難以給出一個(gè)確切的數(shù)值，而且對(duì)于本文研究設(shè)計(jì)的水平式金屬管浮子流量計(jì),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(zhǎng)度的直管段,造成流場(chǎng)畸變,因此利用式(1)計(jì)算流量將會(huì)與實(shí)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(lái)保證設(shè)計(jì)流量的準(zhǔn)確性.
1.2設(shè)計(jì)要求
所研究的水平式金屬管浮子流量計(jì),測(cè)量介質(zhì)為20℃的水，口徑為DN50,設(shè)計(jì)要求流量測(cè)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(yàn)值為0.9~1.0.水平式金屬管浮子流量計(jì)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(jì)達(dá)到上限流量時(shí)的性質(zhì),建立浮子位于41mm高處的流量傳感器三維流場(chǎng)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(zhuān)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(qiáng)大的建模能力外,也是功能強(qiáng)大，的網(wǎng)格劃分工具.針對(duì)傳感器的流場(chǎng)模型,選擇三角形-四面體網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格化分.圖4為水平式浮子流量計(jì)浮子位于41mm高時(shí)的軸向網(wǎng)格剖分圖.
在進(jìn)行邊界的設(shè)定過(guò)程中設(shè)定速度入口,壓力出口,并將導(dǎo)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(dǎo)向環(huán)外的空間設(shè)定為fluid..
2.3仿真計(jì)算條件
本文采用FLUENT軟件對(duì)流量傳感器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真.針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)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(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到好的組合,從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)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(yīng)計(jì)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(dòng)力黏度0.001003Pa·s,定壓比熱4182J/kg·K,熱導(dǎo)率0.6W/m·K.水平式金屬管浮子流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)是高雷諾數(shù)完全發(fā)展湍流流動(dòng),所以采用湍流模式理論提供的標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型來(lái)計(jì)算。
金屬管浮子流量計(jì)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(jì)算精度的控制
利用浮子組件受力平衡來(lái)控制計(jì)算精度.在FLU-ENT的受力分析報(bào)告中會(huì)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(gè)力的合力Ff這3個(gè)力遵循公式
這里設(shè)定當(dāng)浮子受力平衡度|EfI<5%時(shí),認(rèn)為浮子受力達(dá)到平衡,此時(shí)停止計(jì)算.
3仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過(guò)改變流量系數(shù)來(lái)改變流量值,進(jìn)而調(diào)整入口及出口條件來(lái)使浮子組件達(dá)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(gè)流量系數(shù)來(lái)進(jìn)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(dāng)浮子受力達(dá)到平衡時(shí)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布情況(見(jiàn)圖5和圖6)..
3.1壓力場(chǎng)分析
圖5為迭代收斂后流量傳感器壓力場(chǎng)等勢(shì)圖和壓力分布圖,左邊光柱從上至下表示壓強(qiáng)從大到小，據(jù)圖5分析如下:
(1)傳感器流場(chǎng)上游的壓強(qiáng)大于下游的壓強(qiáng);
(2)浮子最大直徑處下游壓強(qiáng)最小;
(3)浮子最大直徑處,流場(chǎng)壓強(qiáng)變化梯度最大;
(4)最大壓強(qiáng)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(duì)稱(chēng)，這種不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象的存在使得流量比較大時(shí)浮子會(huì)出現(xiàn)振動(dòng).
3.2速度場(chǎng)分析
圖6為迭代收斂后傳感器速度場(chǎng)等勢(shì)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(chǎng)速度最大,前者是流通面積減小導(dǎo)致速度增大,后者則是因?yàn)榱鲌?chǎng)方向的改變引起的,特別是此處可能產(chǎn)生漩渦,導(dǎo)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(chǎng)下游,外直管左下角速度較小,主要是因?yàn)榱鲌?chǎng)的出口在右邊，由于出口壓力小，流體流動(dòng)都趨向出口;.
(3)浮子的最小截面處,流場(chǎng)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(jì)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(bào)告中可以得到表2所示數(shù)據(jù).
3.4物理實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器流場(chǎng)仿真結(jié)果,需要進(jìn)行.物理實(shí)驗(yàn).按照設(shè)計(jì)圖紙加工設(shè)計(jì)模型,加工完后,配上流量顯示儀表,在標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)表法,標(biāo)準(zhǔn)表選擇電磁流量計(jì)(精度0.2級(jí)).結(jié)合仿真流量數(shù)據(jù)、物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以得到表3.
4DN80水平式金屬管浮子流量計(jì)流量傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及仿真
由上述對(duì)DN50水平式金屬管浮子流量傳感器三維湍流流場(chǎng)壓力場(chǎng)的分析可知浮子組件受力不平衡，物理實(shí)驗(yàn)也表明在大流量下會(huì)出現(xiàn)浮子振動(dòng)的現(xiàn)象,這是由于傳感器流場(chǎng)發(fā)生了畸變.在這個(gè)口徑下浮子振動(dòng)不是很明顯,流量計(jì)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(jì)中浮子的振動(dòng)現(xiàn)象已經(jīng)是一個(gè)不可忽略的問(wèn)題.
從流場(chǎng)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(chǎng)引起的，也有后流場(chǎng)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(shì).另外，由于浮子組件前直管段有個(gè)直角彎,容易產(chǎn)生二次流,對(duì)浮子組件的受力也有很大的影響.所以,要減弱振動(dòng),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(chǎng),使浮子左右受力差盡量減小。
根據(jù)上述分析,下面對(duì)水平式金屬管浮子流量傳感器的結(jié)構(gòu)提出幾點(diǎn)優(yōu)化方案:
(1)加人整流器,消除或減小旋渦的產(chǎn)生，同時(shí)調(diào)整流速的分布狀況;
(2)將前流場(chǎng)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(dòng),使傳感器有比較平穩(wěn)的前流場(chǎng);
(3)延長(zhǎng)錐管前的垂直直管段,這也是為了使流體在通過(guò)整流器后有比較長(zhǎng)的緩和段,使流場(chǎng)接近充分發(fā)展的流速分布;
改進(jìn)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(jìn)結(jié)構(gòu)后流場(chǎng)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(dǎo)致了整流器前后壓差增大,帶來(lái)比較大的壓損;②改進(jìn)結(jié)構(gòu)后流場(chǎng)的速度分布比較均勻,特別是使浮子組件周.圍沒(méi)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(chǎng)更加復(fù)雜.
通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)也證實(shí)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(jì)在進(jìn)行大流量測(cè)量中也可以穩(wěn)定工作.
5結(jié)語(yǔ)
由上述數(shù)據(jù)分析可知,對(duì)于浮子在41mm高處時(shí)的三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行仿真可得到設(shè)計(jì)要求的流量上限值.此位置處浮子受力平衡誤差絕對(duì)值為2.01%,傳感器物理實(shí)驗(yàn)獲得的示值刻度流量與通過(guò)湍流數(shù)值模擬進(jìn)行流場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)獲得的仿真流量值較為接近,仿真流量誤差絕對(duì)值為0.70%.因此,浮子受力平衡度誤差法確定仿真計(jì)算精度獲得了較為理想的效果.
理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明,這種設(shè)計(jì)方法不僅可以進(jìn)一步的理解流體流動(dòng)的機(jī)理和浮子流量計(jì)的測(cè)量原理，而且使流量傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)一步得到優(yōu)化,使流量測(cè)量的靈敏度和精度得到明顯的提高.此外,對(duì)流場(chǎng)的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究也是分析解決流量計(jì)其他問(wèn)題的一種有效方法.目前基于這種方法設(shè)計(jì)的水平式金屬管浮子流量計(jì)已成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),現(xiàn)場(chǎng)反饋這種流量計(jì)性能穩(wěn)定,精度可靠,具有廣闊的發(fā)展前景.
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