目前,在各種工業(yè)生產(chǎn)中流量的測量非常重要,因此各種各樣的流量計層出不窮。壓差類的流量計由于價格較低，使用的經(jīng)驗豐富,經(jīng)過長時間的研究,精度越來越高，所以應(yīng)用非常廣泛”。其中雙向內(nèi)外管壓差流量計具有對流體的擾動小和獲得壓差信號大的優(yōu)點田,但需要對雙向內(nèi)外管壓差流量計的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行進YI 步的優(yōu)化。影響雙向內(nèi)外管壓差流量計性能的參數(shù)有很多，以往的研究大部分是對節(jié)流件的1個或2個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行同時優(yōu)化,不夠全面印,如果對3個及以上結(jié)構(gòu)參數(shù)同時優(yōu)化，便需要進行大量的仿真工作，為提高效率，對仿真軟件進行二次開發(fā)。傳統(tǒng)的仿真軟件FLUENT難以滿足需求，而COMSOLMultiphys-ics仿真軟件可以導(dǎo)出M文件,在MATLAB中運行程序可以自動仿真并提取數(shù)據(jù)，二次開發(fā)難度低甲。如果COMSOL的仿真效果達到要求,那么在雙向內(nèi)外管壓差流量計的仿真中,COMSOL仿真軟件便可取代FLUENT.
1流量計原理
雙向內(nèi)外管壓差流量計的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。安裝節(jié)流件的管道直徑選為32mm。雙向內(nèi)外管壓差流量計節(jié)流件的長度對流量計的性能影響可忽略,為了方便測量,將節(jié)流件大管長度定為30mm,節(jié)流件的厚度定為2mm。
根據(jù)連續(xù)方程和伯努利方程5的原理可知，流體在通過節(jié)流件時,在I-I平面，外流道流體體積壓縮,流速增大,流體壓力減小,而內(nèi)流道流體擴散,流速減小，流體壓力增大;在II-II平面,內(nèi)外流道比較平穩(wěn)，流速和壓力都趨于穩(wěn)定:在亞一I平面,與I-I平面情況相反，外流道擴散,流速減小，流體壓力增大，而內(nèi)流道流體壓縮,流速增大，流體壓力減小。如此--來,在II-II段節(jié)流件內(nèi)外就會形成最大的壓差:
△P=P內(nèi)一P外(1)
式中:△P為內(nèi)外壓差;P內(nèi)為內(nèi)測點的水壓;P外為外測點的水壓。
與傳統(tǒng)壓差類流量計的測量公式類似,流量Q的計算公式為:
式中:C為流出系數(shù);A為流道截面積,m2;λ為等效直徑比;ρ為流體密度,kg/m3。
影響流量計測量JINGDU 的主要因素是水頭損失。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。局部水頭損失是指因局部邊界急劇改變導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布改變并產(chǎn)生旋渦區(qū)而引起的水頭損失。沿程水頭損失是指在固體邊界平直的水道中，單位質(zhì)量的液體自一斷面流至另一斷面所損失的機械能，這種水頭損失是沿程都有,并且隨沿程長度而增加。影響局部水頭損失的因素主要是節(jié)流件異徑比h、節(jié)流件的大管半徑R,影響沿程水頭損失的因素主要是擴散角θ。
2二次回歸正交試驗設(shè)計.
回歸正交試驗是在因素的合理變化范圍內(nèi)選取有限個試驗點安排模擬計算統(tǒng)計,根據(jù)有限個試驗點建立具有一定可信度的回歸方程，當(dāng)各個結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，可利用回歸方程進行估算見,。選擇優(yōu)化的主要參數(shù)是異徑比k、擴散角θ和節(jié)流件的大管半徑R.采用二次正交回歸組合設(shè)計的試驗方法，首先設(shè)定3個控制參數(shù)的變化范圍:異徑比k為0.5~0.9;擴散角θ為4°~10°;節(jié)流件的大管半徑R為5~9mm。依據(jù)二次回歸正交試驗的設(shè)計原則，可以得到各組試驗的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
3COMSOL與FLUENT仿真對比
利用SolidWorks建立三維模型,導(dǎo)入仿真軟件進行網(wǎng)格劃分。按照網(wǎng)格劃分的原則,參數(shù)變量變化梯度大的區(qū)域需要采用較為密集的網(wǎng)格劃分方法以提高精度,變化梯度小的區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格劃分方法以節(jié)省計算資源。節(jié)流件前后的流場劃分的網(wǎng)格稀疏,節(jié)流件周圍的流場劃分的網(wǎng)格密集回。FLUENT仿真軟件劃分的網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)四面體，將整個流場進行網(wǎng)格劃分后,網(wǎng)格數(shù)量在30000左右,如圖2所示。COMSOL仿真軟件劃分的網(wǎng)格在靠近邊界的流場為六面體,其他區(qū)域的網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)四面體,將整個流場進行網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格數(shù)量在100000左右，如圖3所示。兩種軟件的網(wǎng)格劃分方法相比較,COMSOL對流場的網(wǎng)格劃分更加正確。
雙向內(nèi)外管壓差流量計的節(jié)流件采用對稱結(jié)構(gòu),流場雖然被分為內(nèi)外兩個部分，但在節(jié)流件中部有一-段穩(wěn)定流態(tài)的直管段,當(dāng)流體流過節(jié)流件后，內(nèi)外兩流道又合并為一個流道,其中流體的流.速和壓力逐漸穩(wěn)定，在流場中并沒有過大的壓力梯度,所以湍流模型選擇K-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型現(xiàn)已經(jīng)過許多改進,其中RNGk-ε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù),提高了精度和可信度,在FLU-ENT仿真中可以選擇RNGK-ε模型[10),但是在COMSOL仿真中只能籠統(tǒng)地選擇K-ε模型。
仿真介質(zhì)選擇液態(tài)水，溫度20C,為不可壓縮流體，出口條件為outflow,試驗均在入口流速2m/s.的條件下進行仿真。在求解器的設(shè)置方面,兩種軟件均選擇“迭代或容差”的終止條件。
由于FLUENT與COMSOL軟件中均可設(shè)置對稱面，因此在構(gòu)建三維模型時可以僅構(gòu)建半個流場區(qū)域,以方便觀察截面.上的壓力分布。在仿真的后處理中,壓力測量點需要設(shè)置在流場穩(wěn)定的區(qū)域，故計算壓損的前后壓力測量點設(shè)置在節(jié)流件的前后1個管徑距離的位置,計算壓差信號的兩個壓力測量點設(shè)置在節(jié)流件中心和外流道中心0。
4仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分析
對于雙向內(nèi)外管壓差流量計而言,內(nèi)外壓差信號大的條件下,壓損越小越好,故選取內(nèi)外壓差信號與壓損的差值，即壓損差,作為雙向內(nèi)外管壓差流量計的評價指標(biāo)。按照前文設(shè)置的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立15組三維模型,分別利用FLUENT與COMSOL進行仿真,根據(jù)仿真結(jié)果,記錄內(nèi)外壓差信號,將COMSOL和FLUENT仿真數(shù)據(jù)的差的絕對值與FLUENT數(shù)據(jù)的比值定義為誤差比，內(nèi)外壓差信號數(shù)據(jù)對比見表2,用同樣的方法記錄兩種軟件仿真結(jié)果的前后壓損和壓損差,并計算出誤差比,數(shù)據(jù)對比見表3、表4。繪制的誤差比折線圖如圖4所示。
通過觀察表中數(shù)據(jù)可得到規(guī)律:COMSOL仿真數(shù)據(jù)與FLUENT仿真數(shù)據(jù)的誤差隨著FLUENT仿真數(shù)據(jù)的增大而增大。同時對比折線圖可發(fā)現(xiàn)各組數(shù)據(jù)的誤差比均維持在較低且穩(wěn)定的水平。這樣的誤差比對于后續(xù)擬合二次回歸方程以及計算方程的最優(yōu)解影響很小。
分別導(dǎo)出一組試驗的仿真壓力云圖進行對比，如圖5、圖6所示。由圖可知，壓力分布基本相同，COMSOL的壓力云圖更加立體直觀，視覺效果比FLUENT更好。
5結(jié)束語
以雙向內(nèi)外管壓差流量計節(jié)流件的異徑.比h:擴散角θ和節(jié)流件的大管半徑R3個結(jié)構(gòu)參.數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計了二次回歸正交試驗，分別用FLUENT和COMSOL進行仿真、記錄數(shù)據(jù)。通過COMSOL仿真所得的數(shù)據(jù)與通過FLUENT仿真所得的數(shù)據(jù)相比,雖然有浮動,但是誤差比卻維持在一個較低且穩(wěn)定的水平,因此，使用COMSOL代替FLUENT進行雙向內(nèi)外管壓差流量計的仿真。COMSOL的仿真過程可保存為M文件,方便利用MATLAB對COMSOL進行二次開發(fā)，對雙向內(nèi)外管壓差流量計更多結(jié)構(gòu)參數(shù)進一步優(yōu)化。
以上內(nèi)容源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)聯(lián)系即刪除!
