摘要:通過對(duì)適合安裝于水平管道的特殊結(jié)構(gòu)的水平安裝金屬管浮子流量計(jì)三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究提出一種基于計(jì)算流體力學(xué)的流量傳感器設(shè)計(jì)方法。流場(chǎng)仿真所需的模型采用GAMBIT來建立,通過FUNT軟件進(jìn)行仿真,仿真過程中利用受力平衡控制計(jì)算精度。數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較當(dāng)浮子受力平衡度誤差為9.5%時(shí),流量誤差為0.944%,證實(shí)了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)利用流場(chǎng)仿真信息對(duì)流量傳感器模型做了進(jìn)--步的優(yōu)化。
1引言
金屬管式浮子流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì),為了適應(yīng)部分管道的特殊要求,本文設(shè)計(jì)研究的浮子流量計(jì)是左進(jìn)右出型的,其測(cè)量原理與經(jīng)典的豎直型浮子流量計(jì)相同,但它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,在推導(dǎo)浮子流量計(jì)流量測(cè)量公式時(shí)忽略了粘性應(yīng)力項(xiàng),而該項(xiàng)的作用實(shí)際上是存在的;傳統(tǒng)流量計(jì)的設(shè)計(jì)要通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)和修正設(shè)計(jì)圖.紙,這樣不僅延長了設(shè)計(jì)周期而且增加了設(shè)計(jì)成本�；�.上述兩點(diǎn)原因,在設(shè)計(jì)水平式安裝浮子流量計(jì)時(shí)為了深入了解浮子流量傳感器的工作機(jī)理,引入了計(jì)算流體力學(xué),即CFD2]技術(shù),對(duì)傳感器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過對(duì)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析來評(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)更加精確,并提高了設(shè)計(jì)效率。
2水平安裝金屬管浮子流量計(jì)的原理
2.1檢測(cè)原理(圖1)
水平安裝金屬管浮子流量計(jì)的檢測(cè)原理與傳[1]統(tǒng)的金屬管浮子流量計(jì)相同,其體積流量公式為
式中:Qv-體積流量;α-流量系數(shù);h--浮子位置;φ-錐形管錐半角;Vf-浮子體積;Qf-浮子材料密度;Q一流體密度;Af-浮子垂直于流向的最大截面積;D。一浮子最大迎流面的直徑;Dh-浮子平衡在h高度時(shí)錐形管的直徑;df-浮子最大直徑。
2.2模型建立及其設(shè)計(jì)要求
浮子流量計(jì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是建立在式(1)的基礎(chǔ)之.上,在該方程中流量系數(shù)α是一個(gè)受很多因素影響的變量。對(duì)于本文所研究的水平式安裝浮子流量計(jì),測(cè)量介質(zhì)為20℃的水,設(shè)計(jì)要求流量測(cè)量范圍1~10m3/h,量程比為10:1,行程50mm,其流量系數(shù)x的經(jīng)驗(yàn)值為0.9~10。浮子位于41mm高處的傳感器三維流場(chǎng)模型如圖2所示。
2．3計(jì)算精度的控制
利用浮子組件受力平衡來控制計(jì)算精度。在FLUNT的受力分析報(bào)告中會(huì)提供指定壁面所受到的凈壓力Fy↑和粘性摩擦力Fm↑以及這兩個(gè)力的合力Fr↑。這三個(gè)力遵循下面的公式:
這里設(shè)定當(dāng)浮子受力平衡度|Ef|<10%時(shí)，認(rèn)為浮子受力達(dá)到平衡,此時(shí)停止計(jì)算。
3數(shù)值仿真
3.1網(wǎng)格劃分及邊界設(shè)定
針對(duì)傳感器的流場(chǎng)模型,選擇三角形四面體網(wǎng)格來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖3所示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)定過程中設(shè)定速度入口、壓力出口,并將導(dǎo)桿壁面設(shè)定為floatwalll,浮子壁面設(shè)定為floatwall2,除浮子組件和導(dǎo)向環(huán)外的空間設(shè)定為fluid。
3.2FLUNT計(jì)算條件
模型建好以后輸出.msh文件,利用FLUNT進(jìn)行仿真,FLUNT中相應(yīng)計(jì)算條件如表1所示。
其中流體介質(zhì)的屬性:密度998.2kg/m2,粘度0.001003kg/ms,定壓比熱4182J/kg.K,熱導(dǎo)率0.6W/m.k.速度入口采用的是平均速度,針對(duì)浮子位于41mm高的模型計(jì)算達(dá)到平衡時(shí)的入口條件,如表2所示。
3.3仿真過程
水平式浮子流量計(jì)三維流場(chǎng)的仿真過程如圖4所示。該過程需要解釋的幾點(diǎn)如下所示:
(1)因每個(gè)模型入口流速的準(zhǔn)確值未知,是根據(jù)經(jīng)典流量公式計(jì)算的一一個(gè)假設(shè)的流量,因此仿真最終結(jié)束的判斷依據(jù)為浮子受力平衡的程度,即通過檢查仿真結(jié)果,對(duì)浮子進(jìn)行受力分析,距離受力平衡點(diǎn)誤差小于10%時(shí),認(rèn)為達(dá)到計(jì)算精度,仿真計(jì)算結(jié)束。當(dāng)誤差大于10%,首先考慮改進(jìn)該模型的網(wǎng)格精度,如圖4中的左側(cè)方案1;當(dāng)網(wǎng)格精度改進(jìn)到一定程度后誤差仍大于10%,可修正入口條件.(主要指入口流速,其余條件可相應(yīng)計(jì)算調(diào)整),如圖4中的右側(cè)方案2,直到滿足計(jì)算精度。
(2)利用SMPLE算法計(jì)算時(shí),每次計(jì)算迭代次數(shù)為500次,當(dāng)不足500次SMPLE算法就已經(jīng)達(dá)到收斂精度(10“)時(shí),程序自動(dòng)結(jié)束,此時(shí)可檢查計(jì)算結(jié)果;當(dāng)?shù)螖?shù)大于500次仍未收斂時(shí),停止計(jì)算,此時(shí)需重新檢查網(wǎng)格狀況和邊界設(shè)定,進(jìn)行網(wǎng)格的合理剖分和邊界的合理設(shè)定。實(shí)踐證明,網(wǎng)格布置的恰當(dāng)與否會(huì)直接影響收斂速度和收斂結(jié)果,不合理的網(wǎng)格布置將導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散或者結(jié)果不正確。
(3)迭代前首先打開監(jiān)視器,監(jiān)視X.Y、Z三個(gè)方向的流速以及k方程和c方程的收斂狀況,實(shí)踐證明,即使未達(dá)到預(yù)計(jì)的迭代次數(shù),若在監(jiān)視器中已出現(xiàn)明顯的發(fā)散現(xiàn)象,可強(qiáng)行中止本次計(jì)算。
4仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
4.1壓力場(chǎng)分析(圖5.圖6)
比較壓力的絕對(duì)值可以看到:浮子底部左右壓力不對(duì)稱,這種不對(duì)稱現(xiàn)象的存在使得流量比較大時(shí)浮子會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。
4.2速度場(chǎng)分析(圖7.圖8)
據(jù)圖分析如下:
(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)方向的改變而引起的,特別是此處可能產(chǎn)生旋渦,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。
4.3浮子受力定量分析
從FLUNT的受力報(bào)告中可以得到如表3所示數(shù)據(jù),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5.995146N。根據(jù)仿真結(jié)果,浮子在Z方向上的合力為5.4253127N。根據(jù)受力平衡度誤差分析公式可得，1E,|=9.5%，小于設(shè)定值10%,認(rèn)為浮子受力達(dá)到平衡。
4.4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)行標(biāo)定。標(biāo)定方法利用標(biāo)準(zhǔn)表法,標(biāo)準(zhǔn)表選擇渦輪流量計(jì)(精度0.5級(jí))。結(jié)合仿真流量數(shù)據(jù)、物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與根據(jù)浮子流量經(jīng)典測(cè)量公式得到的設(shè)計(jì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以得到表4。
5大流量下流量傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的仿真
由上述對(duì)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)流量計(jì)振動(dòng)的現(xiàn)象,這是由于傳感器流場(chǎng)出現(xiàn)了變化。從流場(chǎng)的速度分布圖可以看出,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)水平式流量傳感器的結(jié)構(gòu)提出幾點(diǎn)優(yōu)化方案:
(1)加入整流器,以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)延長前直管段。這里提及的直管段指錐管前的垂直直管段,這也是為了使流體在通過整流器后有比較長的緩和段,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9、10所示,據(jù)圖分析如下:
（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,由于整流器的引入,導(dǎo)致了整流器前后壓差增大,帶來比較大的壓損。
(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。
6結(jié)論
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度誤差為9.5%，傳感器物理實(shí)驗(yàn)獲得的示值刻度流量與通過湍流數(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,仿真流量誤差為0.944%。本文利用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,即仿真過程無需過分強(qiáng)調(diào)浮子受力平衡度誤差的減小,仿真流量誤差即可得到令人滿意的結(jié)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)一步地理解流體流動(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)--步得到優(yōu)化,使流量測(cè)量的靈敏度和精確度得到明顯的提高。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)其它問題的一-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)已經(jīng)投入市場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)，反饋這種流量計(jì)性能穩(wěn)定，精度可靠。
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