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新聞詳情
測(cè)量低粘度流體介質(zhì)水平安裝金屬浮子流量計(jì)的仿真研究 對(duì)于水平安裝金屬浮子流量計(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)低速流體介質(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)。目前，金屬管浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)采用經(jīng)典浮子流量公式計(jì)算，其中流量系數(shù)α受到浮子形狀和來(lái)流雷諾數(shù)等多種因素的影響，需要實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來(lái)確定。該設(shè)計(jì)方法需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，費(fèi)用昂貴，周期很長(zhǎng)，且獲取的數(shù)據(jù)有限。為深入研究金屬管浮子流量計(jì)的工作機(jī)理，筆者利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)水平安裝金屬浮子流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值仿真，通過(guò)構(gòu)造仿真模型為研究金屬管浮子流量計(jì)的機(jī)理建立數(shù)值實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)；同時(shí)為金屬管浮子流量計(jì)提供了低成本、短周期的設(shè)計(jì)方法。 1 基本原理 1.1 水平安裝金屬浮子流量計(jì)的工作原理  圖1為水平安裝金屬浮子流量計(jì)的工作原理示意。在垂直的錐形管中，放置一阻力件，即浮子。當(dāng)流體自下而上穿過(guò)錐管時(shí)，受到浮子迎流體積阻擋而產(chǎn)生一個(gè)壓差，從而對(duì)浮子形成向上的作用力，同時(shí)由于流體本身的黏性，對(duì)浮子產(chǎn)生黏性力，當(dāng)這兩個(gè)力的合力大于浮子本身的重力時(shí)，浮子就會(huì)向上升，同時(shí)浮子與錐形管問(wèn)的環(huán)形流通面積增大，流速減低，此時(shí)浮子對(duì)流體阻力作用減小.當(dāng)浮子受到的力達(dá)到平衡時(shí)，浮子就會(huì)停留在某一高度。傳統(tǒng)的水平安裝金屬浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)采用經(jīng)典浮子流量公式計(jì)算，即  式中：qv為水平安裝金屬浮子流量計(jì)的體積流量；α為流量系數(shù)；D0為浮子非常大迎流面的直徑；h為浮子在錐管中的垂直位置；φ為錐形管夾角；Vf為浮子體積；ρf為浮子材料密度；ρ為流體密度；Af為浮子垂直于流向的非常大截面面積。 1.2 計(jì)算流體力學(xué)及其控制方程 計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）是一門(mén)利用計(jì)算機(jī)求解描述流體流動(dòng)規(guī)律的控制方程組技術(shù)，涉及到流體力學(xué)、計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖形處理等技術(shù)。為了簡(jiǎn)便，以不可壓縮湍流流動(dòng)為例寫(xiě)出筆者使用的k-ε模型通用形式的流體控制方程。在直角坐標(biāo)系中，流動(dòng)可由連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程描述，即 水平安裝金屬浮子流量計(jì) 連續(xù)方程 雷諾方程  式中：ui為平均速度；P為平均壓力；ν和νt分別為水平安裝金屬浮子流量計(jì)分子黏性系數(shù)和渦黏性系數(shù)。 對(duì)高數(shù)湍流，渦黏性系數(shù)的計(jì)算公式為 νT=Cμk2/ ε （4）
k和ε由水平安裝金屬浮子流量計(jì)各自的輸運(yùn)方程得到，對(duì)高Re數(shù)問(wèn)題有K方程  ε方程  式中：Gk為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng) D?為平均應(yīng)變率張量。 筆者的仿真模型建立在已有仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并針對(duì)以往模型中存在的入口速度剖面為等值面這一不合理設(shè)置，給出合理的圓管入口速度剖面；同時(shí)按照實(shí)際流量計(jì)的構(gòu)造，在流量計(jì)的入口與出口處加入導(dǎo)流架，從而提高了水平安裝金屬浮子流量計(jì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。 2 模型建立和數(shù)值計(jì)算 針對(duì)25mm口徑（DN25）www.shhzy3.cn?水平安裝金屬浮子流量計(jì)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算和分析，金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)剖面如圖2（a）所示，金屬管浮子流量計(jì)采用1Cr18Ni9Ti材質(zhì)。流量計(jì)設(shè)計(jì)流量范圍為0.4~4.0 m3，量程比為10：1，為了檢測(cè)錐管中浮子的位置，在浮子中安裝有永久磁鐵，同時(shí)利用網(wǎng)格生成器建立了浮子流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖2（b）所示，實(shí)驗(yàn)所用的低黏度流體介質(zhì)是在常溫下密度為998.0 kg/m3、黏度為0.001002 kg/m.s）的水。www.shhzy3.cn 水平安裝金屬浮子流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)是高雷諾數(shù)完全發(fā)展湍流流動(dòng)，故采用湍流模式理論中標(biāo)準(zhǔn)一模型來(lái)計(jì)算。  2.1 水平安裝金屬浮子流量計(jì)入口速度剖面設(shè)定 入口速度由經(jīng)驗(yàn)性光滑圓管湍流速度分布指數(shù)公式表示，即 式中：ur為入口截面半徑為r處的速度；R為圓管入口處半徑；m為常數(shù)，由雷諾數(shù)的大小決定，見(jiàn)表1；umax為圓管入口中心處的非常大速度。 式中：q為入口流量；A為金屬管入口的計(jì)算面積，對(duì)本研究，A=2πR2m2/[（2m+1）（m+1）]。 表1 常數(shù)m與雷諾數(shù)的關(guān)系
為使構(gòu)建模型能滿(mǎn)足不同口徑水平安裝金屬浮子流量計(jì)的仿真結(jié)果，引入流量修正因子Cq，通過(guò)修正入口流量來(lái)適應(yīng)多種口徑水平安裝金屬浮子流量計(jì)流量的仿真模型。 流量的修正公式如下： qc=Cqq （9） 式中：q為實(shí)際流量；qc為修正流量；Cq為流量修正因子，對(duì)于25mm口徑的金屬管浮子流量計(jì)，Cq=1.13。 根據(jù)式（8）~式（11）編寫(xiě)速度分布函數(shù)。圖3是q=4.8 m3/h時(shí)金屬管浮子流量計(jì)入口速度剖面的仿真。圖中色標(biāo)顏色由冷色調(diào)到暖色調(diào)表示速度由小到大，從圖中可以清楚地看到從邊壁到中心的速度是由小到大的非線(xiàn)性分布。  2.2 其他邊界條件的設(shè)定 1）水平安裝金屬浮子流量計(jì)壁面條件的設(shè)置 由于水平安裝金屬浮子流量計(jì)內(nèi)表面采用不銹鋼材料，根據(jù)壁面特征設(shè)定：粗糙高度Ks=0.04；粗糙常數(shù)Cs=1。 2）出入口的湍流參數(shù) 湍動(dòng)能 耗散率 式中：uav為入口平均速度；Cμ為常數(shù)；L為金屬管浮子流量計(jì)內(nèi)部特征尺度。 3 水平安裝金屬浮子流量計(jì)仿真結(jié)果及分析 圖4給出了不同入口流量下，仿真計(jì)算得到的水平安裝金屬浮子流量計(jì)內(nèi)部截面上的速度偽色圖?？梢郧宄乜吹剿桨惭b金屬浮子流量計(jì)中流體在浮子周?chē)约俺鋈肟诘乃俣确植?。隨著流量的增加，浮子在管中的位置升，浮子與管道之間環(huán)隙變大，流體在管中的速度分布也隨之發(fā)生明顯變化。通過(guò)觀(guān)察偽色圖中的速度分布，并根據(jù)流體力學(xué)基本原理，可以初步判斷出計(jì)算所得結(jié)果是合理的。 根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真計(jì)算了水平安裝金屬浮子流量計(jì)在錐管中某一高度處流體對(duì)它表面的壓力、黏性力和浮子重力Gf 3項(xiàng)的合力，仿真結(jié)果中浮子所受合力結(jié)果見(jiàn)表2，合力向上為正方向。 表2 浮子所受合力Ff的仿真數(shù)據(jù)以及數(shù)值計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)所得流量的比較
由表2可知計(jì)算所得浮子在各位置的合力接近于零，趨于平衡，為驗(yàn)證仿真模型所能達(dá)到的仿真精度，根據(jù)浮子只有在所受合力為零時(shí)才能平衡，又計(jì)算了浮子在各個(gè)高度保持平衡，即合力為零時(shí)，所對(duì)應(yīng)的入口流量。表2還列出了數(shù)值計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)所得流量的比較，并計(jì)算出仿真實(shí)驗(yàn)的滿(mǎn)度誤差占，即 式中：qs為數(shù)值模擬流量，m3/h；qp為物理實(shí)驗(yàn)流量。 由表2可知，數(shù)值計(jì)算與物理實(shí)驗(yàn)所得流量的非常大滿(mǎn)度誤差為5.4695%，平均滿(mǎn)度誤差為2.4731%。利用本模型對(duì)50mm、80mm口徑水平安裝金屬浮子流量計(jì)仿真數(shù)據(jù)與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果也相當(dāng)接近。表明筆者構(gòu)建的模型得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。 4 結(jié)語(yǔ) 通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)金屬管浮子流量計(jì)進(jìn)行仿真，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了定量分析，計(jì)算出浮子在金屬管中不同垂直位置的受力大小及受力平衡時(shí)所對(duì)應(yīng)流量。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，非常大滿(mǎn)度誤差為5.4695%，平均誤差為2.4731%，表明筆者構(gòu)建的金屬管浮子流量計(jì)數(shù)值模型能夠滿(mǎn)足低黏度介質(zhì)金屬管浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)要求，為金屬管浮子流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供了可靠的數(shù)值仿真平臺(tái)。
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