摘(zhai)要:通(tong)過對(dui)适合(he)安裝(zhuang)于水(shui)平管(guan)道的(de)特殊(shu)結構(gou)的水(shui)平安(an)裝金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計 三(san)維湍(tuan)流流(liu)場的(de)數值(zhi)仿真(zhen)及實(shi)驗研(yan)究提(ti)出一(yi)種基(ji)于計(ji)👅算流(liu)🤞體力(li)學的(de)流量(liang)傳感(gan)器設(she)計方(fang)法。流(liu)場仿(pang)真所(suo)需的(de)模型(xing)采用(yong)GAMBIT來👨‍❤️‍👨建(jian)立,通(tong)過FUNT軟(ruan)件進(jin)行仿(pang)真,仿(pang)真過(guo)程中(zhong)利用(yong)受力(li)平衡(heng)控制(zhi)計算(suan)精度(du)。數值(zhi)仿真(zhen)結果(guo)和實(shi)驗結(jie)果♊比(bi)較當(dang)浮子(zi)受力(li)平🈲衡(heng)度誤(wu)差爲(wei)9.5%時,流(liu)量誤(wu)差爲(wei)0.944%,證實(shi)了仿(pang)真結(jie)果的(de)準确(que)性,同(tong)時利(li)用流(liu)場仿(pang)真信(xin)息對(dui)流量(liang)傳感(gan)器模(mo)型做(zuo)了🌈進(jin)--步的(de)優化(hua)。
1引言(yan)
　　金屬(shu)管式(shi)浮子(zi)流量(liang)計 是(shi)一種(zhong)傳統(tong)的差(cha)壓式(shi)流量(liang)計,爲(wei)了适(shi)應部(bu)分管(guan)道☎️的(de)特🌐殊(shu)要求(qiu),本文(wen)設計(ji)研究(jiu)的浮(fu)子流(liu)量計(ji)是左(zuo)進右(you)出型(xing)的,其(qi)測🐉量(liang)原理(li)與經(jing)典的(de)豎直(zhi)型浮(fu)子流(liu)量計(ji)相同(tong),但它(ta)是一(yi)種可(ke)以安(an)裝于(yu)水平(ping)管道(dao)的特(te)殊結(jie)構的(de)浮子(zi)流量(liang)計。
　　一(yi)般對(dui)浮子(zi)流量(liang)計 的(de)經典(dian)研究(jiu)是根(gen)據伯(bo)努利(li)方程(cheng)進行(hang)的,在(zai)推導(dao)浮子(zi)🌈流❄️量(liang)🙇🏻計流(liu)量測(ce)量公(gong)式時(shi)忽略(lue)了粘(zhan)性應(ying)力項(xiang),而🐇該(gai)項的(de)作用(yong)實際(ji)上是(shi)存⁉️在(zai)的;傳(chuan)統流(liu)量計(ji)的設(she)計要(yao)通過(guo)實驗(yan)來檢(jian)驗和(he)修正(zheng)設計(ji)圖.紙(zhi),這樣(yang)不僅(jin)延長(zhang)了設(she)計周(zhou)期而(er)且增(zeng)加了(le)設計(ji)成本(ben)。基🌐于(yu).上述(shu)兩㊙️點(dian)原因(yin),在設(she)💚計水(shui)平式(shi)安裝(zhuang)浮子(zi)流量(liang)♻️計時(shi)爲了(le)深入(ru)了解(jie)浮子(zi)流量(liang)傳感(gan)器的(de)工作(zuo)機理(li),引入(ru)了計(ji)算流(liu)體力(li)學,即(ji)CFD2]技術(shu),對傳(chuan)感器(qi)流場(chang)進行(hang)數值(zhi)模拟(ni),通過(guo)👨‍❤️‍👨對仿(pang)真及(ji)實驗(yan)結果(guo)進行(hang)分析(xi)來評(ping)價初(chu)樣設(she)計,優(you)化流(liu)量傳(chuan)感器(qi)的結(jie)⁉️構參(can)數,使(shi)流量(liang)傳感(gan)器的(de)設👌計(ji)更加(jia)精确(que),并提(ti)高了(le)設計(ji)效率(lü)。
2水平(ping)安裝(zhuang)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji) 的原(yuan)理
2.1檢(jian)測原(yuan)理(圖(tu)1)

　　水平(ping)安裝(zhuang)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)的檢(jian)測原(yuan)理與(yu)傳[1]統(tong)的金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計相(xiang)同,其(qi)體積(ji)流量(liang)公式(shi)爲

　　式(shi)中:Qv-體(ti)積流(liu)量;α-流(liu)量系(xi)數;h--浮(fu)子位(wei)置;φ-錐(zhui)形管(guan)錐半(ban)角💃🏻;Vf-浮(fu)❓子體(ti)👉積;Qf-浮(fu)子材(cai)料密(mi)度;Q一(yi)流體(ti)密度(du);Af-浮子(zi)垂直(zhi)于🤩流(liu)向的(de)最🈲大(da)截面(mian)積;D。一(yi)浮子(zi)最大(da)迎流(liu)面的(de)直徑(jing);Dh-浮子(zi)平衡(heng)在h高(gao)度時(shi)錐形(xing)管的(de)直👅徑(jing);df-浮子(zi)最大(da)直徑(jing)。
2.2模型(xing)建立(li)及其(qi)設計(ji)要求(qiu)
　　浮子(zi)流量(liang)計傳(chuan)統的(de)設計(ji)方法(fa)是建(jian)立在(zai)式(1)的(de)基礎(chu)之.上(shang),在該(gai)方程(cheng)中流(liu)量系(xi)數α是(shi)一個(ge)受很(hen)多因(yin)素影(ying)響的(de)變量(liang)。對于(yu)🈚本文(wen)🤞所研(yan)究的(de)水平(ping)式安(an)裝浮(fu)子流(liu)量計(ji),測量(liang)介質(zhi)爲20℃的(de)水,設(she)計要(yao)求流(liu)量測(ce)量範(fan)圍1~10m3/h,量(liang)程比(bi)爲10:1,行(hang)程50mm,其(qi)流量(liang)系數(shu)x的經(jing)驗值(zhi)爲0.9~10。浮(fu)子位(wei)于41mm高(gao)✌️處的(de)傳感(gan)器三(san)維流(liu)場模(mo)型如(ru)圖2所(suo)示。
2．3計(ji)算精(jing)度的(de)控制(zhi)
　　利用(yong)浮子(zi)組件(jian)受力(li)平衡(heng)來控(kong)制計(ji)算精(jing)度。在(zai)FLUNT的受(shou)🈲力分(fen)析報(bao)告✨中(zhong)會提(ti)供指(zhi)定壁(bi)面所(suo)受到(dao)的淨(jing)壓力(li)Fy↑和粘(zhan)性摩(mo)📞擦力(li)Fm↑以及(ji)這兩(liang)💋個力(li)的合(he)力Fr↑。這(zhe)三個(ge)力遵(zun)循下(xia)面的(de)公式(shi)💃:

這裏(li)設定(ding)當浮(fu)子受(shou)力平(ping)衡度(du)|Ef|<10%時，認(ren)爲浮(fu)子受(shou)力達(da)到平(ping)衡,此(ci)時停(ting)止計(ji)算。
3數(shu)值仿(pang)真
3.1網(wang)格劃(hua)分及(ji)邊界(jie)設定(ding)
　　針對(dui)傳感(gan)器的(de)流場(chang)模型(xing),選擇(ze)三角(jiao)形四(si)面體(ti)網格(ge)來✂️進(jin)行🈲網(wang)❤️格劃(hua)分。如(ru)圖3所(suo)示爲(wei)水平(ping)式浮(fu)子流(liu)量計(ji)浮子(zi)位于(yu)41mm高時(shi)的軸(zhou)向網(wang)格剖(pou)分圖(tu)。
　　在進(jin)行邊(bian)界的(de)設定(ding)過程(cheng)中設(she)定速(su)度入(ru)口、壓(ya)力出(chu)口,并(bing)将導(dao)杆壁(bi)面設(she)定爲(wei)floatwalll,浮子(zi)壁面(mian)設定(ding)爲floatwall2,除(chu)浮子(zi)組件(jian)和導(dao)向環(huan)外的(de)空間(jian)設定(ding)爲fluid。
3.2FLUNT計(ji)算條(tiao)件
模(mo)型建(jian)好以(yi)後輸(shu)出.msh文(wen)件,利(li)用FLUNT進(jin)行仿(pang)真,FLUNT中(zhong)相應(ying)計算(suan)🐪條件(jian)如表(biao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻1所示(shi)。
　　其中(zhong)流體(ti)介質(zhi)的屬(shu)性:密(mi)度998.2kg/m2,粘(zhan)度0.001003kg/ms,定(ding)壓比(bi)熱4182J/kg.K,熱(re)導率(lü)0.6W/m.k.速度(du)入口(kou)采用(yong)的是(shi)平均(jun)速度(du),針對(dui)浮子(zi)位于(yu)41mm高的(de)模型(xing)計算(suan)達到(dao)平衡(heng)時的(de)入口(kou)條件(jian),如表(biao)2所示(shi)。

3.3仿(pang)真過(guo)程
　　水(shui)平式(shi)浮子(zi)流量(liang)計三(san)維流(liu)場的(de)仿真(zhen)過程(cheng)如圖(tu)4所示(shi)。該過(guo)程需(xu)要解(jie)釋的(de)幾點(dian)如下(xia)所示(shi):
(1)因每(mei)個模(mo)型入(ru)口流(liu)速的(de)準确(que)值未(wei)知,是(shi)根據(ju)經典(dian)流量(liang)公💋式(shi)計算(suan)的一(yi)一個(ge)假設(she)的流(liu)量,因(yin)此仿(pang)真最(zui)終結(jie)束的(de)🌈判斷(duan)依據(ju)爲浮(fu)🔱子受(shou)力平(ping)衡的(de)程度(du),即通(tong)過檢(jian)查仿(pang)真結(jie)果,對(dui)浮子(zi)進行(hang)💔受力(li)分析(xi),距離(li)受力(li)平衡(heng)點誤(wu)差小(xiao)于10%時(shi)㊙️,認爲(wei)達到(dao)計算(suan)精度(du)✉️,仿真(zhen)計算(suan)🔞結束(shu)。當誤(wu)差🔴大(da)于10%,首(shou)先考(kao)慮改(gai)進該(gai)模型(xing)的網(wang)格精(jing)度,如(ru)圖4中(zhong)的🔅左(zuo)側方(fang)案1;當(dang)網格(ge)🧡精度(du)改進(jin)到一(yi)定程(cheng)🐆度後(hou)誤差(cha)仍大(da)于10%,可(ke)修正(zheng)入口(kou)條件(jian).(主要(yao)指入(ru)口流(liu)速,其(qi)餘條(tiao)件可(ke)相應(ying)計算(suan)調整(zheng)),如圖(tu)4中的(de)右側(ce)方案(an)⭐2,直到(dao)滿足(zu)計算(suan)精度(du)。
(2)利用(yong)SMPLE算法(fa)計算(suan)時,每(mei)次計(ji)算叠(die)代次(ci)數爲(wei)500次,當(dang)不足(zu)500次SMPLE算(suan)🚶法🔆就(jiu)已經(jing)達到(dao)收斂(lian)精度(du)(10“)時,程(cheng)序自(zi)動結(jie)束,此(ci)時可(ke)檢查(cha)計算(suan)結果(guo);當叠(die)代次(ci)數大(da)于500次(ci)仍未(wei)收斂(lian)時,停(ting)止計(ji)算,此(ci)時需(xu)重新(xin)檢查(cha)㊙️網格(ge)狀👨‍❤️‍👨況(kuang)和邊(bian)界設(she)定,進(jin)行網(wang)格的(de)合理(li)👨‍❤️‍👨剖分(fen)和邊(bian)界的(de)合理(li)設定(ding)。實踐(jian)🚶證明(ming),網格(ge)布置(zhi)的恰(qia)當與(yu)否會(hui)直接(jie)影響(xiang)收斂(lian)速度(du)🔅和收(shou)斂結(jie)果🐉,不(bu)合理(li)的網(wang)格布(bu)置将(jiang)導緻(zhi)計算(suan)發散(san)或者(zhe)結果(guo)不正(zheng)确。

(3)叠(die)代前(qian)首先(xian)打開(kai)監視(shi)器,監(jian)視X.Y、Z三(san)個方(fang)向的(de)流速(su)以及(ji)k方👨‍❤️‍👨程(cheng)🛀和c方(fang)程的(de)收斂(lian)狀況(kuang),實踐(jian)證明(ming),即使(shi)未達(da)到❗預(yu)計的(de)叠代(dai)次數(shu),若在(zai)監視(shi)器中(zhong)已出(chu)現明(ming)顯的(de)發散(san)現象(xiang)🆚,可強(qiang)行中(zhong)止本(ben)次計(ji)算。
4仿(pang)真結(jie)果及(ji)實驗(yan)結果(guo)分析(xi)
4.1壓力(li)場分(fen)析(圖(tu)5.圖6)
　　比(bi)較壓(ya)力的(de)絕對(dui)值可(ke)以看(kan)到:浮(fu)子底(di)部左(zuo)右壓(ya)力不(bu)對稱(cheng),這種(zhong)不對(dui)稱現(xian)象的(de)存在(zai)使得(de)流量(liang)比較(jiao)大☀️時(shi)浮子(zi)會出(chu)現抖(dou)動。
4.2速(su)度場(chang)分析(xi)(圖7.圖(tu)8)
據圖(tu)分析(xi)如下(xia):
(1)據顔(ya)色分(fen)辨出(chu)環隙(xi)流通(tong)面積(ji)最小(xiao)處及(ji)下遊(you)靠近(jin)錐⛱️管(guan)壁的(de)流場(chang)速度(du)最大(da),前者(zhe)是流(liu)通面(mian)積減(jian)小導(dao)緻速(su)度增(zeng)大,後(hou)🤞者則(ze)是因(yin)爲流(liu)場方(fang)向的(de)改變(bian)而引(yin)起的(de),特别(bie)是此(ci)處可(ke)能産(chan)生旋(xuan)🔞渦,導(dao)緻有(you)效流(liu)通面(mian)積減(jian)小,流(liu)體被(bei)擠向(xiang)管壁(bi),使得(de)此處(chu)速度(du)增大(da)。
(2)流場(chang)下遊(you),外直(zhi)管左(zuo)下角(jiao)速度(du)較小(xiao),主要(yao)是.因(yin)爲流(liu)場的(de)出口(kou)在右(you)邊,由(you)于出(chu)口壓(ya)力小(xiao),流體(ti)流動(dong)都趨(qu)向出(chu)口。
(3)浮(fu)子的(de)最小(xiao)截面(mian)處,流(liu)場速(su)度存(cun)在較(jiao)大的(de)變化(hua)。

4.3浮子(zi)受力(li)定量(liang)分析(xi)
　　從FLUNT的(de)受力(li)報告(gao)中可(ke)以得(de)到如(ru)表3所(suo)示數(shu)據,根(gen)據設(she)計初(chu)樣🔞給(gei)🔆出的(de)浮子(zi)材料(liao)及尺(chi)寸結(jie)構,可(ke)得浮(fu)子重(zhong)力爲(wei)5.995146N。根據(ju)仿真(zhen)結果(guo),浮子(zi)在Z方(fang)向上(shang)的合(he)力爲(wei)5.4253127N。根據(ju)受力(li)平衡(heng)度誤(wu)差分(fen)析公(gong)式可(ke)得，1E,|=9.5%，小(xiao)于設(she)定值(zhi)10%,認爲(wei)浮子(zi)受力(li)達到(dao)平衡(heng)。

4.4物理(li)實驗(yan)及結(jie)果分(fen)析
　　爲(wei)了進(jin)一步(bu)驗證(zheng)傳感(gan)器流(liu)場仿(pang)真結(jie)果,需(xu)要進(jin)行物(wu)理實(shi)🆚驗。按(an)照設(she)計圖(tu)紙加(jia)工設(she)計模(mo)型,加(jia)工完(wan)後,配(pei)上🌈流(liu)量顯(xian)示💃🏻儀(yi)表,在(zai)标準(zhun)裝置(zhi)上進(jin)行标(biao)定。标(biao)定方(fang)法利(li)用标(biao)準表(biao)法,标(biao)準表(biao)選擇(ze)渦輪(lun)流量(liang)計(精(jing)度0.5級(ji))。結合(he)仿真(zhen)流量(liang)數據(ju)、物理(li)實驗(yan)數據(ju)與根(gen)據浮(fu)子流(liu)量經(jing)典測(ce)量公(gong)式得(de)到的(de)設計(ji)流量(liang)數據(ju)進行(hang)比較(jiao)可以(yi)得到(dao)💋表4。

5大(da)流量(liang)下流(liu)量傳(chuan)感器(qi)結構(gou)的優(you)化及(ji)改進(jin)結構(gou)後的(de)仿真(zhen)
　　由上(shang)述對(dui)壓力(li)場的(de)分析(xi)可知(zhi)浮子(zi)組件(jian)受力(li)不平(ping)衡,物(wu)理實(shi)🈲驗也(ye)表明(ming)在大(da)流量(liang)下會(hui)出現(xian)流量(liang)計振(zhen)動的(de)現象(xiang),這是(shi)由于(yu)傳感(gan)🆚器流(liu)場出(chu)現了(le)變化(hua)。從流(liu)🔴場的(de)速度(du)分布(bu)👨‍❤️‍👨圖可(ke)以看(kan)出,浮(fu)🌐子組(zu)件的(de)右邊(bian)速度(du)特别(bie)大,其(qi)原因(yin)有前(qian)流場(chang)引起(qi)的,也(ye)有後(hou)流場(chang)的因(yin)素,由(you)于傳(chuan)感器(qi)的出(chu)口在(zai)右邊(bian),所以(yi)流❓體(ti)有向(xiang)右邊(bian)❗流的(de)趨勢(shi)。另外(wai),由于(yu)浮子(zi)組件(jian)前直(zhi)管段(duan)有個(ge)直角(jiao)彎,容(rong)易産(chan)生二(er)次流(liu),對浮(fu)子組(zu)件的(de)受力(li)也有(you)很大(da)♍的🔴影(ying)響。所(suo)以,要(yao)減弱(ruo)✌️振動(dong),解決(jue)的根(gen)本方(fang)法就(jiu)是改(gai)變傳(chuan)感器(qi)結構(gou)參數(shu)、優化(hua)流場(chang)、使浮(fu)子左(zuo)右受(shou)力差(cha)盡量(liang)減小(xiao)。
根據(ju)上述(shu)分析(xi)下面(mian)對水(shui)平式(shi)流量(liang)傳感(gan)器的(de)結構(gou)提🌏出(chu)幾點(dian)優化(hua)方案(an):
(1)加入(ru)整流(liu)器,以(yi)消除(chu)或減(jian)小旋(xuan)渦的(de)産生(sheng),同時(shi)調整(zheng)流速(su)的分(fen)布狀(zhuang)況。
(2)将(jiang)前流(liu)場的(de)直管(guan)連接(jie)改爲(wei)彎管(guan)連接(jie),減少(shao)旋渦(wo)的産(chan)生,順(shun)滑㊙️流(liu)體的(de)流動(dong),使傳(chuan)感器(qi)有比(bi)較平(ping)穩的(de)前流(liu)場。
(3)延(yan)長前(qian)直管(guan)段。這(zhe)裏提(ti)及的(de)直管(guan)段指(zhi)錐管(guan)前的(de)垂直(zhi)直管(guan)段,這(zhe)也是(shi)爲了(le)使流(liu)體在(zai)通過(guo)整流(liu)器後(hou)有比(bi)較長(zhang)的緩(huan)和㊙️段(duan),使流(liu)場接(jie)近充(chong)分發(fa)展的(de)流速(su)分布(bu)。
改進(jin)結構(gou)後的(de)仿真(zhen)結果(guo)如圖(tu)9、10所示(shi),據圖(tu)分析(xi)如下(xia):
（1）改進(jin)結構(gou)後流(liu)場的(de)壓力(li)分布(bu)得到(dao)改善(shan),浮.子(zi)組件(jian)受力(li)接⭐近(jin)平衡(heng),但是(shi),由于(yu)整流(liu)器的(de)引入(ru),導緻(zhi)了整(zheng)流器(qi)前後(hou)壓差(cha)增大(da),帶來(lai)✍️比較(jiao)大的(de)壓損(sun)。

(2)改進(jin)結構(gou)後流(liu)場的(de)速度(du)分布(bu)比較(jiao)均勻(yun),特别(bie)是使(shi)浮子(zi)組件(jian)🥰周圍(wei)沒有(you)太大(da)的速(su)度差(cha),同樣(yang)由于(yu)整流(liu)器的(de)使用(yong),也使(shi)浮子(zi)組件(jian)的前(qian)流場(chang)更加(jia)複雜(za)。通過(guo)物理(li)實驗(yan)也證(zheng)實了(le)這幾(ji)種優(you)化方(fang)案可(ke)以有(you)效的(de)減少(shao)浮子(zi)左右(you)受力(li)差,穩(wen)定浮(fu)🌍子。
6結(jie)論
　　由(you)上述(shu)數據(ju)分析(xi)可知(zhi),對于(yu)浮子(zi)在41mm高(gao)處，時(shi)的三(san)維湍(tuan)流流(liu)場進(jin)行仿(pang)真可(ke)得到(dao)設計(ji)要求(qiu)的流(liu)量上(shang)限值(zhi)。此位(wei)置處(chu)浮子(zi)受力(li)平衡(heng)度誤(wu)差爲(wei)9.5%，傳感(gan)器物(wu)理實(shi)驗獲(huo)得的(de)示值(zhi)刻度(du)流量(liang)與通(tong)過湍(tuan)流數(shu)值模(mo)拟進(jin)行流(liu)場仿(pang)真實(shi)驗獲(huo)得的(de)仿真(zhen)流量(liang)值較(jiao)爲接(jie)近🌈,仿(pang)真流(liu)量誤(wu)差爲(wei)0.944%。本文(wen)利🤩用(yong)浮子(zi)受力(li)平衡(heng)度誤(wu)差👨‍❤️‍👨法(fa)确定(ding)仿真(zhen)計算(suan)精度(du)獲得(de)了較(jiao)爲理(li)想的(de)效果(guo),即仿(pang)真過(guo)程無(wu)需過(guo)分強(qiang)調浮(fu)子受(shou)力平(ping)衡度(du)誤差(cha)的減(jian)小,仿(pang)真流(liu)量誤(wu)差即(ji)可得(de)到令(ling)人滿(man)意的(de)結果(guo)。
　　理論(lun)分析(xi)和實(shi)驗研(yan)究表(biao)明,這(zhe)種設(she)計方(fang)法不(bu)僅可(ke)以進(jin)一步(bu)地理(li)解流(liu)體流(liu)動的(de)機理(li)和浮(fu)子流(liu)量計(ji)✌️的測(ce)🐕量原(yuan)🍓理,而(er)且使(shi)流量(liang)傳感(gan)器的(de)設計(ji)進--步(bu)得到(dao)優化(hua),使流(liu)量測(ce)量的(de)靈👈敏(min)度和(he)精确(que)度得(de)到明(ming)顯的(de)提高(gao)。此外(wai),對流(liu)場的(de)數值(zhi)仿真(zhen)⭐與實(shi)驗研(yan)究也(ye)是分(fen)析、解(jie)決流(liu)量計(ji)其它(ta)問題(ti)的一(yi)-種有(you)效方(fang)法。目(mu)前基(ji)🔞于這(zhe)種方(fang)法設(she)計的(de)水平(ping)式金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計已(yi)經投(tou)入市(shi)場，現(xian)場，反(fan)饋這(zhe)種流(liu)量計(ji)性能(neng)穩定(ding)，精度(du)可靠(kao)。

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