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水平式金属管浮子流量计的仿真与实验

发布时间:2017-11-03
 

摘要:利用基于计算流体力学的流量传感器设计方法实现了对适合安装于水平管道的特殊结构的金属管浮子流量计三维湍流流场的数值仿真研究。流场仿真所需的模型采用GAMBIT软件建立,通过FLUNT软件进行仿真,仿真过程中利用受力平衡来控制计算精度。数值仿真结果和物理实验结果比较,浮子受力平衡误差绝对值为2.01%时,流量误差绝对值为0.70%,证实了仿真结果的准确性。同时,利用流场仿真信息对流量传感器结构做了进一步的优化,解决了水平式金属管浮子流量计在大流量下的浮子振动问题。
金属管浮子流量计是一种传统的变截面流量计,具有结构简单、工作可靠、压力损失小且稳定、可测低流速介质等诸多优点,广泛应用于测量高温、高压及腐蚀性流体介质,由其测量原理决定,它一般需竖直安装。但是,在某些特定的工业应用中 需要使用水平安装浮子流量计,其测量原理虽与经典的竖直型浮子流量计相同,但它却是一种可以安装于水平管道的特殊结构的浮子流量计。
一般对浮子流量计的经典研究是根据伯努利方程进行的。该方程要求流体运动是恒定流、流体是理想流体(理想流体是指忽略了勃滞性的流体)且是不可压缩均质流体,但是浮子流量计中流过的流体并不严格满足这3个条件,而且传统流量计的设计要通过,实验来检验和修正设计图纸,这样不仅延长了设计周期, 还增加了设计成本。基于上述2点原因,在设计水平式金属管浮子流量计的时候引人 了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术,对浮子流量传感器流场进行数值仿真,通过对仿真及实验数据进行比较来评价初样设计,优化流量传感器的结构参数,使流量传感器的设计更加精确,提高了设计效率。
1、水平式金属管浮子流量计的原理
1.1检测原理
水平式金属管浮子流量计的检测原理(见图1)与传统的金属管浮子流量计相同,其体积流量

式中:qv为浮子流量计的体积流量;a为流量系数;h为浮子在锥管中的垂直位置;Φ为锥形管锥半角;Vf为浮子体积;ρt为浮子材料密度;ρ为流体密度;At为浮子垂直于流向的最大截面积;Do为浮子最大迎流面的直径;DA为浮子平衡在h高度时锥形管的直径;df为浮子最大直径。

在式(1),流量系数a是一个受很多因素影响的变量,难以给出一个确切的数值,而且对于本文研究设计的水平式金属管浮子流量计,由于其结构的特殊性,在锥管的上游保证不5倍管径以上长度的直管段,造成流场畸变,因此利用式(1)计算流量将会与实际的流量值存在一定的偏差,所以更有必要利用数值仿真的方法来保证设计流量的准确性。
1.2设计要求
所研究的水平式金属管浮子流量计,测量介质为20℃的水,口径为DN50,设计要求流量测量范围1~10m3/h,量程比为10:1,浮子行程50mm,其流量系数地经验值为0.9~1.0。水平式金属管浮子流量计剖面图如图2所示。

2、数值仿真
2.1模型建立
为了研究该水平式金属管浮子流量计达到上限流量时的性质,建立浮子位于41mm高处的流量传感器三维流场模型,如图3所示。

该模型利用GAMBIT软件建立,GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件,它包含全面的几何建模能力。
2.2网格划分及边界设定        
GAMBIT除了强大的建模能力外,也是功能强大的网格划分工具。针对传感器的流场模型,选择三角形-四面体网格来进行网格化分。图4为水平式浮子流量计浮子位于41mm高时的轴向网格剖分图。
在进行边界的设定过程中设定速度入口,压力出口,并将导杆壁面设定为float.wall1,浮子壁面设定为float.wall2,除浮子组件、锥管组件和导向环外的空间设定为fluid。

2.3仿真计算条件
本文采用FLUENT软件对流量传感器内部流场进行仿真,针对各种复杂流动的物理现象,FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法,以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。
模型建好以后输出.msh文件,在FLUENT中读入网格文件,FLUENT中相应计算条件如表1所示。
其中流体介质的属性为密度998.2kg/m3,动力黏度0.001 003Pa·s,定压比热4182J/kg·K,热导率0.6W/m·K.水平式金属管浮子流量计内部流场是高雷诺数完全发展湍流流动,所以采用湍流模式理论提供的标准K-ε模型来计算。
金属管浮子流量计内表面的材料是不锈钢,设定粗糙常数C_K_s=1,粗糙高度K_s=0.04.速度入口采用的是平均速度。出入口的湍流参数为

2.4计算精度的控制
利用浮子组件受力平衡来控制计算精度。在FLUENT的受力分析报告中会提供指定壁面所受到的净压力F,和黏性摩擦力Fm以及这2个力的合力Ff。这3个力遵循公式

根据初始设计草图可以计算出浮子的重力大小G,浮子的受力平衡度为

这里设定浮子受力平衡度|Ef|<5%时,认为浮子受力达到平衡,此时停止计算。
3、仿真结果及实验结果分析
通过改变流量系数来改变流量值,进而调整入口及出口条件来使浮子组件达到受力平衡。经典的流量系数在0.9~1.0之间,选取包括边界值在内的5个流量系数来进行数值仿真,得到5组仿真数据。在下面的分析中给出第5组数据,亦即当浮子受力达到平衡时的压力场合速度场分布情况(见图5和图6)。

3.1压力场分析
图5为迭代收敛后流量传感器压力场等势图和压力分布图,左边光柱从上至下表示压强从大到小,据图5分析如下:
(1)传感器流场上游的压强大于下游的压强;
(2)浮子最大直径处下游压强最小;
(3)浮子最大直径处,流场压强变化梯度最大;
(4)最大压强在内直管垂直段的底部;
(5)浮子最大直径处上下两部分形成很大的压差,这是使浮子稳定在这一高度的主要作用力;
(6)浮子底部左右压力不对称,这种不对称现象的存在使得流量比较大时浮子会出现振动。
3.2速度场分析
图6为迭代收敛后传感器速度场等势图和矢量图。图中左边光柱从上至下表示速度由大至小。由图6分析如下:
(1)据颜色分辨出环隙流通面积最小处及下游靠近锥管壁的流场速度最大,前者是流通面积减小导致速度增大,后者则是因为流场方向的改变引起的,特别是此处可能产生漩涡,导致有效流通面积减小,流体被挤向管壁,使得此处速度增大;

(2)流场下游,外直管左下角速度较小,主要是因为流场的出口在右边,由于出口压力小,流体流动都趋向出口;
(3)浮子的最小截面处,流场速度存在较大的变化。
3.3浮子组件受力定量分析
根据设计初样给出的浮子材料及尺寸结构,可得浮子重力为5.97N,从FLUENT的受力报告中可以得到表2所示数据。

3.4物理实验及结果分析
为了进一步验证传感器流场仿真结果,需要进行物理实验。按照设计图纸加工设计模型,加工完后,配上流量显示仪表,在标准装置上进行实验。实验利用标准表法,标准表选择电磁流量计(精度0.2级)。结合仿真流量数据、物理实验数据进行比较可以得到表3。

仿真实验流量误差计算公式为

式中:Ea为仿真实验流量误差;qo为仿真实验流量;qvp为物理实验流量。
4、DN80水平式金属管浮子流量计流量传感器结构的优化及仿真
由上述对DN50水平式金属管浮子流量传感器三维湍流流场压力场的分析可知浮子组件受力不平衡,物理实验也表明在大流量下会出现浮子振动的现象,这是由于传感器流场发生了畸变。在这个口径下浮子振动不是很明显,流量计可以正常工作。但是在大流量下,尤其是在DN80及其以上口径的流量计中浮子的振动现象已经是一个不可忽略的问题。
从流场的速度分布图6可以看出,浮子组件的右边速度特别大,其原因有前流场引起的,也有后流场的因素,由于传感器的出 口在右边,所以流体有向右边流的趋势。另外,由于浮子组件前直管段有个直角弯,容易产生二次流,对浮子组件的受力也有很大的影响。所以,要减弱振动,解决的根本方法就是改变传感器结构参数,优化流场,使浮子左右受力差尽量减小。
根据上述分析,下面对水平式金属管浮子流量传感器的结构提出几点优化方案:
(1)加人整流器,消除或减小旋涡的产生,同时调整流速的分布状况;
(2)将前流场的直管连接改为弯管连接,减少旋涡的产生,顺滑流体的流动,使传感器有比较平稳的前流场;
(3)延长锥管前的垂直直管段,这也是为了使流体在通过整流器后有比较长的缓和段,使流场接近充分发展的流速分布;
改进结构后的仿真结果如图7和图8所示,由图可知:
①改进结构后流场的压力分布得到改善,浮子组件受力接近平衡,但是,由于整流器的引入,导致了整流器前后压差增大,带来比较大的压损;
②改进结构后流场的速度分布比较均匀,特别是使浮子组件周围没有太大的速度差,同样由于整流器的使用,也使浮子组件的前流场更加复杂。
通过物理实验也证实了这几种优化方案可以有效的减少浮子左右受力差,稳定浮子,使流量计在进行大流量测量中也可以稳定工作。

5、结语
由上述数据分析可知,对于浮子在41mm高处时的三维湍流流场进行仿真可得到设计要求的流量上限值。此位置处浮子受力平衡误差绝对值为2.01%,传感器物理实验获得的示值刻度流量与通过湍流数值模拟进行流场仿真实验获得的仿真流量值较为接近,仿真流量误差绝对值为0.70%因此,浮子受力平衡度误差法确定仿真计算精度获得了较为理想的效果。
理论分析和实验研究表明,这种设计方法不仅可以进一步的理解流体流动的机理和浮子流量计的测量原理,而且使流量传感器的设计进一步得到优化,使流量测量的灵敏度和精确度得到明显的提高。此外,对流场的数值仿真与实验研究也是分析、解决流量计其他问题的一种有效方法。目前基于这种方法设计的水平式金属管浮子流量计已成功应用于工业现场,现场反馈这种流量计性能稳定,精度可靠,具有广阔的发展前景。