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水平安装金属管浮子流量计原理仿真及实验结果分析

发布时间:2018-01-04
 

摘要:通过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及实验研究提出一种基于计算流体力学的流量传感器设计方法。流场仿真所需的模型采用GAMB IT来建立,通过FLUNT软件进行仿真,仿真过程中利用受力平衡控制计算精度。数值仿真结果和实验结果比较当浮子受力平衡度误差为9.5%时,流量误差为0.944%,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模型做了进一步的优化。
1、引言
金属管式浮子流量计是一种传统的差压式流量计,为了适应部分管道的特殊要求,本文设计研究的浮子流量计是左进右出型的,其测量原理与经典的竖直型浮子流量计相同,但它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,在推导浮子流量计流量测量公式时忽略了粘性应力项,而该项的作用实际上是存在的;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而且增加了设计成本。基于上述两点原因,在设计水平式安装浮子流量计时为了深入了解浮子流量传感器的工作机理,引入了计算流体力学,即CFD技术,对传感器流场进行数值模拟,通过对仿真及实验结果进行分析来评价初样设计,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,并提高了设计效率。
2、水平式安装金属管浮子流量计的原理
2.1检测原理(图1)

水平式安装金属管浮子流量计的检测原理与传统的金属管浮子流量计相同,其体积流量公式为:

式中:Qv——体积流量;α——流量系数;h——浮子位置;Φ——锥形管锥半角;Vf——浮子体积;ρf——浮子材料密度;ρ——流体密度;Af——浮子垂直于流向的最大截面积;Do——浮子最大迎流面的直径;Dh——浮子平衡在h高度时锥形管的直径;df——浮子最大直径。
2.2模型建立及其设计要求
浮子流量计传统的设计方法是建立在式(1)的基础之上,在该方程中流量系数α是一个受很多因素影响的变量。对于本文所研究的水平式安装浮子流量计,测量介质为20℃的水,设计要求流量测量范围1~10m³/h,量程比为10:1,行程50mm,其流量系数α的经验值为0.9~1.0。浮子位于41mm高处的传感器三维流场模型如图2所示。

2.3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FLUNT的受力分析报告中会提供指定壁面所受到的净压力Fy↑和粘性摩擦力Fm↑以及这两个力的合力Ff↑。这三个力遵循下面的公式:
Ff↑=Σ(Fy↑+Fm↑)   (2)
根据初始设计草图可以计算出浮子的重力G,浮子的受力平衡度Ef由下式表述:

这里设定当浮子受力平衡度|Ef|<10%时,认为浮子受力达到平衡,此时停止计算。
3、数值仿真
3.1网格划分及边界设定
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划分。如图3所示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,除浮子组件和导向环外的空间设定为fluid。
3.2FLUNT计算条件
模型建好以后输出.msh文件,利用FLUNT进行仿真,FLUNT中相应计算条件如表1所示。
其中流体介质的属性:密度998.2kg/m³,粘度0.001003kg/ms,定压比热4182J/kg·K,热导率0.6W/m·k。速度入口采用的是平均速度,针对浮子位于41mm高的模型计算达到平衡时的入口条件,如表2所示。

3.3仿真过程
水平式浮子流量计三维流场的仿真过程如图4所示。该过程需要解释的几点如下所示:

(1)因每个模型入口流速的准确值未知,是根据经典流量公式计算的一个假设的流量,因此仿真最终结束的判断依据为浮子受力平衡的程度,即通过检查仿真结果,对浮子进行受力分析,距离受力平衡点误差小于10%时,认为达到计算精度,仿真计算结束。当误差大于10%,首先考虑改进该模型的网格精度,如图4中的左侧方案1;当网格精度改进到一定程度后误差仍大于10%,可修正入口条件(主要指入口流速,其余条件可相应计算调整),如图4中的右侧方案2,直到满足计算精度。
(2)利用SIMPLE算法计算时,每次计算迭代次数为500次,当不足500次SIMPLE算法就已经达到收敛精度(10-4)时,程序自动结束,此时可检查计算结果;当迭代次数大于500次仍未收敛时,停止计算,此时需重新检查网格状况和边界设定,进行网格的合理剖分和边界的合理设定。实践证明,网格布置的恰当与否会直接影响收敛速度和收敛结果,不合理的网格布置将导致计算发散或者结果不正确。
(3)迭代前首先打开监视器,监视X、Y、Z三个方向的流速以及k方程和ε方程的收敛状况,实践证明,即使未达到预计的迭代次数,若在监视器中已出现明显的发散现象,可强行中止本次计算。
4、仿真结果及实验结果分析
4.1压力场分析(图5、图6)
比较压力的绝对值可以看到: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抖动。

4.2速度场分析(图7、图8)

据图分析如下:
(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而引起的,特别是此处可能产生旋涡,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。
4.3浮子受力定量分析
从FLUNT的受力报告中可以得到如表3所示数据,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5.995146N。根据仿真结果,浮子在Z方向上的合力为5.4253127N。根据受力平衡度误差分析公式可得,|Ef|=9.5%,小于设定值10%,认为浮子受力达到平衡。

4.4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,在标准装置上进行标定。标定方法利用标准表法,标准表选择涡轮流量计(精度0.5级)。结合仿真流量数据、物理实验数据与根据浮子流量经典测量公式得到的设计流量数据进行比较可以得到表4。

仿真实验流量误差计算公式:

5、大流量下流量传感器结构的优化及改进结构后的仿真
由上述对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流量计振动的现象,这是由于传感器流场出现了变化。从流场的速度分布图可以看出,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流量传感器的结构提出几点优化方案:
(1)加入整流器,以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)延长前直管段。这里提及的直管段指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9、10所示,据图分析如下:
(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。
6、结论
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度误差为9.5%,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,仿真流量误差为0.944%。本文利用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,即仿真过程无需过分强调浮子受力平衡度误差的减小,仿真流量误差即可得到令人满意的结果。
理论分析和实验研究表明,这种设计方法不仅可以进一步地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、解决流量计其它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经投入市场,现场反馈这种流量计性能稳定,精度可靠。