昆山科爾源儀器儀表有限公司
會(huì)員1.png)
昆山科爾源儀器儀表有限公司
暫無(wú)信息 |
經(jīng)營(yíng)模式：經(jīng)銷(xiāo)商
商鋪產(chǎn)品：48條
所在地區(qū)：
聯(lián)系人：龔靜潔 （經(jīng)理）
閱讀：3發(fā)布時(shí)間：2025-7-2
目前，對(duì)浮子流量計(jì)工作機(jī)理的經(jīng)典研究主要是依據(jù)伯努利方程進(jìn)行的[1]，因此，無(wú)法獲得浮子所受黏性應(yīng)力的準(zhǔn)確值，更無(wú)法了解內(nèi)流場(chǎng)三維流動(dòng)信息.1992年，德國(guó)學(xué)者Bueckle和Durst將計(jì)算流體力（CFD）引入浮子流量計(jì)研究之中[2，3]，并采用了的激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDA）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明兩者具有較好的一致性，然而，他們的研究是以幾何長(zhǎng)度較大的玻璃管式浮子流量計(jì)為模型進(jìn)行的，且計(jì)算流場(chǎng)為層流，并未涉及對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中普遍存在的湍流研究。
為深入了解浮子流量計(jì)的工作機(jī)理，文中將湍流模式理論與CFD相結(jié)合對(duì)三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究。本文的研究也為深入探索其他流量計(jì)的工作機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
1 浮子流量計(jì)工作原理
1.1 計(jì)量原理
浮子流量計(jì)原理結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，由一個(gè)錐形管和置于錐形管中可以上下自由移動(dòng)的浮子構(gòu)成。流量計(jì)由兩端法蘭、螺紋或軟管與測(cè)量管道連接，并且垂直安裝在測(cè)量管道上，浮子重心與錐管軸重合，流體自下而上流入錐管，被浮子截流，此時(shí)作用在浮子上的力有4個(gè)：壓差力（動(dòng)壓FP= Afζρv2/2，Af浮子垂直于流向的截面積（m2））、浮力、重力及黏性應(yīng)力Fr（黏性流體對(duì)浮子壁面產(chǎn)生黏性摩擦力），4力平衡時(shí)，浮子將平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)的某一位置，即對(duì)應(yīng)某一確定流量。經(jīng)典分析中忽略了對(duì)黏性應(yīng)力的計(jì)算，只簡(jiǎn)單地將其影響歸并人流量系數(shù)的修正之中，從而引起較大誤差，目前常用的流量方程為[1]
（1）
式中：ф為半錐角度；h為浮子直徑D0與錐管始端相對(duì)位置（mm）；Vf為浮子體積（m3）；ρf為浮子材料密度（kg/m3）；ρ為流體密度（kg/m3）；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋沪翞榕c浮子形狀和流體黏度有關(guān)的修正系數(shù)。
1.2 模型與流動(dòng)狀態(tài)
對(duì)25mm口徑浮子流量計(jì)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，建立浮子分別位于錐管中10~60mm處的計(jì)算模型，如圖2所示，圖3為浮子壁面定義，z軸正向?yàn)榱鲃?dòng)方向，流體由入口截面自下而上流入錐管中，由出口截面流出。圖2中導(dǎo)向桿外壁面、全體連通的錐管內(nèi)壁和圖3中浮子各個(gè)受力面（由下而上依次為浮子的8個(gè)壁面）均為固體壁面。另外，錐管內(nèi)除浮子及導(dǎo)向桿的空間均連通，且定義為流體屬性。
該流量計(jì)的流量系數(shù)α的經(jīng)驗(yàn)值為0.85~0.95，被測(cè)介質(zhì)為2O℃水，由文獻(xiàn)[5]可知，要分析的流場(chǎng)為湍流。
根據(jù)壓力場(chǎng)求得浮子所受凈壓力FF，方向垂直于浮子的各個(gè)表面（圖3），其z方向投影之和為
（2）
式中：PV為浮子受力壓強(qiáng)（Pa），N=1~8；SN為浮子受力表面；θN為垂直于浮子表面的凈壓力FF與軸向夾角（b）；FFZ為壓差力FP與浮力Fb之和，有FFZ= Fp + Fb。
浮子表面所受黏性摩擦力FV，方向與浮子表面平行（圖3），其z向的投影之和FVZ為
（3）
故，根據(jù)數(shù)值模擬獲得的浮子z向受力之和為
（4）
浮子受力平衡度誤差公式為
（5）
δf值越小，說(shuō)明浮子受力平衡度越好。當(dāng)|δf|≤5%時(shí)，則認(rèn)為達(dá)到計(jì)算控制精度，計(jì)算此時(shí)流量，并進(jìn)一步與式（1）的設(shè)計(jì)流量及物理實(shí)驗(yàn)相比較。
2 網(wǎng)格剖分與計(jì)算條件
利用湍流模型解決工程實(shí)際問(wèn)題，其中實(shí)用且計(jì)算精度較高，同時(shí)也是應(yīng)用的，是標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型[4]。下面利用該模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)有限體積法對(duì)方程進(jìn)行差分離散。
2.1 網(wǎng)格剖分
利用有限體積法[5]將控制方程離散化，在求解離散方程的方法中，利用以壓力為基本求解變量的求解方法，即SIMPLE算法進(jìn)行求解[5]。以下給出網(wǎng)格軸向剖分（圖4）。為利于流場(chǎng)分析，剖分時(shí)將錐管之前的上游網(wǎng)格剖分密度定為大于錐管之后的下游網(wǎng)格密度；中間部分即錐管部分的網(wǎng)格分布較密；軸向最小環(huán)隙處的網(wǎng)格密度，在以后的計(jì)算中將給出最小環(huán)隙流速矢量分布信息。
2.2 計(jì)算條件
流體介質(zhì)為22℃的水，密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001003kg/ms；全部壁面（錐管、浮子和導(dǎo)向桿）材料為不銹鋼（1Crl8Ni9Ta），粗糙度為0；按局部單向化處理，出口速度由內(nèi)點(diǎn)外推求得，并滿(mǎn)足質(zhì)量守恒條件。在與固體壁面相鄰的黏性底層采用壁面函數(shù)法處理，入口流速的方向?yàn)閦向，幅值見(jiàn)表1（浮子位置為10~60mm），表中給出設(shè)計(jì)流量下的平均速度u與速度umax（參照尼古拉茲對(duì)光滑圓管湍流速度分布的試驗(yàn)研究[6]），根據(jù)計(jì)算結(jié)果，依照u與umax作參考，逐步調(diào)整入口流速幅值，得到計(jì)算流量us，具體方法見(jiàn)第3部分。
表1 計(jì)算條件
浮子位置/mm設(shè)計(jì)流量
Q/（m3?h-1）入口速度/（m?s-1）uumaxus100.603200.133340.170020.145201.232340.272410.343860.310301.887430.417210.524850.511402.568460.567750.713460.724503.275430.724090.909840.985604.008350.886041.113431.200
3 數(shù)值計(jì)算軟件流程設(shè)計(jì)
數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)軟件流程如圖5，說(shuō)明如下：
1）根據(jù)浮子所處位置不同（10~60mm），建立6個(gè)網(wǎng)格計(jì)算模型，分別獨(dú)立進(jìn)行數(shù)值模擬；
2）利用SIMPLE算法求解時(shí)，收斂精度為1×10-4；
3）為提高計(jì)算精度，可適當(dāng)增加網(wǎng)格的剖分密度，特別是針對(duì)浮子位置較低（如10mm和20mm處）的模型，可適當(dāng)對(duì)浮子直徑附近進(jìn)行有層次的細(xì)致剖分，使得網(wǎng)格密度逐漸過(guò)渡，實(shí)踐證明，該方法有利于加快計(jì)算速度和提高精度；
4）當(dāng)Ef≤5%時(shí)，認(rèn)為達(dá)到計(jì)算精度。當(dāng)Ef>5%，在確保網(wǎng)格剖分合理后，可修正入口流速，直到滿(mǎn)足計(jì)算精度。
4 流場(chǎng)分析
4.1 壓力場(chǎng)等勢(shì)圖分析
因篇幅所限，定性分析僅給出浮子位于10mm、40mm、60mm位置的圖形。圖6為迭代收斂時(shí)壓力場(chǎng)等勢(shì)圖。坐標(biāo)均為zy平面，場(chǎng)強(qiáng)單位為Pa，左邊彩色光柱從上至下（即顏色由紅至進(jìn)入藍(lán)）表示壓強(qiáng)從大至小。
由圖6可知，流場(chǎng)上游壓強(qiáng)大于下游壓強(qiáng)；浮子直徑下游附近壓強(qiáng)最小；浮子位置越高，流場(chǎng)壓強(qiáng)的值越大，如浮子位于60mm時(shí)，壓強(qiáng)為422Pa，浮子位于10mm時(shí)的壓強(qiáng)為-142Pa，壓強(qiáng)值分布在上游直角區(qū)域處；浮子位置越高，流場(chǎng)壓強(qiáng)變化梯度越明顯。
4.2 速度場(chǎng)矢量圖分析
圖7為迭代收斂時(shí)局部速度場(chǎng)矢量圖，視圖坐標(biāo)為zy平面，速度單位為m/s，上邊彩色光柱從上至下（即顏色由紅至藍(lán)）表示速度從大至小，每個(gè)矢量圖各自對(duì)應(yīng)最小環(huán)隙速度分布曲線。
由圖可知：環(huán)隙流通面積最小處流場(chǎng)速度；流場(chǎng)下游，浮子表面呈直角過(guò)渡的區(qū)域附近產(chǎn)生漩渦；浮子位置越高漩渦越明顯；由環(huán)隙速度分布曲線（圖8）可知，偏離壁面處流場(chǎng)速度梯度迅速增大，且速度分布基本呈軸對(duì)稱(chēng)形式。
由上述分析可見(jiàn)，壓力場(chǎng)等勢(shì)圖與速度場(chǎng)矢量圖定性分析結(jié)果與流體的基本理論是一致的。
5 計(jì)算結(jié)果分析
5.1 浮子受力平衡度誤差
通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型及CFD對(duì)浮子流量計(jì)的湍流數(shù)值模擬獲得壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)的全部信息。根據(jù)壓力場(chǎng)及浮子受力平衡度誤差分析法，求出浮子受力平衡度誤差（表2同時(shí)給出了6個(gè)模型的誤差）。
5.2 環(huán)隙流速及流量
根據(jù)速度場(chǎng)信息得出不同模型的環(huán)隙平均流速Vh， 根據(jù)公式Qs=AvH計(jì)算流量，見(jiàn)表2。
表2 數(shù)據(jù)分析
h/mm浮子受力/N（G=2.44956）δf/%τb/（m?s-1）Qs/（m3?h-1）FFZFVZ102.488260.000981.622.11220.656202.434340.00162-0.562.21601.402302.511490.004072.702.41612.312402.352490.005082.702.50663.275502.452090.010300.532.68084.456602.449940.015401.002.67455.429
5.3 物理實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，本研究專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制作了有機(jī)玻璃材料的浮子流量計(jì)，并在圖9所示流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，利用高位水塔穩(wěn)壓，各環(huán)節(jié)名稱(chēng)標(biāo)注于圖中。本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法，標(biāo)準(zhǔn)表選擇渦輪流量計(jì)（精度為0.5級(jí)），測(cè)量6點(diǎn)，即浮子位置為l0~60mm的等距離點(diǎn)，單行程每點(diǎn)重復(fù)3次，正反行程各5次，記錄標(biāo)準(zhǔn)表瞬時(shí)流量（m3/h）。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)處的樣本取平均（30次平均值），得到數(shù)據(jù)如表3。該表結(jié)合了表2計(jì)算流量以及經(jīng)典設(shè)計(jì)流量（棍據(jù)公式1獲得）。
表3 數(shù)值計(jì)算、物理實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典設(shè)計(jì)的比較
浮子高度H/mm物理實(shí)驗(yàn)流量Qp/
（m3?h-1）數(shù)值計(jì)算流量QS/
（m3?h-1）原設(shè)計(jì)流量QD/
（m3?h-1）計(jì)算示值誤差δS/%計(jì)算滿(mǎn)度誤差δSF%設(shè)計(jì)示值誤差δD/%設(shè)計(jì)滿(mǎn)度誤差δDF/%100.6800.656000.60320-3.540-0.458-11.3-1.46201.3821.424101.232341.4770.388-10.8-2.85302.2052.311711.887424.8402.030-14.4-6.05403.1553.275302.568463.8132.290-18.6-11.20504.3504.456033.275432.4382.020-24.7-20.50605.2505.428674.008353.4033.400-23.7-23.70
數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)示值誤差δS與滿(mǎn)度誤差δSF計(jì)算公式分別為
（6）
（7）
式中：Qs為數(shù)值模擬流量（m3/h）；Qp為物理實(shí)驗(yàn)流量（m3/h）；QPF為物理實(shí)驗(yàn)流量。
經(jīng)典設(shè)計(jì)示值誤差δD為滿(mǎn)度誤差δDF，計(jì)算公式分別為
（8）
（9）
式中：QD為經(jīng)典設(shè)計(jì)流量（m3/h）。
結(jié)果表明，物理實(shí)驗(yàn)流量與流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算獲得的流量值較為接近，其滿(mǎn)度誤差為3.403%，平均滿(mǎn)度誤差值為1.77%，說(shuō)明本文的研究方法可得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果.而根據(jù)經(jīng)典方法獲得的流量滿(mǎn)度誤差值為23.7%，平均滿(mǎn)度誤差值為8.9%。
6 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)的定量分析，利用浮子受力平衡度誤差分析法控制模擬精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮子流量計(jì)的數(shù)值計(jì)算，且流量計(jì)算結(jié)果得到了物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。壓力場(chǎng)的研究及浮子表面凈壓及黏性應(yīng)力的獲取對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化浮子形狀設(shè)計(jì)，如將浮子設(shè)計(jì)成橄欖型或水滴型，以減少其壓力損失或黏性影響。特別是針對(duì)黏度較高的介質(zhì)影響，本研究將起著重要的參考作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 蘇彥勛，盛健，梁國(guó)偉.流量計(jì)量與測(cè)度[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1992.
[2] Bueckle U，Durst F，Melling A. Investigation of a floating element flowmeter [J].Flow Measurement and Instrumentation，1992，3（4）：215-225.
[3] Bueckle U，Durst F，Melling A. Further investigation of a floating element flowmeter[J].Flow Measurement and Instrumentation，1995，6（1）：75-78.
[4] 徐英.新型智能金屬管浮子流量計(jì)的研究[D].天津：天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，2002.
[5] 章子雄，董增南.黏性流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.
商鋪：http://www.ovololi.cn/st85071/
主營(yíng)產(chǎn)品：渦街流量計(jì) , 電磁流量計(jì) , 渦輪流量計(jì) , 來(lái)圖加工定制 , OEM傳感器加工
儀表網(wǎng) 設(shè)計(jì)制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請(qǐng)輸入賬號(hào)
請(qǐng)輸入密碼
請(qǐng)輸驗(yàn)證碼
請(qǐng)輸入你感興趣的產(chǎn)品
請(qǐng)簡(jiǎn)單描述您的需求
請(qǐng)選擇省份