許現(xiàn)本 董 群 焦岢迪 魯 微 肖 輝

(東北石油大學(xué)，大慶 163318)

0 引言

浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力損失小、工作特性穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、價(jià)格便宜、廣泛應(yīng)用于中小管徑、雷諾系數(shù)較低的中小流量測(cè)量[1]。然而，隨著工業(yè)界對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)和測(cè)量范圍的要求越來(lái)越高，浮子流量計(jì)的流程局限性逐漸顯現(xiàn)并制約著它的應(yīng)用[2]。因此如何在不增加能耗的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，增加浮子流量計(jì)的量程，降低生產(chǎn)成本，成為浮子流量計(jì)研究的熱點(diǎn)。

目前，增大浮子流量計(jì)量程的方法包括：增加轉(zhuǎn)子質(zhì)量、采用高密度材料作為轉(zhuǎn)子、加大流通截面等方法[1-3]。這些方法雖然擴(kuò)大了量程，卻也增加了生產(chǎn)成本。研究在原有浮子流量計(jì)的基礎(chǔ)上，將實(shí)心轉(zhuǎn)子進(jìn)行開(kāi)孔，設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的環(huán)錐形浮子流量計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

1 工作原理及流量計(jì)算公式

環(huán)錐形玻璃管浮子流量計(jì)的流量檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。流體自左而右流入錐管，被浮子截流，此時(shí)作用在浮子上的力有4個(gè)：壓差力、浮力、重力及黏性應(yīng)力(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[4-6]。

通過(guò)伯努利方程進(jìn)行能量衡算，并在計(jì)算中忽略流動(dòng)的能量損失，以流量系數(shù)a對(duì)其進(jìn)行校正，新型浮子流量計(jì)的流量方程為[7]:

圖1 環(huán)錐形浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

式中：a為儀表的流量系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得；S為開(kāi)孔面積；m2;A為流通環(huán)形面積與開(kāi)孔面積之和，m2；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；Vf為浮子體積，如有延伸體亦應(yīng)包括，m3；ρf為浮子材料密度，kg/m3；ρ為被測(cè)流體密度，如為氣體是在浮子上游橫截面上的密度，kg/m3；Af為浮子工作直徑(最大直徑)處的橫截面積，m2，Δh為浮子的高度，m。流通環(huán)形面積與開(kāi)孔面積之和A的計(jì)算公式為：

A=p (dhtanθ+h2tan2θ)+S

式中：d為浮子最大直徑(即工作直徑)，m；h為浮子從錐管內(nèi)徑等于浮子最大直徑處上升高度，m；θ為錐管的圓錐角。

2 通心浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)

為研究不同開(kāi)孔徑與流量關(guān)系，設(shè)計(jì)了不同的開(kāi)孔半徑，如圖2所示。

圖2 不同開(kāi)孔徑的通心浮子

3 CFD仿真計(jì)算

3.1 網(wǎng)格劃分

采用ansys workbench進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，應(yīng)用solidworks建立環(huán)錐型玻璃管通心浮子流量計(jì)流體域模型,浮子形狀設(shè)計(jì)如圖2所示。利用workbench中mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，使用inflation功能對(duì)邊界層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了控制網(wǎng)格精度，控制網(wǎng)格質(zhì)量Skewness最大要小于0.9。

3.2 計(jì)算條件

采用湍流模型進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)單又具有較高的精度，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，根據(jù)有限體積法對(duì)方程進(jìn)行差分離散。流體介質(zhì)為10℃的水，密度為999.7kg/m3，黏度為1.307×10-3Pa·s。inlet邊界條件為velocity；outlet邊界條件為pressure。壁面的邊界條件為默認(rèn)值。求解控制參數(shù)中，離散格式選擇基于壓力-速度耦合SIMPLE算法，壓力方程使用一階標(biāo)準(zhǔn)格式，其他方程使用二階迎風(fēng)格式，松弛因子為默認(rèn)0.25[8]。

3.3 仿真數(shù)據(jù)

通心浮子流量計(jì)中通心浮子受到的升力FS等于重力時(shí)，inlet的流量為浮子在該刻度的流量。Fluent開(kāi)始計(jì)算后監(jiān)視殘差和升力系數(shù)Cl。當(dāng)殘差收斂到10-4且Cl在迭代中平穩(wěn)不變化，可判斷計(jì)算結(jié)束。使用“浮子受力平衡誤度差分析法”逐步調(diào)整流量，控制精度。將誤差控制為|Ef|≤10%,得到仿真流量Q(如圖3所示)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證通心浮子流量計(jì)能增大流量和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，本研究選取了規(guī)格為40L/h的浮子流量計(jì)(浮子為鋁材質(zhì))并制作了紫銅浮子和采用以下的實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)，如圖4所示。對(duì)通心浮子流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量。分別對(duì)圖2中不同的開(kāi)孔半徑浮子取位置為65mm處進(jìn)行測(cè)量，每次重復(fù)測(cè)量3次取平均值[6]。

圖3 仿真流量圖

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)比分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果流量圖

圖6 仿真誤差分析與結(jié)果對(duì)比分析

5.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真可以看出通心浮子流量計(jì)能增大流量，由于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，湍流模型的計(jì)算精度都有一定的誤差，仿真計(jì)算流量與實(shí)驗(yàn)流量誤差σf=(Q實(shí)驗(yàn)-Q仿真)/Q實(shí)驗(yàn)×100%和升力與重力誤差|Ef|，如圖6所示。

5.3 速度場(chǎng)分布圖分析

圖7所示流場(chǎng)圖為迭代收斂后的局部速度分布圖，視圖為三維模型創(chuàng)建x=0的 Iso-surface圖，單位為m/s。途中彩色柱體表示速度由上往下遞減，每個(gè)顏色各自對(duì)應(yīng)Iso-surface圖中的速度矢量。

由圖可知：速度分布為軸對(duì)稱(chēng)分布，從實(shí)心到開(kāi)孔孔徑不斷增大，流體速度由環(huán)隙流通面積最小處最大過(guò)渡到孔中流速最大，符合圓管中流體速度從壁面向中心遞增理論分析。

圖7 流體域模型和浮子流場(chǎng)圖

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明通心浮子流量計(jì)能增大流量并證實(shí)了仿真數(shù)據(jù)的精度。由于實(shí)驗(yàn)采用的流場(chǎng)為真實(shí)流場(chǎng)，流量測(cè)量具有更高的精度，所以采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究開(kāi)孔比a(開(kāi)孔面積/最大截面積)與開(kāi)孔后流量與未開(kāi)孔流量比值θ的關(guān)系。圖8為比值β與開(kāi)孔比a的關(guān)系。擬合方程為β=3.04178a2+0.06974a+0.99124，殘差平方和為0.00844，相關(guān)性為0.88992。

6 結(jié)論

1)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和流量實(shí)驗(yàn)，可以得到環(huán)錐形通心浮子流量計(jì)能增大流量計(jì)量程；

2)確定開(kāi)孔比與開(kāi)孔后流量和未開(kāi)孔流量比值成β=3.04178a2+0.06974a+0.99124關(guān)系；

3)通過(guò)分析通心浮子流量計(jì)流場(chǎng)圖發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔直徑越大開(kāi)孔通道的流量越大，當(dāng)流量過(guò)大時(shí)影響浮子的穩(wěn)定性和精度；

4)環(huán)錐形通心浮子流量計(jì)改進(jìn)方法簡(jiǎn)單易行，經(jīng)濟(jì)便宜并能達(dá)到增大量程的目的，可為一種理想的改進(jìn)方法。

[1] 樸立華,張濤,馬艷芳,王軍朋.基于CFD的錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,3(30):90-97

[2] 樸立華,張濤,畢麗紅.基于CFD的大口徑錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2010,9(43):804-809

[3] 張建智.水平浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].湖南：中南大學(xué),2004

[4] 李良貿(mào),張以民.常用測(cè)量?jī)x表實(shí)用指南[M].中國(guó)計(jì)量出版社,1998

[5] 溫強(qiáng).基于霍爾效應(yīng)的智能金屬管浮子流量計(jì)的研究[D].天津：天津大學(xué),2002

[6] 徐英，劉正先，張濤.浮子流量計(jì)三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值研究.天津大學(xué)學(xué)報(bào)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37(1)：74-79

[7] 蘇峰,張濤,劉欣.浮子流量計(jì)方程式的原理分析與修正[J].化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(5):64-67

[8] 樸立華，張濤，馬艷芳，王軍朋.基于CFD的錐形管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011(3):9-43