水平式安裝金屬管浮子流量計(jì)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

王孟軍

摘 要：通過(guò)在水力學(xué)上設(shè)計(jì)流體傳感器的方法，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)適合特殊設(shè)計(jì)的水平管上安裝的部分流量場(chǎng)的模擬。第二個(gè)模擬模型是創(chuàng)建游戲軟件，使用游戲保障來(lái)創(chuàng)建游戲程序，控制力量平衡和計(jì)算密度。與數(shù)字模擬和物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不同，浮動(dòng)誤差的絕對(duì)值為2.01%，數(shù)據(jù)誤差的絕對(duì)值為0.70%，這證實(shí)了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，通過(guò)模擬流動(dòng)性設(shè)備的信息，進(jìn)一步優(yōu)化了移動(dòng)機(jī)器的結(jié)構(gòu)，并解決了在高水平管道中金屬流動(dòng)的富流振動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：金屬管浮子流量計(jì)；水平式安裝；數(shù)值仿真；流量傳感器設(shè)計(jì)方法；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0080-02

0 前言

金屬管浮子流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的變截面流量計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壓力損失小且穩(wěn)定、可測(cè)低流速介質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量高溫、高壓及腐蝕性流體介質(zhì)，由其測(cè)量原理決定，它一般需豎直安裝.但是，在某些特定的工業(yè)應(yīng)用中，需要使用水平安裝浮子流量計(jì)，其測(cè)量原理雖與經(jīng)典的豎直型浮子流量計(jì)相同，但它卻是一種可以安裝于水平管道的特殊結(jié)構(gòu)的浮子流量計(jì)。一般對(duì)浮子流量計(jì)的經(jīng)典研究是根據(jù)伯努利方程進(jìn)行的，在推導(dǎo)浮子流量計(jì)流量測(cè)量公式時(shí)忽略了粘性應(yīng)力項(xiàng)，而該項(xiàng)的作用實(shí)際上是存在的；傳統(tǒng)流量計(jì)的設(shè)計(jì)要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和修正設(shè)計(jì)圖紙，這樣不僅延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期而且增加了設(shè)計(jì)成本。基于上述兩點(diǎn)原因，在設(shè)計(jì)水平式安裝浮子流量計(jì)時(shí)為了深入了解浮子流量傳感器的工作機(jī)理，引入了計(jì)算流體力學(xué)，即CFD技術(shù)，對(duì)傳感器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析來(lái)評(píng)價(jià)初樣設(shè)計(jì)，優(yōu)化流量傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使流量傳感器的設(shè)計(jì)更加精確，并提高了設(shè)計(jì)效率。

1 平面金屬管流量計(jì)原理

需要考慮水平的流量計(jì)、測(cè)量介質(zhì)-20℃，水質(zhì)要求直徑（項(xiàng)目）流量計(jì)口徑測(cè)量范圍從1到10m3/h，規(guī)模比10：1～0.9，物體50mm期間1.0流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值。如圖1所示，水平金屬管狀浮筒截面。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的創(chuàng)建

為了研究水平金屬管狀浮子的特性，當(dāng)它們到達(dá)通量極限時(shí)，創(chuàng)建了一個(gè)三維流場(chǎng)模型，圖2顯示。

這是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為控制臺(tái)設(shè)計(jì)的模型。Gambit是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)CFD的軟件，完全幾何修改。

2.2 模擬計(jì)算條件

使用種子模擬數(shù)據(jù)傳感器內(nèi)的動(dòng)力學(xué)。在一些領(lǐng)域，優(yōu)化計(jì)算速度、穩(wěn)定、密度等，有效地解決不同領(lǐng)域復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題。MHS文件是flant讀取的網(wǎng)絡(luò)文件。如表1所示，佛羅倫薩的適當(dāng)計(jì)算條件。流體介質(zhì)密度為998g/m3。在zk中，粘度為0.0003pa。比熱4182j/kg更熱。金屬管部分由不銹鋼組成，該不銹鋼定義了Cs21的原始常數(shù)k=0.04。進(jìn)入速度是平均的。

2.3 精確計(jì)算控制

計(jì)算精度由浮力平衡控制，由浮力平衡控制。fluent電壓分析提供了fy壓力和調(diào)頻粘度的凈力，以及遵循公式的兩股力量的聯(lián)合力量。

根據(jù)初始設(shè)計(jì)草圖可以計(jì)算出浮子的重力大小，浮子的受力平衡度為這里設(shè)定當(dāng)浮子受力平衡度<5%時(shí)，認(rèn)為浮子受力達(dá)到平衡，此時(shí)停止計(jì)算。

3 結(jié)果模擬和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果分析

通過(guò)改變通量系數(shù)，通過(guò)改變這些通量，通過(guò)調(diào)整進(jìn)出口條件，一些調(diào)節(jié)因素形成了力量平衡。一般數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)在0.9到1.0之間顯示5個(gè)數(shù)據(jù)，包括5組數(shù)據(jù)的邊界值。第5條數(shù)據(jù)分析是壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，旨在平衡浮子之間的關(guān)系。

3.1 分析壓力場(chǎng)

在收集、中子圖和壓力圖等壓力傳感器上的壓力場(chǎng)后，左右輕柱表示壓力從大到小，分析如下：

（1）壓力高于傳感器場(chǎng)以下的壓力。

（2）最大直徑，下游壓力最小。

（3）當(dāng)最大直徑為負(fù)時(shí)，電流中的壓力梯度會(huì)增加。

（4）內(nèi)置管的垂直基座壓力最大。

（5）最大浮力直徑上和下的壓力差異是保持浮力的主要力。當(dāng)波動(dòng)發(fā)生在更廣泛的流中時(shí)，壓力下方的不對(duì)稱(chēng)就會(huì)發(fā)生。

3.2 快速場(chǎng)分析

在迭代收斂之后，也有類(lèi)似厚的圖和速度場(chǎng)傳感器陣列。

（1）左邊的柱子顯示了它下降的速度。第一個(gè)是電流減慢的速度，第二個(gè)是由于電流的變化，特別是渦流，有效地減少了電流的面積，壓縮了液體和墻壁，增加了速度。

（2）外部直線在左下角的速度較慢，主要是因?yàn)檫M(jìn)入右下角的壓力較低，出口壓力較低，液體流向出口。

（3）對(duì)于最小的負(fù)切口，回路的速度差別很大。

3.3 仿真過(guò)程

該過(guò)程需要解釋的幾點(diǎn)如下所示：

（1）因每個(gè)模型入口流速的準(zhǔn)確值未知，是根據(jù)經(jīng)典流量公式計(jì)算的一個(gè)假設(shè)的流量，因此仿真最終結(jié)束的判斷依據(jù)為浮子受力平衡的程度，即通過(guò)檢查仿真結(jié)果，對(duì)浮子進(jìn)行受力分析，距離受力平衡點(diǎn)誤差小于10%時(shí)，認(rèn)為達(dá)到計(jì)算精度，仿真計(jì)算結(jié)束。當(dāng)誤差大于10%，首先考慮改進(jìn)該模型的網(wǎng)格精度，左側(cè)方案1；當(dāng)網(wǎng)格精度改進(jìn)到一定程度后誤差仍大于10%，可修正入口條件（主要指入口流速，其余條件可相應(yīng)計(jì)算調(diào)整），右側(cè)方案2，直到滿足計(jì)算精度。

（2）利用SIMPLE算法計(jì)算時(shí)，每次計(jì)算迭代次數(shù)為500次，當(dāng)不足500次SIMPLE算法就已經(jīng)達(dá)到收斂精度（10-4）時(shí)，程序自動(dòng)結(jié)束，此時(shí)可檢查計(jì)算結(jié)果；當(dāng)?shù)螖?shù)大于500次仍未收斂時(shí)，停止計(jì)算，此時(shí)需重新檢查網(wǎng)格狀況和邊界設(shè)定，進(jìn)行網(wǎng)格的合理剖分和邊界的合理設(shè)定。實(shí)踐證明，網(wǎng)格布置的恰當(dāng)與否會(huì)直接影響收斂速度和收斂結(jié)果，不合理的網(wǎng)格布置將導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散或者結(jié)果不正確。

3.4 物理實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

為了進(jìn)一步測(cè)試傳感器場(chǎng)模擬的結(jié)果，需要進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。根據(jù)藍(lán)圖設(shè)計(jì)模型，然后再加工，添加工具來(lái)顯示流程，并測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)表中，標(biāo)準(zhǔn)表選擇電子流量計(jì)（濃度為0.2）。

4 DN80水平式金屬管部分傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與仿制

從上述對(duì)dn50金屬管的一些三維壓力傳感器的分析可以看出，在物理實(shí)驗(yàn)中，如果有大量的流量，浮游生物流量計(jì)的波動(dòng)也是由傳感器流的變形引起的。在這種量規(guī)下，懸式流量計(jì)的振動(dòng)不那么明顯，流量計(jì)工作正常。但是浮流的振動(dòng)在很大程度上已經(jīng)成為一個(gè)問(wèn)題，尤其是在dn80和更高的流量計(jì)上。

浮向右側(cè)的分量速度特別大，是前流場(chǎng)引起的原因，還有流場(chǎng)的因素后由于右側(cè)傳感器的輸出，使流體傾向于向右側(cè)流動(dòng)。此外，由于直管浮子前的構(gòu)件具有直角彎曲，容易產(chǎn)生二次流，也對(duì)浮子構(gòu)件的受力有很大影響。因此，要降低振動(dòng)，根本的解決辦法是改變傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化流場(chǎng)，使浮子周?chē)膽?yīng)力降至最低。基于以上分析，針對(duì)水平管浮子流量傳感器結(jié)構(gòu)下提出了幾種優(yōu)化方案：

（l）增加整流器，消除或減少渦流的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)流速分布；

（2）將前流場(chǎng)的直管連接改為彎管連接，減少渦流的產(chǎn)生和光滑流體的流動(dòng)，使傳感器具有相對(duì)穩(wěn)定的前流場(chǎng)；

（3）將垂直直管截面延伸到錐管前面，這也使流體流經(jīng)整流器后經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的適中截面，使流場(chǎng)接近充分發(fā)育的速度分布。

5 大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改善后的模擬記錄

正如對(duì)上述壓力場(chǎng)的分析所顯示的那樣，氣流不平衡正在縮小，物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了由感應(yīng)器流變化引起的巨大波動(dòng)流量計(jì)。此外，在類(lèi)的直接能見(jiàn)度范圍內(nèi)，翹曲角也存在，這可能導(dǎo)致第二個(gè)氣流的產(chǎn)生，并對(duì)浮游類(lèi)的敏感性產(chǎn)生重大影響。因此，降低振動(dòng)的主要方法是改變傳感器結(jié)構(gòu)系數(shù)，優(yōu)化流動(dòng)性，最大化浮力和力的區(qū)別。

在結(jié)構(gòu)性改善之后，流動(dòng)性壓力的分布和浮力流動(dòng)的平衡得到了改善。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)分布的速度相對(duì)均勻，特別是在部件周?chē)鷽](méi)有高速，在整流器中使用的整流器使某些商品的電流更加困難。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)證明，這幾個(gè)優(yōu)化程序可以有效地縮小它們之間的差距，并穩(wěn)定它們。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析上述數(shù)據(jù)，浮游生物引導(dǎo)者可以對(duì)41毫米高的熱場(chǎng)進(jìn)行三維模擬，并獲得設(shè)計(jì)所需的氣流上限。這個(gè)位置的絕對(duì)誤差為2.01%，在傳感器的物理實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)數(shù)據(jù)刻度和湍流模擬數(shù)據(jù)的模擬值與測(cè)量值不同，而模擬誤差的絕對(duì)值為0.7%。因此，浮力的平衡也確定了誤差方法模擬計(jì)算的精度，從而產(chǎn)生了相對(duì)完美的效果。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，這種設(shè)計(jì)不僅能進(jìn)一步理解部分分流量子測(cè)量的原理和原理，還能優(yōu)化容量傳感器的設(shè)計(jì)，大大提高通量探測(cè)的敏感度和精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇海松，梁軍，崔軍，周許.江蘇省中小河流流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案分析[J].江蘇科技信息，2015（13）：65-67.

[2] 唐國(guó)成，王加?xùn)|.烘干機(jī)托輪竄動(dòng)的解決措施[J].水泥工程，2010（02）：70.