浮子流量计三维湍流流场的数值研究

　　目前,对浮子流量计工作机理的经典研究主要是依据伯努利方程进行的[1],因此,无法获得浮子所受黏性应力的准确值,更无法了解内流场三维流动信息.1992年,德国学者Bueckle和Durst首次将计算流体力(CFD)引入浮子流量计研究之中[2,3],并采用了先进的激光多普勒测速技术(LDA)进行实验测试,结果表明两者具有较好的一致性.然而,他们的研究是以几何长度较大的玻璃管式浮子流量计为模型进行的,且计算流场为层流,并未涉及对工业现场中普遍存在的湍流研究.

　　为深入了解浮子流量计的工作机理,文中将湍流模式理论与CFD相结合对三维湍流流场进行数值研究.本文的研究也为深入探索其他流量计的工作机理奠定基础.

　　1　浮子流量计工作原理

　　1.1　计量原理

　　浮子流量计原理结构示意如图1所示,由一个锥形管和置于锥形管中可以上下自由移动的浮子构成.流量计由两端法兰、螺纹或软管与测量管道连接,并且垂直安装在测量管道上,浮子重心与锥管轴重合,流体自下而上流入锥管,被浮子截流,此时作用在浮子上的力有4个:压差力(动压Fp=Afζρv2/2,Af浮子垂直于流向的最大截面积(m2))、浮力、重力及黏性应力Fv(黏性流体对浮子壁面产生黏性摩擦力),4力平衡时,浮子将平稳地浮在锥管内的某一位置,即对应某一确定流量.经典分析中忽略了对黏性应力的计算,只简单地将其影响归并入流量系数的修正之中,从而引起较大误差,目前常用的流量方程为[1]

　　式中:Φ为半锥角度;h为浮子最大直径D0与锥管始端相对位置(mm); Vf为浮子体积(m3);ρf为浮子材料密度(kg/m3);ρ为流体密度(kg/m3);g为当地重力加速度;α为与浮子形状和流体黏度有关的修正系数.

　　1.2　模型与流动状态

　　对25 mm口径浮子流量计流动状态进行分析,建立浮子分别位于锥管中10~60 mm处的计算模型,如图2所示,图3为浮子壁面定义.z轴正向为流动方向,流体由入口截面自下而上流入锥管中,由出口截面流出.图2中导向杆外壁面、全体连通的锥管内壁和图3中浮子各个受力面(由下而上依次为浮子的8个壁面)均为固体壁面.另外,锥管内除浮子及导向杆的空间均连通,且定义为流体属性.

　　该流量计的流量系数α的经验值为0.85~0.95,被测介质为20℃水,由文献[5]可知,要分析的流场为湍流.

　　根据压力场求得浮子所受净压力FF,方向垂直于浮子的各个表面(图3),其z方向投影之和为

　　式中:PN为浮子受力压强(Pa),N=1~8;SN为浮子受力表面;θN为垂直于浮子表面的净压力FF与轴向夹角(°);FFZ为压差力Fp与浮力Fb之和,有FFZ= Fp+Fb.