浮子流量计流动特性的非稳态数值研究

　　1　引　言

　　浮子流量计因其具有结构简单、压力损失小、工作特性稳定,并可测量低流速介质等诸多优点,一直被广泛用于气体、液体的流量测量和自动控制系统中。它在国内流量计市场的产品覆盖率高达21%,仅次于差压式流量计[1]。为了降低能耗,提高生产效率与安全性,工业界对流量计的准确度和测量范围的要求越来越高,国内外的学者和工程师为提高流量计的精度与性能已做了大量工作[2]。然而,传统的设计方法主要依靠反复实验与经验修正,对产品的每一次改型都需要相当多的实验数据,从而投入高,周期长。这也给开发新产品带来较大困难。计算流体动力学(CFD)方法以其强大的数值模拟功能为解决这一问题提供了新途径。通过数值模拟不但能取得产品设计所需的流动特性参数,而且还可以掌握流场内部的详细情况,如压力、速度分布及流动分离等。与实验方法相比, CFD数值模拟具有成本低、周期短、提供信息充分等优势。CFD方法及其应用软件早已在飞机、汽轮机等高技术产品的设计中广泛应用,说明其模拟的精确度与可靠性完全能满足工程设计的要求。

　　1992年,德国学者Buckle、Durst等首次将CFD引入玻璃管浮子流量计研究中,并采用先进的激光多普勒测速技术进行实验测试,结果表明两者具有较好的一致性[3,4]。2004年,天津大学的徐英、刘正先等也应用CFD对浮子流量计进行了数值研究[5]。但是,他们都只是通过定常(稳态)数值计算来得到浮子处于某一高度时的流场特性,而没有通过给定流量来找到对应的浮子高度。

　　本文借助CFD应用软件FLUENT对金属管浮子流量计进行了非定常数值模拟计算。其关键是运用动网格技术并结合自行编制的UDF(用户自定义函数)文件来模拟浮子的动平衡过程。数值模拟真实地再现浮子在各个流量下由初始位置启动直至最终平衡的整个动态过程,并显示出各种状态下流量计内部的速度、压力和旋涡分布情况。计算与实验结果符合良好。

　　2浮子流量计的工作原理

　　浮子流量计的结构如图1所示,其主要部分是一个自下向上扩大的垂直锥形管(图上最小截面以上管段)和一个沿其轴自由移动的浮子组成。流量计本体用两端法兰、螺纹或软管与测量管道连接,并且垂直安装在测量管道上。流体自下而上流入锥管,给浮子以推力,浮子在多个力作用下趋于动平衡,平衡位置与流量相对应[6]。浮子在运动过程中受到4个力的作用:压差力Fpx、重力G、浮力Fb及表面摩擦力Fv,如图2所示。由于浮子流量计关于中心轴旋转对称,计算中只需考虑x轴(锥管轴)方向的各力情况,x轴方向的合力为Ftotal=Fpx+Fb+Fv+G。浮子运动是一个上下来回的移动,阻尼衰减,直至静止的动平衡过程。图3是浮子从初始状态开始的动平衡过程示意图。