水平式安装金属管浮子流量计的仿真与实验研究

　　1　引　言

　　金属管式浮子流量计是一种传统的差压式流量计,为了适应部分管道的特殊要求,本文设计研究的浮子流量计是左进右出型的,其测量原理与经典的竖直型浮子流量计相同,但它是一种可以安装于水平管道的特殊结构的浮子流量计。

　　一般对浮子流量计的经典研究是根据伯努利方程进行的[1],在推导浮子流量计流量测量公式时忽略了粘性应力项,而该项的作用实际上是存在的;传统流量计的设计要通过实验来检验和修正设计图纸,这样不仅延长了设计周期而且增加了设计成本。

　　基于上述两点原因,在设计水平式安装浮子流量计时为了深入了解浮子流量传感器的工作机理,引入了计算流体力学,即CFD[2]技术,对传感器流场进行数值模拟,通过对仿真及实验结果进行分析来评价初样设计,优化流量传感器的结构参数,使流量传感器的设计更加精确,并提高了设计效率。

        2　水平式安装金属管浮子流量计的原理

　　2.1　检测原理(图1)

　　子位置;———锥形管锥半角;Vf———浮子体积;

　　ρf———浮子材料密度;ρ———流体密度;Af———浮

　　子垂直于流向的最大截面积;D0———浮子最大迎流

　　面的直径;Dh———浮子平衡在h高度时锥形管的直

　　径;df———浮子最大直径。

　　2.2　模型建立及其设计要求

　　浮子流量计传统的设计方法是建立在式(1)的基础之上,在该方程中流量系数α是一个受很多因素影响的变量。对于本文所研究的水平式安装浮子流量计,测量介质为20℃的水,设计要求流量测量范围1~10m3/h,量程比为10∶1,行程50mm,其流量系数α的经验值为0.9~1.0。浮子位于41mm高处的传感器三维流场模型如图2所示。

　　2.3　计算精度的控制

　　利用浮子组件受力平衡来控制计算精度。在FLUNT的受力分析报告中会提供指定壁面所受到的净压力Fy↑和粘性摩擦力Fm↑以及这两个力的合力Ff↑。这三个力遵循下面的公式:

　　3　数值仿真

　　3.1　网格划分及边界设定

　　针对传感器的流场模型,选择三角形/四面体网格来进行网格划分。如图3所示为水平式浮子流量计浮子位于41mm高时的轴向网格剖分图。

　　在进行边界的设定过程中设定速度入口、压力出口,并将导杆壁面设定为float.wall1,浮子壁面设定为float.wall2,除浮子组件和导向环外的空间设定为fluid。