基于CFD的大口径锥管浮子流量计结构设计

　　浮子流量计结构简单、压力损失小、工作特性稳定、应用面广，特别是金属管浮子流量计，工作可靠，是过程控制领域重要的流量仪表之一.目前，为了降低能耗、提高效益，工业界对流量计的精度等级和测量范围的要求越来越高.然而，对于产品的改型，传统上主要是以伯努利方程为依据，依靠生产者的经验以及反复实验进行，成本高、周期长，给新产品开发带来较大困难.计算流体动力学(computational fluiddynamics，CFD)为解决这一问题提供了新途径.与实验方法相比，CFD 方法不但能设计出产品的结构参数，而且还可以掌握流场内部压力、速度分布以及流动分离等多方面的数据，具有成本低、周期短、提供信息详实等优势.CFD 方法及其应用软件 FLUENT 早已在飞机、汽轮机等高技术产品的设计中广泛应　用.1992 年，德国学者 Bueckle 等[1-2]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.

　　浮子流量计的应用目前还局限于中小管径、中小流量，口径 150,mm 以上、长度 250,mm 的短管型金属管浮子流量计尚不多见.笔者利用CFD方法对浮子流量计的三维湍流流场进行数值模拟，设计出了大口径、大流量的金属锥管浮子流量计，并可靠运行于工业现场.

　　1 浮子流量计工作原理

　　如图 1 所示，浮子流量计的检测元件由锥管和沿锥管中心轴上下移动的浮子组成.为了使浮子在锥管中移动时不致碰到管壁，在浮子中心上、下表面分别加装导向杆，保持浮子工作稳定.被测流体自下而上流过浮子流量计时，浮子受到差压力 F1、浮力 F2和重力 W 的作用，如图 2 所示，其中 F1和 F2构成浮子所受的升力F.若F 大于W，浮子便上升.浮子上升时，浮子和锥管间的环形面积随之增大，则环形处流体流速下降，浮子上下截面压差降低，作用于浮子上的升力 F 随之减少.当 F 等于 W 时，浮子便稳定在某一高度 h，由 h 即可测得体积流量 qv，其计算公式为

　　当锥角φ 很小时，Dfhtanφ，可将 h2tan2φ一项忽略不计，这样体积流量 qv与浮子高度 h 之间成为一一对应的近似线性关系[3-4].早期的金属管浮子流量计各口径长度不一，口径越大，长度也越大.现在，各口径的金属管浮子流量计大都统一制造成 250,mm长度的短管型流量计.在进行大流量测量时，由于锥管的长度不变，为达到必要的环通面积，势必要增加φ值，从而导致 h2tan2φ一项不能忽略不计，故 qv与 h 之间为非线性关系.一般情况下，线性度随口径的增大而变差.

　　另一种浮子流量计结构如图 3 所示，通常称为孔板浮子流量计，在一直管中嵌有一孔板，锥形浮子在其中上下移动，锥管的内锥改为浮子的外锥，便于机械加工.其工作原理与前述锥管浮子流量计类似.