基于CFD的双锥形孔板浮子流量计的优化

　　浮子流量计结构简单、刻度直观、使用维护方便、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，然而，流量和浮子位置间为非线性关系[1-3].近年广泛应用的孔板浮子流量计浮子上有一个锥台，为单锥形结构，优点是结构简单、加工方便，但与传统的锥管浮子流量计相比，线性度较差、压力损失较大，尤其是大口径单锥形孔板浮子流量计，这些问题尤为明显，须寻求有效的方法来解决.

　　选取某公司生产的 100,mm 口径(简称 DN,100)的孔板浮子流量计为研究对象，利用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)方法对加装 4 种不同形状浮子的孔板浮子流量计进行数值计算，结果表明，双锥形结构线性度好、压力损失小.为了确定双锥形结构的最优参数，笔者利用 CFD 方法对其流场进行数值计算，并根据优化结果加工样机进行实流实验，得到可参比的实验数据.

　　1 孔板浮子流量计工作原理

　　金属管浮子流量计如图 1(a)所示，检测元件由一锥管和沿锥管中心轴上下移动的浮子组成，通常称为锥管浮子流量计.另外一种浮子流量计的结构如图 1(b)所示，在一直管中嵌有一孔板，锥形浮子在其中上下移动，通常称为孔板浮子流量计，即单锥形孔板浮子流量计.将锥管浮子流量计锥管的内锥角 φ改为浮子的外锥角，便于机械加工.为了使浮子在孔板中上下移动时不致碰到壁面，如图 1(b)所示，在浮子上、下表面分别加装导向杆，加强浮子工作的稳定性.体积流量 qV计算公式[1]为

　　当锥角 φ 很小时，Dfhtan φ，可将 h2tan2φ 一项忽略不计.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 h2tan2,φ 一项不能忽略不计，故 h-qV为非线性关系.

　　浮子内嵌磁钢，与管体外一端嵌有小磁钢的机械连杆机构形成内外磁钢磁路耦合.流量变化时，内磁钢随浮子上下移动，引起外磁钢的位移，连杆随之转动一定角度，从而将浮子的直线位移 h 转换为传感器的角位移 θ，指示出流量值，从而导致 θ-qV为非线性关系.

　　2 双锥形浮子设计

　　2.1 问题分析

　　图 1(b)中浮子由 2 个圆柱体与 1 个位于 2 个圆柱体中间角度为 φ 的锥台组成，称为单锥形浮子(记为 Sgl 形浮子)，加装 Sgl 形浮子的流量计称为单锥形孔板浮子流量计.某公司生产的 DN100 单锥形孔板浮子流量计浮子高度 h和流量 Q关系如图 2 所示.