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丈量低粘度流体介质金属管浮子流量计的仿真研讨

宣布日期:2016-11-10  来历:  作者:  阅读次数:
【导读】:为深切研讨金属管浮子流量计的任务机理,笔者操纵计较流膂力学体例对金属管浮子流量计停止数值仿真,经由过程机关仿真模子为研讨金属管浮子流量计的机理成立数值尝试平台,优化传感器的布局;同时为金属管浮子流量计供给了低本钱、短周期的设想体例......

 

        金属管浮子流量计是一种传统的变截面流量计,具备布局简略、任务靠得住、压力丧失小且不变、可测低速流体介质等诸多长处,普遍操纵于丈量低温、高压及侵蚀性流体介质。今朝,金属管浮子流量计设想接纳典范浮子流量公式计较,此中流量系数α遭到浮子外形和来流雷诺数等多种身分的影响,须要尝试标定来肯定。该设想体例需停止大批的尝试,用度高贵,周期很长,且获得的数据无限。为深切研讨金属管浮子流量计的任务机理,笔者操纵计较流膂力学体例对金属管浮子流量计停止数值仿真,经由过程机关仿真模子为研讨金属管浮子流量计的机理成立数值尝试平台,优化传感器的布局;同时为金属管浮子流量计供给了低本钱、短周期的设想体例。
     1 根基道理
      1.1 金属管浮子流量计的任务道理
金属管浮子流量计任务道理表现 
      图1为金属管浮子流量计的任务道理表现。在垂直的锥形管中,安排一阻力件,即浮子。当流体自下而上穿过锥管时,遭到浮子迎流体积反对而产生一个压差,从而对浮子构成向上的作使劲,同时因为流体自身的黏性,对浮子产生黏性力,当这两个力的协力大于浮子自身的重力时,浮子就会向回升,同时浮子与锥形管问的环形畅通面积增大,流速减低,此时浮子对流体阻力感化减小.当浮子遭到的力到达均衡时,浮子就会逗留在某一高度。传统的金属管浮子流量计设想接纳典范浮子流量公式计较,即
                20171110161718.jpg   
      式中:qv为浮子流量计的体积流量;α为流量系数;D0为浮子很是大迎流面的直径;h为浮子在锥管中的垂直地位;φ为锥形管夹角;Vf为浮子体积;ρf为浮子资料密度;ρ为流体密度;Af为浮子垂直于流向的很是大截面面积。
      1.2 计较流膂力学及其节制方程
      计较流膂力学(computational fluid dynamics,CFD)是一门操纵计较机求解描写流体活动纪律的节制方程组手艺,触及到流膂力学、计较体例和计较机图形处置等手艺。为了简洁,以不可紧缩湍流活动为例写出笔者操纵的k-ε模子通用情势的流体节制方程。在直角坐标系中,活动可由持续性方程和雷诺时均N-S方程描写,即
      持续方程
 
      雷诺方程
     20171110161552.jpg              
      式中:ui为均匀速率;P为均匀压力;ν和νt别离为份子黏性系数和涡黏性系数。
      对高数湍流,涡黏性系数的计较公式为
      νT=Cμk2/ ε                                               (4)
  

20171110161750.jpg

 
      k和ε由各自的输运方程获得,对高Re数题目有K方程
         324234.jpg
      ε方程
               20171110161828.jpg
      式中:Gk为湍动能产生项
      
      Dÿ为均匀应变率张量。
      笔者的仿真模子成立在已有仿真尝试的根本上,并针对以往模子中存在的进口速率剖面为等值面这一不公道设置,给出公道的圆管进口速率剖面;同时按照现实流量计的机关,在流量计的进口与出口处插手导流架,从而进步了仿真成果的精确性。
      2 模子成立和数值计较
      针对25mm口径(DN25)浮子流量计外部机器布局停止流场计较和阐发,金属管浮子流量计布局剖面如图2(a)所示,金属管浮子流量计接纳1Cr18Ni9Ti材质。流量计设想流量规模为0.4~4.0 m3,量程比为10:1,为了检测锥管中浮子的地位,在浮子中装置有yongjiu磁铁,同时操纵网格天生器成立了浮子流量计外部布局仿真模子,如图2(b)所示,尝试所用的低黏度流体介质是在常温下密度为998.0 kg/m3、黏度为0.001002 kg/m.s)的水。金属管浮子流量计外部流场是高雷诺数完整成长湍流活动,故接纳湍流形式现实中规范一模子来计较。
金属管浮子流量计的剖面和外部布局仿真模子 
      2.1 进口速率剖面设定
      进口速率由经历性滑腻圆管湍流速率散布指数公式表现,即
 
      式中:ur为进口截面半径为r处的速率;R为圆管进口处半径;m为常数,由雷诺数的巨细决议,见表1;umax为圆管进口中间处的很是大速率。
 
      式中:q为进口流量;A为金属管进口的计较面积,对本研讨,A=2πR2m2/[(2m+1)(m+1)]。
表1 常数m与雷诺数的干系 

Re
m
4.0×103
6.0
2.3×104
6.6
1.1×105
7.0
1.1×106
8.8
2.0×106
10.0
3.2×106
10.0

      为使构建模子能知足差别口径金属管浮子流量计的仿真成果,引入流量批改因子Cq,经由过程批改进口流量来顺应多种口径金属管浮子流量的仿真模子。
      流量的批改公式以下:
      qc=Cqq                               (9)
      式中:q为现实流量;qc为批改流量;Cq为流量批改因子,对25mm口径的金属管浮子流量计,Cq=1.13。
      按照式(8)~式(11)编写速率散布函数。图3是q=4.8 m3/h时金属管浮子流量计进口速率剖面的仿真。图中色标色彩由冷色彩到暖色彩表现速率由小到大,从图中可以或许清晰地看到从边壁到中间的速率是由小到大的非线性散布。
 进口速率剖面仿真伪色图
      2.2 其余边境前提的设定
      1)流量计壁面前提的设置
      因为浮子流量计内外表接纳不锈钢资料,按照壁面特点设定:粗拙高度Ks=0.04;粗拙常数Cs=1。
      2)出进口的湍流参数
      湍动能
 
      耗散率
 
      式中:uav为进口均匀速率;Cμ为常数;L为金属管浮子流量计外部特点标准。
      3 仿真成果及阐发
      图4给出了差别进口流量下,仿真计较获得的金属管浮子流量计外部截面上的速率伪色图。可以或许清晰地看到金属管浮子流量计中流体在浮子四周和出进口的速率散布。跟着流量的增添,浮子在管中的地位升,浮子与管道之间环隙变大,流体在管中的速率散布也随之产生较着变更。经由过程察看伪色图中的速率散布,并按照流膂力学根基道理,可以或许开端判定出计较所得成果是公道的。
           
      按照物理尝试成果,仿真计较了浮子在锥管中某一高度处流体对它外表的压力、黏性力和浮子重力Gf 3项的协力,仿真成果中浮子所受协力成果见表2,协力向上为正标的目的。
表2 浮子所受协力Ff的仿真数据和数值计较与物理尝试所得流量的比拟 

浮子高度h/mm
计较协力Ff/N
尝试流量qp/(m3·h-1)
计较流量qs/(m3·h-1)
满度偏差δs/%
4.86
0.1986
0.4
0.3853
-0.3660
9.36
0.3955
O.8
0.7746
-0.6342
14.41
-0.0790
1.2
1.2298
0.7447
19.28
-0.2751
1.6
1.7246
3.1159
23.97
-0.4258
2.0
2.2188
5.4695
28.65
-O.3175
2.4
2.5670
4.1739
32.77
-0.354 7
2.8
3.0029
5.0727
36.89
0.3755
3.2
3.3898
4.7447
40.44
-0.3435
3.6
3.8056
5.1409
44.00
-0.2853
4.0
4.2134
5.3355
47.19
-O.O518
4.4
4.4605
1.5125
50.00
0.329 2
4.8
4.6147
-4.6317

      由表2可知计较所得浮子在各地位的协力靠近于零,趋于均衡,为考证仿真模子所能到达的仿真精度,按照浮子只要在所受协力为零时能力均衡,又计较了浮子在各个高度坚持均衡,即协力为零时,所对应的进口流量。表2还列出了数值计较与物理尝试所得流量的比拟,并计较出仿真尝试的满度偏差占,即
 
      式中:qs为数值摹拟流量,m3/h;qp为物理尝试流量。
      由表2可知,数值计较与物理尝试所得流量的很是大满度偏差为5.4695%,均匀满度偏差为2.4731%。操纵本模子对50mm、80mm口径金属管浮子流量计仿真数据与物理尝试数据的比拟成果也相称靠近。标明笔者构建的模子获得使人对劲的成果。
      4 结语
      经由过程计较流膂力学体例对金属管浮子流量计停止仿真,并对流场停止了定量阐发,计较出浮子在金属管中差别垂直地位的受力巨细及受力均衡时所对应流量。仿真尝试成果与物理尝试数据比拟,很是大满度偏差为5.4695%,均匀偏差为2.4731%,标明笔者构建的金属管浮子流量计数值模子可以或许知足低黏度介质金属管浮子流量计设想请求,为金属管浮子流量计传感器布局进一步优化供给了靠得住的数值仿真平台。
 

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