許現(xiàn)本 董 群 焦岢迪 魯 微 肖 輝
(東北石油大學(xué),大慶 163318)
浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小、工作特性穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、價(jià)格便宜、廣泛應(yīng)用于中小管徑、雷諾系數(shù)較低的中小流量測(cè)量[1]。然而,隨著工業(yè)界對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)和測(cè)量范圍的要求越來越高,浮子流量計(jì)的流程局限性逐漸顯現(xiàn)并制約著它的應(yīng)用[2]。因此如何在不增加能耗的基礎(chǔ)上,對(duì)傳統(tǒng)流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn),增加浮子流量計(jì)的量程,降低生產(chǎn)成本,成為浮子流量計(jì)研究的熱點(diǎn)。
目前,增大浮子流量計(jì)量程的方法包括:增加轉(zhuǎn)子質(zhì)量、采用高密度材料作為轉(zhuǎn)子、加大流通截面等方法[1-3]。這些方法雖然擴(kuò)大了量程,卻也增加了生產(chǎn)成本。研究在原有浮子流量計(jì)的基礎(chǔ)上,將實(shí)心轉(zhuǎn)子進(jìn)行開孔,設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的環(huán)錐形浮子流量計(jì)。目前,國內(nèi)未見相關(guān)報(bào)道。
環(huán)錐形玻璃管浮子流量計(jì)的流量檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。流體自左而右流入錐管,被浮子截流,此時(shí)作用在浮子上的力有4個(gè):壓差力、浮力、重力及黏性應(yīng)力(黏性流體對(duì)浮子壁面產(chǎn)生黏性摩擦力) ,4力平衡時(shí),浮子將平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)的某一位置,即對(duì)應(yīng)某一確定流量[4-6]。
通過伯努利方程進(jìn)行能量衡算,并在計(jì)算中忽略流動(dòng)的能量損失,以流量系數(shù)a對(duì)其進(jìn)行校正,新型浮子流量計(jì)的流量方程為[7]:
圖1 環(huán)錐形浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
式中:a為儀表的流量系數(shù),通過實(shí)驗(yàn)所得;S為開孔面積;m2;A為流通環(huán)形面積與開孔面積之和,m2;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?,m/s2;Vf為浮子體積,如有延伸體亦應(yīng)包括,m3;ρf為浮子材料密度,kg/m3;ρ為被測(cè)流體密度,如為氣體是在浮子上游橫截面上的密度,kg/m3;Af為浮子工作直徑(最大直徑)處的橫截面積,m2,Δh為浮子的高度,m。流通環(huán)形面積與開孔面積之和A的計(jì)算公式為:
A=p (dhtanθ+h2tan2θ)+S
式中:d為浮子最大直徑(即工作直徑),m;h為浮子從錐管內(nèi)徑等于浮子最大直徑處上升高度,m;θ為錐管的圓錐角。
為研究不同開孔徑與流量關(guān)系,設(shè)計(jì)了不同的開孔半徑,如圖2所示。
圖2 不同開孔徑的通心浮子
采用ansys workbench進(jìn)行CFD仿真計(jì)算,應(yīng)用solidworks建立環(huán)錐型玻璃管通心浮子流量計(jì)流體域模型,浮子形狀設(shè)計(jì)如圖2所示。利用workbench中mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用四面體網(wǎng)格,使用inflation功能對(duì)邊界層進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了控制網(wǎng)格精度,控制網(wǎng)格質(zhì)量Skewness最大要小于0.9。
采用湍流模型進(jìn)行計(jì)算,簡單又具有較高的精度,采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),根據(jù)有限體積法對(duì)方程進(jìn)行差分離散。流體介質(zhì)為10℃的水,密度為999.7kg/m3,黏度為1.307×10-3Pa·s。inlet邊界條件為velocity;outlet邊界條件為pressure。壁面的邊界條件為默認(rèn)值。求解控制參數(shù)中,離散格式選擇基于壓力-速度耦合SIMPLE算法,壓力方程使用一階標(biāo)準(zhǔn)格式,其他方程使用二階迎風(fēng)格式,松弛因子為默認(rèn)0.25[8]。
通心浮子流量計(jì)中通心浮子受到的升力FS等于重力時(shí),inlet的流量為浮子在該刻度的流量。Fluent開始計(jì)算后監(jiān)視殘差和升力系數(shù)Cl。當(dāng)殘差收斂到10-4且Cl在迭代中平穩(wěn)不變化,可判斷計(jì)算結(jié)束。使用“浮子受力平衡誤度差分析法”逐步調(diào)整流量,控制精度。將誤差控制為|Ef|≤10%,得到仿真流量Q(如圖3所示)。
為了驗(yàn)證通心浮子流量計(jì)能增大流量和數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果,本研究選取了規(guī)格為40L/h的浮子流量計(jì)(浮子為鋁材質(zhì))并制作了紫銅浮子和采用以下的實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì),如圖4所示。對(duì)通心浮子流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量。分別對(duì)圖2中不同的開孔半徑浮子取位置為65mm處進(jìn)行測(cè)量,每次重復(fù)測(cè)量3次取平均值[6]。
圖3 仿真流量圖
圖4 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果流量圖
圖6 仿真誤差分析與結(jié)果對(duì)比分析
通過仿真可以看出通心浮子流量計(jì)能增大流量,由于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量,湍流模型的計(jì)算精度都有一定的誤差,仿真計(jì)算流量與實(shí)驗(yàn)流量誤差σf=(Q實(shí)驗(yàn)-Q仿真)/Q實(shí)驗(yàn)×100%和升力與重力誤差|Ef|,如圖6所示。
圖7所示流場(chǎng)圖為迭代收斂后的局部速度分布圖,視圖為三維模型創(chuàng)建x=0的 Iso-surface圖,單位為m/s。途中彩色柱體表示速度由上往下遞減,每個(gè)顏色各自對(duì)應(yīng)Iso-surface圖中的速度矢量。
由圖可知:速度分布為軸對(duì)稱分布,從實(shí)心到開孔孔徑不斷增大,流體速度由環(huán)隙流通面積最小處最大過渡到孔中流速最大,符合圓管中流體速度從壁面向中心遞增理論分析。
圖7 流體域模型和浮子流場(chǎng)圖
圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明通心浮子流量計(jì)能增大流量并證實(shí)了仿真數(shù)據(jù)的精度。由于實(shí)驗(yàn)采用的流場(chǎng)為真實(shí)流場(chǎng),流量測(cè)量具有更高的精度,所以采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究開孔比a(開孔面積/最大截面積)與開孔后流量與未開孔流量比值θ的關(guān)系。圖8為比值β與開孔比a的關(guān)系。擬合方程為β=3.04178a2+0.06974a+0.99124,殘差平方和為0.00844,相關(guān)性為0.88992。
1)通過計(jì)算機(jī)仿真和流量實(shí)驗(yàn),可以得到環(huán)錐形通心浮子流量計(jì)能增大流量計(jì)量程;
2)確定開孔比與開孔后流量和未開孔流量比值成β=3.04178a2+0.06974a+0.99124關(guān)系;
3)通過分析通心浮子流量計(jì)流場(chǎng)圖發(fā)現(xiàn)開孔直徑越大開孔通道的流量越大,當(dāng)流量過大時(shí)影響浮子的穩(wěn)定性和精度;
4)環(huán)錐形通心浮子流量計(jì)改進(jìn)方法簡單易行,經(jīng)濟(jì)便宜并能達(dá)到增大量程的目的,可為一種理想的改進(jìn)方法。
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