環(huán)錐型通心浮子流量計研究

許現(xiàn)本 董 群 焦岢迪 魯 微 肖 輝

(東北石油大學(xué)，大慶 163318)

0 引言

浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小、工作特性穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、價格便宜、廣泛應(yīng)用于中小管徑、雷諾系數(shù)較低的中小流量測量[1]。然而，隨著工業(yè)界對流量計的準(zhǔn)確度等級和測量范圍的要求越來越高，浮子流量計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，對傳統(tǒng)流量計進(jìn)行改進(jìn)，增加浮子流量計的量程，降低生產(chǎn)成本，成為浮子流量計研究的熱點(diǎn)。

目前，增大浮子流量計量程的方法包括：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的基礎(chǔ)上，將實(shí)心轉(zhuǎn)子進(jìn)行開孔，設(shè)計出一種新型結(jié)構(gòu)的環(huán)錐形浮子流量計。目前，國內(nèi)未見相關(guān)報道。

1 工作原理及流量計算公式

環(huán)錐形玻璃管浮子流量計的流量檢測元件結(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，此時作用在浮子上的力有4個：壓差力、浮力、重力及黏性應(yīng)力(黏性流體對浮子壁面產(chǎn)生黏性摩擦力) ，4力平衡時，浮子將平穩(wěn)地浮在錐管內(nèi)的某一位置，即對應(yīng)某一確定流量[4-6]。

通過伯努利方程進(jìn)行能量衡算，并在計算中忽略流動的能量損失，以流量系數(shù)a對其進(jìn)行校正，新型浮子流量計的流量方程為[7]:

圖1 環(huán)錐形浮子流量計結(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。

2 通心浮子流量計設(shè)計

為研究不同開孔徑與流量關(guān)系，設(shè)計了不同的開孔半徑，如圖2所示。

圖2 不同開孔徑的通心浮子

3 CFD仿真計算

3.1 網(wǎng)格劃分

采用ansys workbench進(jìn)行CFD仿真計算，應(yīng)用solidworks建立環(huán)錐型玻璃管通心浮子流量計流體域模型,浮子形狀設(shè)計如圖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。

3.2 計算條件

采用湍流模型進(jìn)行計算，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]。

3.3 仿真數(shù)據(jù)

通心浮子流量計中通心浮子受到的升力FS等于重力時，inlet的流量為浮子在該刻度的流量。Fluent開始計算后監(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)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證通心浮子流量計能增大流量和數(shù)值模擬的計算結(jié)果，本研究選取了規(guī)格為40L/h的浮子流量計(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，如圖4所示。對通心浮子流量計進(jìn)行流量測量。分別對圖2中不同的開孔半徑浮子取位置為65mm處進(jìn)行測量，每次重復(fù)測量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

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真對比分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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)果對比分析

5.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真可以看出通心浮子流量計能增大流量，由于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，湍流模型的計算精度都有一定的誤差，仿真計算流量與實(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。

5.3 速度場分布圖分析

圖7所示流場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，每個顏色各自對應(yīng)Iso-surface圖中的速度矢量。

由圖可知：速度分布為軸對稱分布，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圖

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.4 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)采用的流場為真實(shí)流場，流量測量具有更高的精度，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。

6 結(jié)論

1)通過計算機(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能增大流量計量程；

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流場圖發(fā)現(xiàn)開孔直徑越大開孔通道的流量越大，當(dāng)流量過大時影響浮子的穩(wěn)定性和精度；

4)環(huán)錐形通心浮子流量計改進(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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