基于CFD的傳感器體積對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響

摘要：針對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的精確測(cè)量，使用CFD數(shù)值模擬軟件，以DN20口徑的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)作為研究對(duì)象，得到了類似于鈍體渦街旋渦脫落的現(xiàn)象，并對(duì)仿真的可行性進(jìn)行了深入分析，驗(yàn)證了仿真工作的可靠性.分析比較低流量下不同取壓點(diǎn)的壓差，得到內(nèi)流場(chǎng)壓差變化規(guī)律，確定了DN20流體域的最佳取壓點(diǎn).將壓電傳感器置于最佳取壓點(diǎn)后，使用音速噴嘴裝置進(jìn)行試驗(yàn).將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的誤差.分析其中原因，以小口徑殼體內(nèi)壓電傳感器自身體積較大為切入點(diǎn)，去除流體域內(nèi)壓電傳感器體積，將去除壓電傳感器體積前后的流體域進(jìn)行仿真，對(duì)結(jié)果比較分析，發(fā)現(xiàn)去除壓電傳感器體積后的流體域仿真得到的K值系數(shù)與試驗(yàn)值誤差較小，說明壓電傳感器體積對(duì)內(nèi)流場(chǎng)有一定影響，并且壓電傳感器的探針放置于流量計(jì)中會(huì)一定程度地增加旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的壓力損失.

關(guān)鍵詞：旋進(jìn)旋渦流量計(jì)；數(shù)值模擬；壓電傳感器；壓力損失；取壓點(diǎn)

中圖分類號(hào)：S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-8530（2024）09-0895-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0188

沈春根，金昆，朱云明，等.基于CFD的傳感器體積對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（9）：895-899.

SHEN Chungen，JIN Kun，ZHU Yunming，et al.Influence of sensor volume on vortex precession flowmeter based on CFD[J].Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（9）：895-899.（in Chinese）

Influence of sensor volume on vortex precession flowmeter based on CFD

SHEN Chungen， JIN Kun^*， ZHU Yunming， HU Zunhao， GUO Erkuo

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： For precise measurement of the swirling vortex flowmeter， CFD numerical simulation with a DN20 caliber was utilized as the focus. Simulation revealed a phenomenon similar to the detachment of a blunt body vortex street， confirming the reliability of simulation work. Analyzing pressure differences at various tapping points under low-flow conditions， the optimal tapping point within the DN20 fluid domain was identified. Placing a piezoelectric sensor at this optimal point， experiments were conducted using a sonic nozzle device. Comparison of experimental and simulation data showed a discrepancy. To understand this， the piezoelectric sensor large volume within the small-caliber shell was focused on. Simulating the fluid domain before and after removing the sensor′s volume， the K-value coefficient with smaller error after removal was found， indicating the sensor volume affecting the internal flow field. Additionally， placing the sensor probe within the flowmeter increased its pressure loss.

Key words： precession vortex flowmeter;numerical simulation;piezoelectric sensor；pressure loss；pressure measuring point

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是一種振蕩式流體流量計(jì)，適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質(zhì)的流量測(cè)量.旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)部無機(jī)械活動(dòng)件，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、耐腐蝕性好和應(yīng)用范圍廣.但是在實(shí)際應(yīng)用中，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)還存在著壓力損失較大的問題，而且振蕩頻率信號(hào)易被外界振動(dòng)源干擾，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在實(shí)際使用過程中遇到的各種問題進(jìn)行了分析研究. CUI等^[1]對(duì)不同旋流器的螺旋角在氣固兩相中的計(jì)量特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；CHEN等^[2-3]研究了旋流儀內(nèi)部的流動(dòng)特性以及后錐角對(duì)流量計(jì)性能的影響，并且通過CFD軟件對(duì)不同起旋器進(jìn)行了數(shù)值特性分析；LIU等^[4]通過試驗(yàn)研究了渦流流量計(jì)上游直管過渡段長(zhǎng)度對(duì)渦流流入特性的影響，并詳細(xì)分析了速度和壓力在某一時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間平均分布^[5]；PIROU-ZPANAH等^[6]利用多孔板流量計(jì)與旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的耦合來測(cè)多相流，建立了適當(dāng)關(guān)系；劉春哲等^[7]采用定常-非定常的數(shù)值求解方法，準(zhǔn)確獲得了低壓區(qū)壓力脈動(dòng)頻率特性；宋禹杭^[8]對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在使用時(shí)的各種常見故障的原因進(jìn)行了分析并探討了所對(duì)應(yīng)的解決方法.

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的相關(guān)研究是計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，文中使用CFD仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)壓電傳感器的體積對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響進(jìn)行研究.

1 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的工作原理

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)主要由起旋器（旋渦發(fā)生器）、文丘里管（殼體）、消旋器（整流器）以及壓電傳感器組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

當(dāng)流體介質(zhì)從入口流過旋進(jìn)旋渦流量計(jì)起旋器時(shí)形成旋渦流，殼體的收縮段對(duì)旋渦流加速并使得其在喉部段時(shí)旋渦強(qiáng)度加強(qiáng)，旋渦流流經(jīng)擴(kuò)張段時(shí)流體流速降低，在壓力的作用下產(chǎn)生回流，形成類似于鈍體渦街旋渦脫落的現(xiàn)象，并在回流作用下旋渦流的“渦核”繞軸線做螺旋進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)的頻率與流體的速度成正比.因此，測(cè)得旋進(jìn)旋渦的進(jìn)動(dòng)頻率就可知流體流量，并在流量測(cè)量范圍內(nèi)有良好的線性度.

流場(chǎng)內(nèi)壓力變化頻率f與入口處體積流量Q有以下關(guān)系，即

K=f/Q，（1）

式中：K為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的儀表系數(shù)，由試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，在出廠前由生產(chǎn)者給出.

2 流場(chǎng)模型的建立與參數(shù)設(shè)置

2.1 仿真數(shù)模的準(zhǔn)備與網(wǎng)格劃分

使用NX12.0先對(duì)總長(zhǎng)100 mm的DN20旋進(jìn)旋渦流量計(jì)^[9]（直徑為20 mm的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)）進(jìn)行三維建模，然后通過相關(guān)命令抽取出DN20的內(nèi)部流體域.為了減輕數(shù)值計(jì)算帶來的入口效應(yīng)以及提高流體通過流量計(jì)的流體穩(wěn)定性，在DN20旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的入口處延伸2倍入口直徑的長(zhǎng)度，在出口處延伸2倍出口直徑的長(zhǎng)度.

對(duì)流場(chǎng)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的起旋器流體域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，最終形成的網(wǎng)格劃分效果如圖2所示.對(duì)該模型網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，在網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行20%的網(wǎng)格加密并進(jìn)行對(duì)比.發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)格加密前后，脈動(dòng)頻率的誤差率都低于5%，可以認(rèn)為這樣的網(wǎng)格劃分是有效的.

2.2 軟件仿真參數(shù)的設(shè)置

利用Mesh軟件將網(wǎng)格模型建立之后，將網(wǎng)格模型文件導(dǎo)入CFX軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算.CFX軟件進(jìn)行仿真模擬的步驟如下：先對(duì)某一速度下的流體域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，然后在穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)同一速度下的流體域進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算.相關(guān)仿真參數(shù)如下：

1） 湍流模型：選用RNG k－ε湍流模型^[10]，標(biāo)準(zhǔn)的k－ε湍流模型用于強(qiáng)旋流或帶有彎曲壁面的流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一定情況的失真.

2） 介質(zhì)屬性：25 ℃下的空氣.

3） 邊界條件：① 進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口，根據(jù)流體介質(zhì)速度決定；

② 出口邊界采用壓力出口，參考?jí)毫υO(shè)為0；

③ 壁面函數(shù)為除了出入口，其余壁面均采用無滑移壁.

4） 時(shí)間步長(zhǎng)：根據(jù)流量范圍內(nèi)流量大小和已知的DN20旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的K值系數(shù)預(yù)估不同流量下的脈動(dòng)周期，取1/10周期長(zhǎng)度為時(shí)間步長(zhǎng).

3 最佳取壓點(diǎn)的選擇

選取流體經(jīng)過起旋器后部的喉部直管段與擴(kuò)張段的軸向平面上的點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最終確定最佳取壓點(diǎn).選點(diǎn)的原則如下：從喉部入口處橫向以0.25D為間距，縱向以0.10D為間距進(jìn)行選點(diǎn)，最終共生成如圖3所示的28個(gè)取壓點(diǎn).

為了在低流量下獲得更好的信號(hào)強(qiáng)度，選取2個(gè)流量值對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，將得到的數(shù)據(jù)整理繪制成如圖4所示，圖中d為距流量計(jì)入口距離.最終確定在不同流量下，壓差Δp最大的位置為豎直方向上，距離流量計(jì)中軸線3 mm；水平方向上，距離流量計(jì)入口65 mm，位于喉部末端^[11].

4 壓電傳感器體積對(duì)流場(chǎng)的影響

4.1 試驗(yàn)誤差分析

使用負(fù)壓臨界法音速噴嘴裝置對(duì)DN20旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在不同流量點(diǎn)下的頻率和K值系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn).試驗(yàn)中，通過將壓電傳感器測(cè)量用的探針放置于流量計(jì)殼體中，通過探針測(cè)得的壓力變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)得到壓力脈動(dòng)頻率.

通過對(duì)DN20測(cè)量范圍內(nèi)不同流量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄如表1所示不同流量點(diǎn)下該口徑流量計(jì)的K值系數(shù)，對(duì)仿真計(jì)算所得的結(jié)果K_s與試驗(yàn)結(jié)果K_e進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者之間誤差σ較大.試驗(yàn)測(cè)得平均K值較原模型有所提高，K值系數(shù)^[12]穩(wěn)定，重復(fù)性合格.整個(gè)試驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值相比存在一定誤差.

針對(duì)DN20流量計(jì)仿真分析與試驗(yàn)數(shù)值相差較大等問題，考慮到是仿真測(cè)量位置選擇的問題，即壓電傳感器體積對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的影響.在實(shí)物模型中因傳感器體積相對(duì)小口徑流量計(jì)內(nèi)流場(chǎng)較大，測(cè)量的是某一截面位置，流場(chǎng)受干擾較為明顯.而仿真中則忽略傳感器實(shí)物模型，僅考慮理想狀態(tài)下某一點(diǎn)的脈動(dòng)頻率，即不考慮傳感器影響下得到的脈動(dòng)頻率.除了考慮傳感器體積影響外，氣動(dòng)管道系統(tǒng)的振動(dòng)也是原因之一^[13].另外除了由脈動(dòng)效應(yīng)引發(fā)的固有頻率外，還有測(cè)試裝置引起的激發(fā)頻率及管道機(jī)械的固有頻率等.文中針對(duì)壓電傳感器的圓柱桿型探頭體積對(duì)流場(chǎng)的影響進(jìn)行分析比較，探究放置壓電傳感器前后流場(chǎng)的變化情況.

4.2 壓電傳感器體積對(duì)流場(chǎng)的影響

在實(shí)際計(jì)量中，流量計(jì)內(nèi)部流體的變化情況受多方面因素影響.現(xiàn)研究傳感器體積對(duì)其的影響，對(duì)DN20三維流場(chǎng)進(jìn)行重新繪制，并且就其已經(jīng)仿真過的多組流量進(jìn)行對(duì)比分析，找出仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間誤差較大的原因，從而提出解決方案.

在實(shí)際工作中，壓電傳感器的探針體積是不可忽略的.先將流體域模型進(jìn)行修改，將放置在最佳取壓點(diǎn)的8 mm探針從流體域中去除，得到前后流體域?qū)Ρ热鐖D5所示.

對(duì)DN20旋進(jìn)旋渦流量計(jì)實(shí)際流體域仿真流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析，得到旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的橫縱截面壓力隨著時(shí)間變換云圖如圖6所示.在云圖中，冷色區(qū)域是旋渦流所在的高壓區(qū)，暖色區(qū)域是低壓區(qū).由橫截面圖可知，冷色氣壓區(qū)繞著DN20的中軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)渦核運(yùn)動(dòng)到探針區(qū)域時(shí)，渦核逐漸消失.在縱截面壓力變化云圖中，冷色區(qū)域是經(jīng)過起旋器后形成并不斷擺動(dòng)，并且擺動(dòng)的幅度在喉部末端與擴(kuò)張段交界處最大.旋渦在經(jīng)過消旋器之后消失，壓力趨于穩(wěn)定^[14].

為了進(jìn)一步研究?jī)烧咧g的區(qū)別，通過得到取壓點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率和實(shí)際狀態(tài)下的流體域的K值系數(shù)，兩者之間的K值系數(shù)對(duì)比如表2所示，表中K₁，K₂分別為插入探針前后的系數(shù).由于壓電傳感器自身探針體積的影響，實(shí)際狀態(tài)下的低壓區(qū)雖然依然繞著中軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，但是它的運(yùn)動(dòng)半徑要小于理想狀態(tài)下的“渦核”運(yùn)動(dòng)半徑.由于入口流量是固定的，繼而入口速度一定，流體介質(zhì)形成的低壓區(qū)“渦核”轉(zhuǎn)動(dòng)半徑越小，渦核繞中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一周的周期越短，那么壓電傳感器測(cè)得的脈動(dòng)頻率就越大，根據(jù)公式可知K值系數(shù)也會(huì)隨著f的提高相應(yīng)變大.

5 結(jié)論與展望

1） 壓電傳感器體積對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)具有一定的影響，仿真時(shí)應(yīng)該考慮到壓電傳感器的體積.

2） 放置壓電傳感器后，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的K值系數(shù)會(huì)比未放置傳感器有所提高，所得K值更接近試驗(yàn)值，測(cè)量準(zhǔn)確度更高.

3） 由于探針自身體積的影響，取壓點(diǎn)所在截面旋渦流的“渦核”繞軸線做螺旋進(jìn)動(dòng)的半徑減小，壓電傳感器測(cè)得的脈動(dòng)頻率就越大，從而提高K值系數(shù).

針對(duì)文中的進(jìn)一步研究可以在以下部分展開：

1） 使用不同口徑的流量計(jì)、更改流體介質(zhì)，驗(yàn)證傳感器體積對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)影響的一般性規(guī)律.

2） 選擇不同壓電傳感器，分析不同體積的壓電傳感器探針在同一取壓點(diǎn)對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的影響.

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（責(zé)任編輯 談國(guó)鵬）