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江蘇恒大儀表有限公司
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金屬管浮子流量計的仿真研究
日期：2023-03-15 點擊量：
1.軟件簡介
計算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynam-ics,CFD)是利用計算機(jī)求解描述流體流動規(guī)律的控制方程組技術(shù),涉及到流體力學(xué)、計算方法及計算機(jī)圖形處理等技術(shù)。
2.湍流模型的選擇
SSTk-?模型是MenterFR提出的標(biāo)準(zhǔn)k-?模型的一個變形8。該模型合并了來源于?方程中的交叉擴(kuò)散,并且湍流粘度的計算考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳播。該模型可以較好地計算邊壁和環(huán)隙附近流體的束縛流動情況,還可以精確計算.湍流核心區(qū)域流體的流動情況。該模型在近壁自由流中較標(biāo)準(zhǔn)的k-?模型有著更高的精度,在湍流核心區(qū)域的計算較標(biāo)準(zhǔn)k-?模型有更廣泛的應(yīng)用。
筆者選擇的仿真介質(zhì)為運動粘度范圍10~50mm2/s的航空潤滑油，粘性影響明顯。粘性流體流經(jīng)金屬管浮子流量計的仿真研究傳感器時,由于粘性的影響,浮子流量傳感器內(nèi)雷諾數(shù)迅速減小,并且考慮到浮子.與導(dǎo)向桿的壁面約束作用,通過比較,筆者選擇SSTk-?模型作為浮子流量傳感器的湍流模型。
在GAMBIT中做出浮子流量傳感器的二維模型,并劃分網(wǎng)格,然后把模型導(dǎo)入到FLUENT軟件.中,進(jìn)行湍流模型的設(shè)置、人口條件設(shè)置、計算模型選擇、介質(zhì)屬性設(shè)置及浮子表面粗糙度設(shè)置等操作。
3.仿真結(jié)果
對10mm²/s和50mm²/s粘度的12個流量點建立模型并進(jìn)行數(shù)值求解,誤差在5%以內(nèi)。針對30mm²/s和40mm²/s粘度的12個點,在FLU-ENT建模時,只移動浮子的位移即可,其他的網(wǎng)格都是模塊化的，F(xiàn)LUENT中的設(shè)置只有粘度項和人口速度不同,其他完全相同。仿真結(jié)果表明:誤.差也在5%以內(nèi)。
3.1仿真誤差分析
令仿真流量為q，則相對誤差δy=1(qf-qv0)I/qy0×100%,不同粘度下流量的相對誤差如圖2所示。
由圖2可知,不同粘度下所得的仿真流量和實際流量的誤差均未超過5%,說明數(shù)值仿真建模、劃分網(wǎng)格、選擇湍流模型以及求解控制參數(shù)等方面都是合理的。CFD數(shù)值仿真流場與實驗流場吻合,CFD數(shù)值仿真模型能夠很好地反映實驗結(jié).果。
3.2速度云圖及其分析
為了直觀地反映同一流量點不同粘度下流量傳感器中速度的變化,選取0.6qyDmax時不同粘度.下X方向速度進(jìn)行分析,速度云圖如圖3所示。
由圖3可以分析出:
a.在同一刻度流量點,X方向的速度和速度梯度隨著流動介質(zhì)粘度的增大而減小。原因是流體的粘度增大了,內(nèi)部摩擦力增大,流體克服摩擦力做功增加,從而壓力損失增大,速度和速度梯度都減小了。
b.在同一刻度流量點,隨著流體粘度增大，流體通過環(huán)隙后的漩渦尾流區(qū)影響變小。原因是流體粘度減小,速度明顯減小,雷諾數(shù)減小，漩渦.的傳播速度減小，而同時粘性切應(yīng)力變大，渦量的衰減速度增大。
3.3環(huán)隙速度分析
刻度流量為0.6qv0max的仿真模型,其軸向103.5mm處為錐管截面積最大處也就是環(huán)隙處，提取了環(huán)隙處的速度數(shù)值,繪制曲線如圖4所示。
從圖4可以看出，環(huán)隙處流體的速度隨著粘度的增大而減小。原因是同一刻度流量下,環(huán)隙的面積是相同的,而流體介質(zhì)的粘度增大,則其內(nèi).部摩擦力消耗增大,使流過環(huán)隙處的速度降低。
計算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynam-ics,CFD)是利用計算機(jī)求解描述流體流動規(guī)律的控制方程組技術(shù),涉及到流體力學(xué)、計算方法及計算機(jī)圖形處理等技術(shù)。
2.湍流模型的選擇
SSTk-?模型是MenterFR提出的標(biāo)準(zhǔn)k-?模型的一個變形8。該模型合并了來源于?方程中的交叉擴(kuò)散,并且湍流粘度的計算考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳播。該模型可以較好地計算邊壁和環(huán)隙附近流體的束縛流動情況,還可以精確計算.湍流核心區(qū)域流體的流動情況。該模型在近壁自由流中較標(biāo)準(zhǔn)的k-?模型有著更高的精度,在湍流核心區(qū)域的計算較標(biāo)準(zhǔn)k-?模型有更廣泛的應(yīng)用。
筆者選擇的仿真介質(zhì)為運動粘度范圍10~50mm2/s的航空潤滑油，粘性影響明顯。粘性流體流經(jīng)金屬管浮子流量計的仿真研究傳感器時,由于粘性的影響,浮子流量傳感器內(nèi)雷諾數(shù)迅速減小,并且考慮到浮子.與導(dǎo)向桿的壁面約束作用,通過比較,筆者選擇SSTk-?模型作為浮子流量傳感器的湍流模型。
在GAMBIT中做出浮子流量傳感器的二維模型,并劃分網(wǎng)格,然后把模型導(dǎo)入到FLUENT軟件.中,進(jìn)行湍流模型的設(shè)置、人口條件設(shè)置、計算模型選擇、介質(zhì)屬性設(shè)置及浮子表面粗糙度設(shè)置等操作。
3.仿真結(jié)果
對10mm²/s和50mm²/s粘度的12個流量點建立模型并進(jìn)行數(shù)值求解,誤差在5%以內(nèi)。針對30mm²/s和40mm²/s粘度的12個點,在FLU-ENT建模時,只移動浮子的位移即可,其他的網(wǎng)格都是模塊化的，F(xiàn)LUENT中的設(shè)置只有粘度項和人口速度不同,其他完全相同。仿真結(jié)果表明:誤.差也在5%以內(nèi)。
3.1仿真誤差分析
令仿真流量為q，則相對誤差δy=1(qf-qv0)I/qy0×100%,不同粘度下流量的相對誤差如圖2所示。
由圖2可知,不同粘度下所得的仿真流量和實際流量的誤差均未超過5%,說明數(shù)值仿真建模、劃分網(wǎng)格、選擇湍流模型以及求解控制參數(shù)等方面都是合理的。CFD數(shù)值仿真流場與實驗流場吻合,CFD數(shù)值仿真模型能夠很好地反映實驗結(jié).果。
3.2速度云圖及其分析
為了直觀地反映同一流量點不同粘度下流量傳感器中速度的變化,選取0.6qyDmax時不同粘度.下X方向速度進(jìn)行分析,速度云圖如圖3所示。
由圖3可以分析出:
a.在同一刻度流量點,X方向的速度和速度梯度隨著流動介質(zhì)粘度的增大而減小。原因是流體的粘度增大了,內(nèi)部摩擦力增大,流體克服摩擦力做功增加,從而壓力損失增大,速度和速度梯度都減小了。
b.在同一刻度流量點,隨著流體粘度增大，流體通過環(huán)隙后的漩渦尾流區(qū)影響變小。原因是流體粘度減小,速度明顯減小,雷諾數(shù)減小，漩渦.的傳播速度減小，而同時粘性切應(yīng)力變大，渦量的衰減速度增大。
3.3環(huán)隙速度分析
刻度流量為0.6qv0max的仿真模型,其軸向103.5mm處為錐管截面積最大處也就是環(huán)隙處，提取了環(huán)隙處的速度數(shù)值,繪制曲線如圖4所示。
從圖4可以看出，環(huán)隙處流體的速度隨著粘度的增大而減小。原因是同一刻度流量下,環(huán)隙的面積是相同的,而流體介質(zhì)的粘度增大,則其內(nèi).部摩擦力消耗增大,使流過環(huán)隙處的速度降低。
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