水平式金属管浮子流量计的仿真与实验

　　金属管浮子流量计是一种传统的变截面流量计，具有结构简单、工作可靠、压力损失小且稳定、可测低流速介质等诸多优点，广泛应用于测量高温、高压及腐蚀性流体介质[1]，由其测量原理决定，它一般需竖直安装.但是，在某些特定的工业应用中，需要使用水平安装浮子流量计[2-3]，其测量原理虽与经典的竖直型浮子流量计相同，但它却是一种可以安装于水平管道的特殊结构的浮子流量计.

　　一般对浮子流量计的经典研究[1]是根据伯努利方程进行的.该方程要求流体运动是恒定流、流体是理想流体(理想流体是指忽略了勃滞性的流体)且是不可压缩均质流体，但是浮子流量计中流过的流体并不严格满足这3个条件，而且传统流量计的设计要通过实验来检验和修正设计图纸，这样不仅延长了设计周期，还增加了设计成本.基于上述2点原因，在设计水　　平式金属管浮子流量计的时候引人了计算流体力学( computational fluid dynamics , CFD)技术[4]，对浮子流量传感器流场进行数值仿真，通过对仿真及实验数据进行比较来评价初样设计，优化流量传感器的结构参数，使流量传感器的设计更加精确，提高了设计效率.

　　1水平式金属管浮子流量计的原理

　　1.1检测原理

　　水平式金属管浮子流量计的检测原理(见图1)与传统的金属管浮子流量计相同，其体积流量[5]

　　在式(1)中，流量系数α是一个受很多因素影响的变量，难以给出一个确切的数值，而且对于本文研究设计的水平式金属管浮子流量计，由于其结构的特殊性，在锥管的上游保证不了5倍管径以上长度的直管段，造成流场畸变，因此利用式(1)计算流量将会与实际的流量值存在一定的偏差，所以更有必要利用数值仿真的方法来保证设计流量的准确性.

　　1.2设计要求

　　所研究的水平式金属管浮子流量计，测量介质为20℃的水，口径为DN50，设计要求流量测量范围1~10 m3/h，量程比为10: 1，浮子行程50 mm，其流量系数的经验值为0. 9~1.0.水平式金属管浮子流量计剖面图如图2所示.

　　2数值仿真

　　2.1模型建立

　　为了研究该水平式金属管浮子流量计达到上限流量时的性质，建立浮子位于41 mm高处的流量传感器三维流场模型，如图3所示.

　　该模型利用GAMBIT软件建立.GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力.

　　2. 2网格划分及边界设定

　　GAMBIT除了强大的建模能力外，也是功能强大的网格划分工具.针对传感器的流场模型，选择三角形一四面体网格来进行网格化分.图4为水平式浮子流量计浮子位于41 mm高时的轴向网格剖分图.