测量低黏度流体介质金属管浮子流量计的仿真研究

　　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、可测低速流体介质等诸多优点，广泛应用于测量高温、高压及腐蚀性流体介质[1].目前，金属管浮子流量计设计采用经典浮子流量公式计算，其中流量系数α受到浮子形状和来流雷诺数等多种因素的影响，需要实验标定来确定.该设计方法需进行大量的实验，费用昂贵，周期很长，巨获取的数据有限.为深入研究金属管浮子流量计的工作机理，笔者利用计算流体力学方法对金属管浮子流量计进行数值仿真，通过构造仿真模型为研究金属管浮子流量计的机理建立数值实验平台，优化传感器的结构;同时为金属管浮子流量计提供了低成本、短周期的设计方法.

　　1基本原理

　　1.1金属管浮子流量计的工作原理

　　图1为金属管浮子流量计的工作原理示意.在垂直的锥形管中，放置一阻力件，即浮子.当流体自下而上穿过锥管时，受到浮子迎流体积阻挡而产生一个压差，从而对浮子形成向上的作用力，同时由于流体本身的豁性，对浮子产生私性力，当这两个力的合力大于浮子本身的重力时，浮子就会向上升，同时浮子与锥形管间的环形流通面积增大，流速减低，此时浮子对流体阻力作用减小.当浮子受到的力达到平衡时，浮子就会停留在某一高度.传统的金属管浮子流量计设计采用经典浮子流量公式[2]计算，即

　　1.2计算流体力学及其控制方程

　　计算流体力学(computational fluid dynamic s , CFD )是门利用计一算机求解描述流体流动规律的控制方程组技术，涉及到流体力学、计算方法和计算机图形处理等技术.为了简便，以不可压缩湍流流动为例写出笔者使用的k-E模型通用形式的流体控制方程.在直角坐标系中，流动可由连续性方程和雷诺时均N-S方程描述[3-6]，即

　　对高Re数湍流，涡黏性系数的计算公式为

　　k和ε 由各自的输运方程得到，对高Re数问题有

　　笔者的仿真模型建立在已有仿真实验的基础上[7]，并针对以往模型中存在的入口速度剖面为等值面这一不合理设置，给出合理的圆管人口速度剖面;同时按照实际流量计的构造，在流量计的人口与出口处加人导流架，从而提高了仿真结果的准确性.

　　2模型建立和数值计算

　　针对25 mm 17径(DN25)浮子流量计内部机械结构进行流场计算和分析.金属管浮子流量计结构剖面如图2( a)所示.金属管浮子流量计采用1 Cr18Ni9Ti材质.流量计设计流量范围为0. 4~4. 0m3，量程比为10 : 1，为了检测锥管中浮子的位置，在浮子中安装有永久磁铁，同时利用网格生成器建立了浮子流量计内部结构仿真模型，如图2(b)所示.实验所用的低豁度流体介质是在常温下密度为998. 0 kg/m3、茹度为0. 001 002kg/(m·s)的水.金属管浮子流量计内部流场是高雷诺数完全发展湍流流动，故采用湍流模式理论中标准k-ε 模型来计算.