小口径浮子流量计温度特性研究

　　浮子流量计具有结构简单、成本低廉、操作方便等优点,自一百多年前问世以来,一直被广泛应用于实际生产和科学实验中.用于液体的玻璃浮子流量计在出厂时是用水标定的,示值按标准状态(介质温度20℃,环境压力一个标准大气压)的体积流量分度.然而,在实际应用中,当水温变化时,示值便会出现误差.水温的改变带来的影响主要来源于水的密度与粘度的变化.在室温范围内,水的密度变化不大,因而,粘度的变化构成了误差的主要来源.特别是对于口径比较小,且量程比较大的浮子流量计,温度对示值的影响尤其明显.目前,有不少的学者通过试验的方法找出粘性修正曲线,他们大都采用机油作为工作介质并通过加温来改变粘性或者采用不同浓度的甘油作为介质来获得试验修正曲线[1-3].另外,把CFD应用于流量计的特性研究也有不少[4-6].本文的研究对象为浙江余姚市银环流量仪表有限公司生产的LZB-15s型的玻璃浮子流量计,采用水作为工作介质,考察温度变化对流量造成的影响.通过构造仿真模型为研究玻璃浮子流量计的机理建立数值实验平台,也为玻璃浮子流量计提供低成本、短周期的设计方法.

　　1　浮子流量计的工作原理

　　浮子流量计结构主要由一个向上扩张的锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子组成,当流体自下而上流过锥管时,被浮子节流,此时作用在浮子上的力有四个:动压差力Fp、浮力Ff、浮子自身的重力G和由于粘性作用产生的摩擦力fd.四力平衡时,浮子将稳定的悬浮在某一高度,即对应某一确定流量.当忽略粘性力对子的影响,只简单将其归入流量系数的修正中时,可得到下面的流量方程:

　　式中:Cα称为浮子流量计的流量系数,Dh为浮子平衡在h高度时锥形管的直径,Df为浮子的最大直径,Vf为浮子的体积,Af为浮子垂直于流向的最大横截面积,ρ为被测流体的密度,ρf为浮子材料的密度[7].

　　1.1　流体力学控制方程

　　温度对浮子流量计的影响主要反映在粘度上,因此本文所基于的控制方程为粘性、不可压、等温的Navier-Stokes方程.湍流通过k-ε模型进行封闭.程序求解框架为基于结构网格的有限体积法求解程序.连续性条件通过压力修正得到满足(SIMPLEC算法[8]).动量方程、湍流方程的对流项均采用二阶迎风格式离散,其它空间导数均为二阶精度的中心差分格式离散.

　　连续性方程与动量方程:

　　其中p为静压,ui为流动速度,f为质量力,τij为应力张量,具体表达式为:

　　其中,μ为分子粘性系数,在引入湍流模型后,此项可用有效粘性系数代替(μeff=μ+μt,其中μt为湍流粘性系数).