射流流量计的数值仿真研究

　　传统流量计的发展历史悠久,在工业计量、商贸计量和能源计量中具有广泛的应用.但在小流量测量领域,传统流量计的应用受到限制.目前,以流体振动原理来进行流量测量的射流流量计则逐渐显示出了其优势,比如城市的天然气、生活用水测量,或者医疗手术中微量麻醉剂的测量.而传统的旋叶式流量计在此方面存在一定的局限性[1-5].

　　射流流量计是一种利用产生振荡频率与流速呈一定的函数关系这一特性来实现流量测量.其优点是对于小流速测量误差较小且不受流体种类、密度、温度、压力的影响.但射流流量计仍有许多尚待进一步研究之处,如不同的振荡腔结构会导致不同的起振速度、流出系数以及压力损失等[6-10].

　　国内外采用FLUENT数值模拟来分析研究射流元件或射流泵等已有数十年的历史.近年来,通过数值模拟的方法再现流量计的内部流场,分析不同类型流量计的流量特性,优化流量计结构,成为流量测量领域中一个重要课题[11-13].本文针对一种具有特殊振荡腔结构的射流流量计,在不同雷诺数条件下利用FLUENT软件对射流流量计的内部流动进行数值仿真.通过对内部流场的观测,分析射流振荡的过程,并通过监测分流劈两侧的流速,获得流体的振荡频率,进而建立其管道流速与流体振荡频率之间的函数关系,从而实现流量的测量[7-10,14].

　　1　测量原理

　　1.1　工作原理

　　射流流量计的测量原理是利用流体的附壁效应,又称康达效应(Coanda Effect),如图1.即当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时,流体的流速会减慢,只要物体表面的曲率不是太大,流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动,使得流体离开本来的流动方向,变为随着凸出的物体表面流动.

　　射流流量计正是利用特殊的内部结构使得流体经过喷嘴形成射流后,附着在顺流件壁面上,通过控制流体的反馈,可使流体在两个反馈通道内来回切换产生振荡,振荡频率与流速呈一定的比例关系.在振荡腔结构参数确定的情况下,只要测得流体的振荡频率就可获得流量值[8-10].射流流量计的工作原理示意图,如图2,射流喷嘴射出的主射流,由于附壁效应而附在其中一个顺流件的壁面上,从同侧的那个出口流道流出,与此同时,出口的阻力又迫使部分流体进入反馈回路;当反馈流体垂直作用于主射流时,主射流随之发生切换而附在另一个顺流件的壁面上,在另一个回路中重复上面的反馈过程.如此循环往复,主射流在顺流件之间来回振荡,因而,反馈回路中的流体也以相同的频率振荡.而此频率的大小与入口处的流速相关联.

　　1.2　测量模型