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双向内外管压差流量计仿真技术研究
发布时间:2020-5-28 08:16:40

  目前,在各种工业生产中流量的测量非常重要,因此各种各样的流量计层出不穷。压差类的流量计由于价格较低,使用的经验丰富,经过长时间的研究,精度越来越高,所以应用非常广泛”。其中双向内外管压差流量计具有对流体的扰动小和获得压差信号大的优点田,但需要对双向内外管压差流量计的结构参数进行进--步的优化。影响双向内外管压差流量计性能的参数有很多,以往的研究大部分是对节流件的1个或2个结构参数进行同时优化,不够全面印,如果对3个及以上结构参数同时优化,便需要进行大量的仿真工作,为提高效率,对仿真软件进行二次开发。传统的仿真软件FLUENT难以满足需求,而COMSOLMultiphys-ics仿真软件可以导出M文件,在MATLAB中运行程序可以自动仿真并提取数据,二次开发难度低甲。如果COMSOL的仿真效果达到要求,那么在双向内外管压差流量计的仿真中,COMSOL仿真软件便可取代FLUENT.
1流量计原理
  双向内外管压差流量计的基本结构如图1所示。安装节流件的管道直径选为32mm。双向内外管压差流量计节流件的长度对流量计的性能影响可忽略,为了方便测量,将节流件大管长度定为30mm,节流件的厚度定为2mm。
流量计结构图
  根据连续方程和伯努利方程5的原理可知,流体在通过节流件时,在I-I平面,外流道流体体积压缩,流速增大,流体压力减小,而内流道流体扩散,流速减小,流体压力增大;在II-II平面,内外流道比较平稳,流速和压力都趋于稳定:在亚一I平面,与I-I平面情况相反,外流道扩散,流速减小,流体压力增大,而内流道流体压缩,流速增大,流体压力减小。如此--来,在II-II段节流件内外就会形成最大的压差:
△P=P内一P外(1)
式中:△P为内外压差;P内为内测点的水压;P外为外测点的水压。
与传统压差类流量计的测量公式类似,流量Q的计算公式为:

  式中:C为流出系数;A为流道截面积,m2;λ为等效直径比;ρ为流体密度,kg/m3。
  影响流量计测量准确度的主要因素是水头损失。水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。局部水头损失是指因局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失。沿程水头损失是指在固体边界平直的水道中,单位质量的液体自--断面流至另--断面所损失的机械能,这种水头损失是沿程都有,并且随沿程长度而增加。影响局部水头损失的因素主要是节流件异径比h、节流件的大管半径R,影响沿程水头损失的因素主要是扩散角θ。
2二次回归正交试验设计.
  回归正交试验是在因素的合理变化范围内选取有限个试验点安排模拟计算统计,根据有限个试验点建立具有一定可信度的回归方程,当各个结构参数确定之后,可利用回归方程进行估算见,。本文选择优化的主要参数是异径比k、扩散角θ和节流件的大管半径R.采用二次正交回归组合设计的试验方法,首先设定3个控制参数的变化范围:异径比k为0.5~0.9;扩散角θ为4°~10°;节流件的大管半径R为5~9mm。依据二次回归正交试验的设计原则,可以得到各组试验的结构参数见表1。

3COMSOL与FLUENT仿真对比
  利用SolidWorks建立三维模型,导入仿真软件进行网格划分。按照网格划分的原则,参数变量变化梯度大的区域需要采用较为密集的网格划分方法以提高精度,变化梯度小的区域采用较为稀疏的网格划分方法以节省计算资源。本文中节流件前后的流场划分的网格稀疏,节流件周围的流场划分的网格密集回。FLUENT仿真软件划分的网格为非结构四面体,将整个流场进行网格划分后,网格数量在30000左右,如图2所示。COMSOL仿真软件划分的网格在靠近边界的流场为六面体,其他区域的网格为非结构四面体,将整个流场进行网格划分后,网格数量在100000左右,如图3所示。两种软件的网格划分方法相比较,COMSOL对流场的网格划分更加精细。

  双向内外管压差流量计的节流件采用对称结构,流场虽然被分为内外两个部分,但在节流件中部有一-段稳定流态的直管段,当流体流过节流件后,内外两流道又合并为一个流道,其中流体的流.速和压力逐渐稳定,在流场中并没有过大的压力梯度,所以湍流模型选择K-ε模型。标准的K-ε模型现已经过许多改进,其中RNGk-ε模型来源于严格的统计技术,提高了精度和可信度,在FLU-ENT仿真中可以选择RNGK-ε模型[10),但是在COMSOL仿真中只能笼统地选择K-ε模型。
  仿真介质选择液态水,温度20C,为不可压缩流体,出口条件为outflow,试验均在入口流速2m/s.的条件下进行仿真。在求解器的设置方面,两种软件均选择“迭代或容差”的终止条件。
  由于FLUENT与COMSOL软件中均可设置对称面,因此在构建三维模型时可以仅构建半个流场区域,以方便观察截面.上的压力分布。在仿真的后处理中,压力测量点需要设置在流场稳定的区域,故计算压损的前后压力测量点设置在节流件的前后1个管径距离的位置,计算压差信号的两个压力测量点设置在节流件中心和外流道中心0。
4仿真结果和数据分析
  对于双向内外管压差流量计而言,内外压差信号大的条件下,压损越小越好,故选取内外压差信号与压损的差值,即压损差,作为双向内外管压差流量计的评价指标。按照前文设置的结构参数建立15组三维模型,分别利用FLUENT与COMSOL进行仿真,根据仿真结果,记录内外压差信号,将COMSOL和FLUENT仿真数据的差的绝对值与FLUENT数据的比值定义为误差比,内外压差信号数据对比见表2,用同样的方法记录两种软件仿真结果的前后压损和压损差,并计算出误差比,数据对比见表3、表4。绘制的误差比折线图如图4所示。




  通过观察表中数据可得到规律:COMSOL仿真数据与FLUENT仿真数据的误差随着FLUENT仿真数据的增大而增大。同时对比折线图可发现各组数据的误差比均维持在较低且稳定的水平。这样的误差比对于后续拟合二次回归方程以及计算方程的最优解影响很小。
  分别导出一组试验的仿真压力云图进行对比,如图5、图6所示。由图可知,压力分布基本相同,COMSOL的压力云图更加立体直观,视觉效果比FLUENT更好。


5结束语
  本文以双向内外管压差流量计节流件的异径.比h:扩散角θ和节流件的大管半径R3个结构参.数为优化目标,设计了二次回归正交试验,分别用FLUENT和COMSOL进行仿真、记录数据。通过COMSOL仿真所得的数据与通过FLUENT仿真所得的数据相比,虽然有浮动,但是误差比却维持在一个较低且稳定的水平,因此在今后的研究中,可使用COMSOL代替FLUENT进行双向内外管压差流量计的仿真。COMSOL的仿真过程可保存为M文件,方便利用MATLAB对COMSOL进行二次开发,对双向内外管压差流量计更多结构参数进-一步优化。

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