金属管浮子流量计的仿真研究

日期：2023-03-15 点击量：

1.软件简介
计算流体力学(ComputationalFluidDynam-ics,CFD)是利用计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、计算方法及计算机图形处理等技术。
2.湍流模型的选择
SSTk-ɷ模型是MenterFR提出的标准k-ɷ模型的一个变形8。该模型合并了来源于ɷ方程中的交叉扩散,并且湍流粘度的计算考虑到了湍流剪应力的传播。该模型可以较好地计算边壁和环隙附近流体的束缚流动情况,还可以精确计算.湍流核心区域流体的流动情况。该模型在近壁自由流中较标准的k-ɷ模型有着更高的精度,在湍流核心区域的计算较标准k-ɷ模型有更广泛的应用。
笔者选择的仿真介质为运动粘度范围10~50mm2/s的航空润滑油，粘性影响明显。粘性流体流经金属管浮子流量计的仿真研究传感器时,由于粘性的影响,浮子流量传感器内雷诺数迅速减小,并且考虑到浮子.与导向杆的壁面约束作用,通过比较,笔者选择SSTk-ɷ模型作为浮子流量传感器的湍流模型。
在GAMBIT中做出浮子流量传感器的二维模型,并划分网格,然后把模型导入到FLUENT软件.中,进行湍流模型的设置、人口条件设置、计算模型选择、介质属性设置及浮子表面粗糙度设置等操作。
3.仿真结果
对10mm²/s和50mm²/s粘度的12个流量点建立模型并进行数值求解,误差在5%以内。针对30mm²/s和40mm²/s粘度的12个点,在FLU-ENT建模时,只移动浮子的位移即可,其他的网格都是模块化的，FLUENT中的设置只有粘度项和人口速度不同,其他完全相同。仿真结果表明:误.差也在5%以内。
3.1仿真误差分析
令仿真流量为q，则相对误差δy=1(qf-qv0)I/qy0×100%,不同粘度下流量的相对误差如图2所示。

由图2可知,不同粘度下所得的仿真流量和实际流量的误差均未超过5%,说明数值仿真建模、划分网格、选择湍流模型以及求解控制参数等方面都是合理的。CFD数值仿真流场与实验流场吻合,CFD数值仿真模型能够很好地反映实验结.果。
3.2速度云图及其分析
为了直观地反映同一流量点不同粘度下流量传感器中速度的变化,选取0.6qyDmax时不同粘度.下X方向速度进行分析,速度云图如图3所示。

由图3可以分析出:
a.在同一刻度流量点,X方向的速度和速度梯度随着流动介质粘度的增大而减小。原因是流体的粘度增大了,内部摩擦力增大,流体克服摩擦力做功增加,从而压力损失增大,速度和速度梯度都减小了。
b.在同一刻度流量点,随着流体粘度增大，流体通过环隙后的漩涡尾流区影响变小。原因是流体粘度减小,速度明显减小,雷诺数减小，漩涡.的传播速度减小，而同时粘性切应力变大，涡量的衰减速度增大。
3.3环隙速度分析
刻度流量为0.6qv0max的仿真模型,其轴向103.5mm处为锥管截面积最大处也就是环隙处，提取了环隙处的速度数值,绘制曲线如图4所示。

从图4可以看出，环隙处流体的速度随着粘度的增大而减小。原因是同一刻度流量下,环隙的面积是相同的,而流体介质的粘度增大,则其内.部摩擦力消耗增大,使流过环隙处的速度降低。

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