摘要:為了深入研究渦輪流量計(jì)的工作原理,以改善其精度通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)100mm口徑的氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬,給出了氣體渦輪流量計(jì)的速度場(chǎng)壓力場(chǎng)速度矢量場(chǎng)及其壓損。研究了不同流量下的壓損值,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
0引言
渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì),近年來(lái),已在石油、化工科研國(guó)防、計(jì)量等部門(mén)獲得廣泛的應(yīng)用。渦輪流量計(jì)具有精度高、重復(fù)性好、壓損小量程比大等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是易受流體物性.的影響。
21世紀(jì)以來(lái),由于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,許多專業(yè)人員1-31嘗試進(jìn)行與流量計(jì)的內(nèi)部流動(dòng).相關(guān)情況的數(shù)值仿真研究,也有一些專業(yè)人員對(duì)帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,其中有幾位人員9.13)]開(kāi)始對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,以便優(yōu)化氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)用于天然氣計(jì)量的渦輪流量計(jì)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并做數(shù)值模擬,將其結(jié)果與流量計(jì)的實(shí)際校正曲線進(jìn)行比較。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)切線型渦輪流量計(jì)進(jìn)行了數(shù)值仿真。由于氣體渦輪流量計(jì)是一種精度高的流量?jī)x表,需要對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確的描述。采用精細(xì)的網(wǎng)格先進(jìn)的方法和合理的湍流模型對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,以便優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
1基本控制方程
渦輪流量計(jì)的工作原理:當(dāng)流體流過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí),在流體的作用下，葉輪受力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。葉輪的轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比,葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后,周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值,檢測(cè)線圈中的磁通隨之產(chǎn)生周期性變化和周期性的感應(yīng)電勢(shì),即電脈沖信號(hào),經(jīng)放大器放大后,送至顯示儀表顯示。
根據(jù)動(dòng)量距定理可以列出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程
式中J一葉輪的慣性矩;dω/dt一葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度;M1一流體驅(qū)動(dòng)力矩;M2一黏性阻力距;M3一軸承摩擦阻力距;M4一磁阻力距。
該文所基于的控制方程為黏性、不可壓的NavierStokes方程。湍流通過(guò)Realizablek-ε模型進(jìn)行封閉。程序求解框架為基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法求解程序。連續(xù)性條件通過(guò)壓力修正得到滿足。動(dòng)量方程湍流方程的對(duì)流項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散,其他空間導(dǎo)數(shù)均為二階精度的中心差分格式離散。
連續(xù)性方程與動(dòng)量方程
式中μ一分子黏性系數(shù),在引入湍流模型后,此參數(shù)可用有效黏性系數(shù)代替(μer=μt從,其中片為湍流黏性系數(shù))，
Realizablek-ε湍流模型為目前工程上使用最為廣泛的湍流模型之一。采用的各種流動(dòng)包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動(dòng)管道內(nèi)流動(dòng)邊界層流動(dòng)和帶有分離的流動(dòng)等。它是兩方程模型,需要求解的變量為湍動(dòng)能k與湍動(dòng)能耗散率ε,它們所滿足的輸運(yùn)方程為
這里的Ωif是從角速度為ωk的參考系中觀察.到的時(shí)均轉(zhuǎn)動(dòng)速率張量。
2仿真模型
研究對(duì)象為氣體渦輪流量計(jì)。計(jì)算時(shí)在進(jìn)出口加了十倍直徑的直管段,目的是為了使其流動(dòng)充分發(fā)展。計(jì)算采用的邊界條件:速度為進(jìn)口,壓力為出口,其他均為壁面。并且采用了Fluent中的MRF模型,給定葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進(jìn)行了加密,目的是為了正確地顯示此處的流場(chǎng)信息。直管段部分采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,目的是為了減少網(wǎng)格的數(shù)量,最后計(jì)算總網(wǎng)格達(dá)200萬(wàn)之多。
3仿真結(jié)果及分析
該次數(shù)值模擬流量為650,260,162.5,32m/h的情況,以下選取其中兩種情況進(jìn)行分析。如圖3和圖4所示,為流量650m³/h時(shí)的z平面上的壓力(Pa)和速度(m/s)分布圖。從圖3可以明顯看出渦輪流量計(jì)的壓力損失主要集中在前后導(dǎo)流器和葉輪部分，而在其他部位的壓力損失很小;速度分布圖也很好地反映出渦輪流量計(jì)內(nèi)部的流動(dòng)情況。從流量.162.5m³/h時(shí)的壓力(Pa)和速度(m/s)分布圖,如圖5-6所示,可以得到相同的結(jié)論,兩種流量下,壓力和速度是相似的,但大小有所不同。
為了與渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)壓損值進(jìn)行比較,按照實(shí)驗(yàn)值的測(cè)量條件,對(duì)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行比.較,見(jiàn)表1所列和圖7所示,在最大流量點(diǎn)上,壓損計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之差小于4%。
4結(jié)束語(yǔ)
該文應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究了氣體渦輪流量計(jì)的內(nèi)部流場(chǎng),得到了不同流量值下的壓力損失，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好。通過(guò)研究知道,目前的計(jì)算方法是合理的,得到的結(jié)果是可靠的，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可以優(yōu)化氣體渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
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