摘要:為了深入研究渦輪流量計的工作原理,以改善其精度通過計算流體力學(xué)的方法對100mm口徑的氣體渦輪流量計進(jìn)行了數(shù)值模擬,給出了氣體渦輪流量計的速度場壓力場速度矢量場及其壓損。研究了不同流量下的壓損值,并通過實驗進(jìn)行了比較，結(jié)果表明數(shù)值仿真與實驗結(jié)果基本吻合。
0引言
渦輪流量計是一種速度式流量計,近年來,已在石油、化工科研國防、計量等部門獲得廣泛的應(yīng)用。渦輪流量計具有精度高、重復(fù)性好、壓損小量程比大等優(yōu)點,缺點是易受流體物性.的影響。
21世紀(jì)以來,由于計算流體動力學(xué)的發(fā)展,許多專業(yè)人員1-31嘗試進(jìn)行與流量計的內(nèi)部流動.相關(guān)情況的數(shù)值仿真研究,也有一些專業(yè)人員對帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流場進(jìn)行數(shù)值模擬,其中有幾位人員9.13)]開始對氣體渦輪流量計的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬,以便優(yōu)化氣體渦輪流量計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對用于天然氣計量的渦輪流量計進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并做數(shù)值模擬,將其結(jié)果與流量計的實際校正曲線進(jìn)行比較。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對切線型渦輪流量計進(jìn)行了數(shù)值仿真。由于氣體渦輪流量計是一種精度高的流量儀表,需要對內(nèi)部流場結(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氣體渦輪流量計的內(nèi)部流場進(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
渦輪流量計的工作原理:當(dāng)流體流過渦輪流量計時,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)動后,周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值,檢測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,即電脈沖信號,經(jīng)放大器放大后,送至顯示儀表顯示。
根據(jù)動量距定理可以列出葉輪的運動方程
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)性條件通過壓力修正得到滿足。動量方程湍流方程的對流項均采用二階迎風(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。采用的各種流動包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動管道內(nèi)流動邊界層流動和帶有分離的流動等。它是兩方程模型,需要求解的變量為湍動能k與湍動能耗散率ε,它們所滿足的輸運方程為
這里的Ωif是從角速度為ωk的參考系中觀察.到的時均轉(zhuǎn)動速率張量。
2仿真模型
研究對象為氣體渦輪流量計。計算時在進(jìn)出口加了十倍直徑的直管段,目的是為了使其流動充分發(fā)展。計算采用的邊界條件: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)角速度來進(jìn)行計算。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,最后計算總網(wǎng)格達(dá)200萬之多。
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內(nèi)部的流動情況。從流量.162.5m³/h時的壓力(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。
為了與渦輪流量計的實驗壓損值進(jìn)行比較,按照實驗值的測量條件,對實驗值和計算值進(jìn)行比.較,見表1所列和圖7所示,在最大流量點上,壓損計算值與實驗值之差小于4%。
4結(jié)束語
該文應(yīng)用計算流體力學(xué)的方法研究了氣體渦輪流量計的內(nèi)部流場,得到了不同流量值下的壓力損失，并與實驗結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好。通過研究知道,目前的計算方法是合理的,得到的結(jié)果是可靠的，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算可以優(yōu)化氣體渦輪流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
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