摘要：為優(yōu)化小流量渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu),建立小流量渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型和三維模型,通過其流場特性進(jìn)行仿真分析,研究導(dǎo)流架端部的形狀、葉輪與導(dǎo)流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的影響,并對不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流架端部的小流量渦輪流量計(jì)的流場特性進(jìn)行了分析,圓錐形結(jié)構(gòu)葉輪的高壓低速區(qū)面積最小，能夠有效減少壓力損失,提高流量計(jì)的測量精度。
0引言
渦輪流量計(jì)是一種典型的速度式流量計(jì),具有精度高、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡單、在石油、化工、航空航天、電力等領(lǐng)域有著及其重要的應(yīng)用中。為解決氣液兩相流量計(jì)量問題,文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種雙渦輪質(zhì)量流量計(jì);文獻(xiàn)[3]針對傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)需鋪設(shè)電源線和信號傳輸電纜,使用不方便的問題,設(shè)計(jì)了一種基于ARM單片機(jī)的無線渦輪流量計(jì);文獻(xiàn)[4]采用3葉片長螺旋形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的渦輪流量計(jì);文獻(xiàn)[5]研究了基于渦輪式氣體流量傳感器的呼氣容量計(jì)算方法;文獻(xiàn)[6]研究了渦輪流量計(jì)變粘度流量計(jì)算與校準(zhǔn)方法;文獻(xiàn)[7]研究了一種高壓氣體渦輪流量計(jì)。這些研究推動(dòng)了渦輪流量計(jì)研究和應(yīng)用,隨著小流量計(jì)量精度要求的不斷提高，小流量渦輪流量計(jì)的流場特性等受到關(guān)注。本文從小流量渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)需求出發(fā),通過建立小流量渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型、三維模型,仿真分析小流量渦輪流量計(jì)的流場特性，研究其優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1渦輪流量傳感器工作原理
渦輪流量計(jì)依靠流經(jīng)管道的流體對置于管道內(nèi)葉輪葉片的沖擊驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),如圖1所示，其核心結(jié)構(gòu)包括殼體、前后導(dǎo)流架、葉輪、軸承和磁鋼。其中殼體連接外部管道,固定內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件,對進(jìn)入殼體內(nèi)的流體進(jìn)行微整流;葉輪空心輪轂內(nèi)裝磁鋼,兩端裝有軸承,與導(dǎo)流架.配合,保證葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)流量大小的計(jì)量。
2小流量渦輪流量計(jì)數(shù)學(xué)模型
流體流速流量與葉輪角速度成比例關(guān)系,通過對渦.輪葉片.上力矩的分析,綜合小流量渦輪流量計(jì)的葉輪結(jié)構(gòu)特性及其制造工藝,依據(jù)動(dòng)量矩定理得到葉輪運(yùn)動(dòng)方程為:
式(1)中,J為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)量;ɷ為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度;Md為葉輪驅(qū)動(dòng)力矩,Mr,為葉片表面粘性摩擦阻力矩;Mb為軸與軸承間的粘性摩擦阻力矩;Mh為輪轂周面上粘性摩擦阻力矩;Mw為輪轂端面上的粘性摩擦阻力矩;Mt為葉片頂端與殼體間隙的粘性摩擦阻力矩;Mm為電磁阻力矩和軸承上摩擦阻力矩之和。
式(1)中:
式(3)中ρ為流體密度;Q為流體體積流量;u1為流體的軸向來流速度;u2為流體流出時(shí)葉片速度;a1為流體流人時(shí)與葉輪圓周方向的夾角;a2為流體流出葉片與葉輪圓周切向的夾角;如圖2葉片入口和出口的速度平面圖所示。
當(dāng)流量恒定時(shí),式(3)中ρ、Q、u1、a1為已知量,考慮到葉輪葉片旋轉(zhuǎn)方向上流體進(jìn)出口線速度相同,記進(jìn)出口線速度分別設(shè)為Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記流體與葉輪葉片出入口的相對角速度分別為ɷ1和ɷ2,則圓周運(yùn)動(dòng)方向夾角β2與葉片與軸線結(jié)構(gòu)夾角θ之間有式(4)所示關(guān)系:
式(9)中,ɷh?為輪轂處角速度;βw為平均相對流速方向與葉輪軸線間角度;Ah為葉片部分輪轂面積,R0為葉輪所在殼體內(nèi)徑,Rh為輪轂半徑
輪轂周面粘性摩擦阻力矩Mhf為:
3渦輪流量計(jì)三維流場仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1葉輪三維模型建立
基于上述分析可見，葉輪的運(yùn)動(dòng)特性主要受其結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體粘性系數(shù)等影響。為分析小流量渦輪結(jié)構(gòu)的流場特性,設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示葉輪系統(tǒng),借助UG軟件建立其三維仿真模型;將該三維模型導(dǎo)入ANSYSWork-bench軟件中仿真。
考慮到葉輪的運(yùn)動(dòng)性能是流量計(jì)量的核心,仿真中采用小四面體網(wǎng)格。小尺寸窄表面采用局部網(wǎng)格,渦輪旋轉(zhuǎn)區(qū)劃分的網(wǎng)格數(shù)約為230萬,整個(gè)模型劃分的網(wǎng)格總數(shù)為353萬。
3.2葉輪流場特性分析
3.2.1葉輪速度場分析
分別取流量為5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪流場仿真分析,獲得上述流量下葉輪后導(dǎo)流架后端速度矢量圖(圖3(a),(b),(c)所示),可見流體與前導(dǎo)流架前端碰撞產(chǎn)生低速區(qū)，靜壓力變大,且隨流量增大而變大,壓力損失明顯;流體進(jìn)入前導(dǎo)流架后,流速加快,雷諾數(shù)增加,湍流強(qiáng)度變大。流體進(jìn)入葉輪前，先流經(jīng)葉輪與前后導(dǎo)流架連接的槽,由于槽內(nèi)流速低,此時(shí)流量的速度分布不均,且有強(qiáng)渦流產(chǎn)生。回流導(dǎo)葉尾端速度矢量圖如圖3(d)所示,流體在后導(dǎo)流架后端出現(xiàn)長尾流,尾流長度隨流量增大而減小。
3.2.2壓力場分析
分析上述三個(gè)不同流量時(shí)流道內(nèi)壓力場,發(fā)現(xiàn)隨著流量增加,葉輪、導(dǎo)流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加而減小(如圖4所示),可見,導(dǎo)流架端部的形狀、葉輪與導(dǎo)流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)均有明顯影響。
3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.3.1導(dǎo)流架頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于上述CFD仿真分析結(jié)果,為有效減小葉輪壓力.損失,將原導(dǎo)流架頭部的球形分別設(shè)計(jì)橢球型和圓錐形,改進(jìn)后的導(dǎo)流架頭部尺寸如圖5所示。
3.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葉輪三維流場特性
基于上述結(jié)構(gòu),仿真流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shí)，不同導(dǎo)流架結(jié)構(gòu)下葉輪速度場,由.圖6可見,圓錐形結(jié)構(gòu)葉輪的高壓低速區(qū)面積最小,其次是橢圓形體,球形結(jié)構(gòu)葉輪的高壓低速區(qū)面積最大,圓錐形結(jié)構(gòu)能夠有效減少壓力損失,提高流量計(jì)的測量精度。在前導(dǎo)流架環(huán)狀流動(dòng)路徑中，圓錐形流體的速度分布最均勻的，橢圓體結(jié)構(gòu)次之,球形結(jié)構(gòu)最差,圓錐結(jié)構(gòu)具有較好的整流效果。
流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shí),改進(jìn)后導(dǎo)流架頭部形狀后端形成的尾流如圖7所示。圓錐形結(jié)構(gòu)尾流面積最小,橢球形較小，球形結(jié)構(gòu)尾流面積最大,三種形狀的尾流中均有渦流出現(xiàn),圓錐形產(chǎn)生渦流最小,壓力損失最小。
4結(jié)論
本文從小流量渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)需求出發(fā),通過建立小流量渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型、三維模型,基于小流量渦輪流量計(jì)的流場特性,優(yōu)化改進(jìn)了其導(dǎo)流架結(jié)構(gòu),所得結(jié)論如下:
(1)由于流體對前導(dǎo)流架沖擊,會導(dǎo)致葉輪靜壓力變.大,流道面積變小,流速增大,經(jīng)前導(dǎo)流架進(jìn)人葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)后隨葉輪旋轉(zhuǎn)形成旋流。
(2) 隨著流量增加,葉輪、導(dǎo)流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加.而減小。
(3)圓錐形結(jié)構(gòu)葉輪的高壓低速區(qū)面積最小，能夠有效減少壓力損失,提高流量計(jì)的測量精度。此外,在前導(dǎo)流架環(huán)狀流動(dòng)路徑中,圓錐形流體的速度分布最均勻的，較橢圓體球形導(dǎo)流架結(jié)構(gòu),圓錐結(jié)構(gòu)具有最好的整流效果。
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