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的方法對100mm口徑的氣體渦輪流量計進行了數(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,并通過實驗進行了比較，結果表明數(shù)值仿真與實驗結果基本吻合。
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用。渦輪流量計具有精度高、重復性好、壓損小量程比大等優(yōu)點,缺點是易受流體物性.的影響。
21世紀以來,由于計算流體動力學的發(fā)展,許多專業(yè)人員1-31嘗試進行與流量計的內(nèi)部流動.相關情況的數(shù)值仿真研究,也有一些專業(yè)人員對帶有旋轉機械的流場進行數(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)部流場進行數(shù)值模擬,以便優(yōu)化氣體渦輪流量計的內(nèi)部結構。對用于天然氣計量的渦輪流量計進行數(shù)學建模并做數(shù)值模擬,將其結果與流量計的實際校正曲線進行比較。采用標準k-ε湍流模型對切線型渦輪流量計進行了數(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)部流場結構進行正確的描述。采用精細的網(wǎng)格先進的方法和合理的湍流模型對氣體渦輪流量計的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,以便優(yōu)化其內(nèi)部結構。
1基本控制方程
渦輪流量計的工作原理:當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。葉輪的轉速與管道平均流速成正比,葉輪轉動后,周期性地改變磁電轉換器的磁阻值,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一葉輪的旋轉加速度;M1一流體驅動力矩;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模型進行封閉。程序求解框架為基于結構網(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格式離散,其他空間導數(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,給定葉輪的旋轉角速度來進行計算。在幾何結構復雜的部位采用非結構化網(wǎng)格并進行了加密,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構化網(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200萬之多。
3仿真結果及分析
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行比較,按照實驗值的測量條件,對實驗值和計算值進行比.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結束語
該文應用計算流體力學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，并與實驗結果進行比較,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,得到的結果是可靠的，通過改變結構參數(shù)進行計算可以優(yōu)化氣體渦輪流量計內(nèi)部結構。
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