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气体涡轮流量传感器压损特性分析


文章日期:2018-01-11|阅读数:次


气体涡轮流量传感器的三维建模:
? ? 对于气体涡轮流量传感器的建模我们采用的方法与垂直螺翼式水表建模的方法一致,根据2维CAD图纸进行分析、计算,而后在SolidWorks软件中建立三维模型,有些细节尺寸,二维图纸中并无详细标注,则需将气体涡轮流量传感器实物和图纸结合起来,尽可能地保留实物的外形和尺寸信息。通过以上方法得到了完整的气体涡轮流量传感器三维模型,该模型包含了机械图纸的所有尺寸和外形信息。CN1VI-TM-100-6400和CN1VI-TM-80-6160两种型号的气体涡轮流量传感器与WS-80垂直螺翼式水表相比,几何结构相对简单,不规则曲面较少,几何建模较为容易。***后实现了三维模型的建立(如图5.1、图5.2所示),其中图5.1所示的是CNiM-TM-80-6160气体涡轮流量传感器整体装配情况,图5.2所示的是该气体涡轮流量传感器内部部件装配图。需要指出的是,CN}1VI-TM-100-6400和CNiM-TM-80-6160两种型号的气体涡轮流量传感器,内部结构、零部件都是一样的,的不同之处在于,他们的几何尺寸不一样,类似于按比例放大缩小一样。
? ? 由于气体涡轮流量传感器的结构相对简单,并且通过前面水表内部流动的数值计算,己经掌握了一套可行的方法,来分析叶轮式流量仪表内部流动的情况。所以此部分我们未对模型进行简化,采用完整的几何模型来进行内部流场的数值计算,分析其内部流动情况。
图5.1 SolidWorks中建立的气体涡轮流量传感器完整模型

图5.1 SolidWorks中建立的气体涡轮流量传感器完整模型
图5.2气体涡轮流量传感器内部部件装配情况
图5.2气体涡轮流量传感器内部部件装配情况

计算网格的生成:
? ?网格的生成仍是前期工作的重点和难点,两种气体涡轮流量传感器在几何结构上也有一定的复杂性,主要表现在:表壳部分流体域和固体域不太规则;零部件中存在较多的倒角和圆角;叶轮外径与表壳内壁的间距很小划分网格较困难。 ? ?根据几何结构的特点,我们先对几何模型进行布尔运算,提取出流体域,然后采用分块划分的方法,将计算模型分成若干个部分。对进出口直管道采用结构化的六面体网格,中间复杂结构采用非结构化的四面体网格,并且在叶轮周围对网格作了加密处理,保证了计算精度。因为两种气体涡轮流量传感器的结构是相似的只是尺寸不一样,所以此处只显示一个气体涡轮流量传感器的网格图。***终得到CNi1VI-TM-80-6160型号气体涡轮流量传感器的网格总量为180多万(图5.3), CNi1VI-TM-100-6400型号气体涡轮流量传感器的网格总量为220多万。
图5.3绘制的水表网格


图5.3绘制的水表网格

边界条件和湍流模型的设置:
? ?有关气体涡轮流量传感器内部流动的仿真问题中,我们采用的方法与水表内部流动的计算方法一样,仍然是之前介绍过的多重参考坐标系模型,对叶轮所在的区域绘制一个旋转流体区域,叶轮采用滑移边界条件,相对于附近旋转流体速度为零,即叶轮与旋转流体有相同的转速。然后指定旋转流体一个与流量对应的角速度,让其旋转,计算涡轮流量传感器内部流场。湍流模型依然采用的是Realizable k~e模型。
计算的流体介质是常温下的空气,边界条件具体设置如下:①入口采用速度入口边界条件,速度值固定为圆管中充分发展湍流的平均 ?速度,流量范围:CN}1VI-TM-80-6160气体涡轮流量传感器13m3/hi250m3/h, ?CNi1VI-TM-100-6400气体涡轮流量传感器32m3/hi650 ?mi/h;①出口边界条件设定为压力出口,压力值固定为一个大气压;⑤管壁,表壳及前、后整流器和叶轮表面设为无滑移边界条件。
计算结果分析,气体涡轮流量传感器内部流场分析:
图5.4叶轮表面速度等值线图

图5.4叶轮表面速度等值线图
? ? 本次工作模拟了两种型号气体涡轮流量传感器的内部流动情况,获取了一些内流场信息,如压力分布图,速度分布图,***后得到了两种型号气体涡轮流量传感器压力损失的特性曲线。鉴于计算结果数据量的巨大,以及两种气体涡轮流量传感器在结构上的相似性,有关内流场信息只给出了CNi1VI-TM-80-6160型号的气体涡轮流量传感器部分,计算了流量13m3/hi250 m3/h中六个流量点的内部流动情况。CNi1VI-TM-100-6400型号的气体涡轮流量传感器,计算了流量32m3/h}650 m3/h中四个流量点的内部流动情况,在后面给出了压损特性曲线。
? ?从图5.4六幅叶轮表面速度等值线分布图可以看出,叶轮外缘的速度***大越往叶轮中心靠近速度越小,不同流量下叶轮表面的速度分布是相似的,但大小有所不同,涡轮流量传感器叶轮表面的速度分布情况与水表叶轮表面的速度分布情况相似,具有相同的压力特性。
图5.5叶轮来流面压力分布图

图5.5叶轮来流面压力分布图
? ? 从图5.5六幅叶轮来流面压力分布图可以发现,叶轮12片叶片中并不是每一片叶片底部的压力值都很大,与上一章水表叶轮底部的压力分布情况相似,原因同样是采用多参考坐标系模型计算时,叶轮的位置是固定不动的,定常计算叶轮在某一个状态下,气体涡轮流量传感器内部的流场,有些叶片的底部与表壳内部结构重合了,所以未受到流体较大的冲击,叶片底部的压力值自然就小了。
图5.6叶轮表面速度矢量图

图5.6叶轮表面速度矢量图
? ? 从图5.6六幅叶轮表面速度矢量分布图可以看出,叶轮表面速度矢量沿顺时针方向旋转与实际情况符合,速度分布比较均匀,在叶轮轮毅内表面有明显的漩涡存在。
图5.7涡轮流量传感器截面静压分布图

图5.7涡轮流量传感器截面静压分布图
? ? 从图5.7六幅涡轮流量传感器静压分布图可以看出,内部静压分布总体上是一致的。两端的进出口直管道上产生的压力变化很小,压力损失主要集中在涡轮流量传感器内部,图中可以看出从涡轮流量传感器的入口到出口压力梯度变化较为明显,其中叶轮前后附近位置的压力变化很大,说明该涡轮流量传感器压损产生的主要部件是叶轮。涡轮流量传感器与水表相比,在计量特性方面精度更高,所以对叶轮的工艺要求也很高,一般采用金属制的叶轮,并具有一定的导磁特性。
图5.8涡轮流量传感器截面速度分布图

图5.8涡轮流量传感器截面速度分布图
? ? 此外,在图5.8中可以了解涡轮流量传感器内部流动的复杂情况。通过数值模拟的方法,我们可以比较方便地了解到涡轮流量传感器内部的复杂流动,发现涡轮流量传感器内部零件的几何结构对压力损失产生的影响,这将为后续的结构优化作出一定的指导。

气体涡轮流量传感器压力损失性能分析:
? ?通过前面涡轮流量传感器内部流场的数值模拟,我们得到了内部流场的较多信息,在了解了涡轮流量传感器内部流动的情况后,我们对涡轮流量传感器进出口两端的截面进行面积分,提取面上的平均压力值,计算其进出口截面上的压力差,即压力损失。为了验证计算结果的正确性,我们针对计算的流量点
? ?进行了压力损失的实验测试,提取了实验值,***后将计算结果和实验结果进行了比对(如图5.9,图5.10)。

图5.9 CNiM-TM-80-6160涡轮流量传感器流量与压损之间的关系曲线 图5.10 CNiM-TM-100-6400涡轮流量传感器流量与压损之间的关系曲线

图5.9 CNiM-TM-80-6160涡轮流量传感器流量与压损之间的关系曲线 图5.10 CNiM-TM-100-6400涡轮流量传感器流量与压损之间的关系曲线
? ? 从两幅流量与压力损失的关系图可以看出,数值模拟结果和实验结果吻合得较好。说明建立的几何模型是正确的,内流场数值计算的构思是恰当的,内流场数值计算的方法是可靠的。 ? ?压损是流量仪表的主要技术参数之一,其值越小,表示流体流经流量仪表所损耗的能量就越小,其经济性就越好。通过数值计算的手段,来研究和改善仪表的压损性能,是可靠有效的方法。

? ? 应用三维设计软件SolidWorks构建了CNiM-TM-80-6160和CNi1VI-TM-100-6400型号的气体涡轮流量传感器,在划分网格和指定边界条件后,采用有限体积法对控制方程进行离散,通过SM'LEC算法和Realizable k-e湍流模型对上述模型中的内流场进行数值模拟,给出了较多的内流场信息,分析了计算模型内部流场的信息,***后得到了两种气体涡轮流量传感器的压力损失值,通过实验的手段来验证数值计算的正确性。该研究结果对CNi1VI-TM系列的气体涡轮流量传感器的结构优化设计具有一定的指导意义,采用数值计算的方法来研究气体涡轮流量传感器的内部流动是可靠的,数值模拟的方法对仪表的优化设计起到很大的作用。


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