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气体涡轮流量计内部几何结构与流量系数的关系

气体涡轮流量计内部几何结构与流量系数的关系,流量计量是计量科学技术的重要组成部分之一,它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系,是贸易核算、能源管理和对原材料计量等过程中的重要参考,因此对流量计测量准确度和可靠性有很高的要求.涡轮流量计在成品油、原油、天然气等能源输送和贸易结算计量中是主要测量仪表之一,它属于速度式流量计,其核心部件是可动的叶轮,设计时要求它在一定的量程范围内具有较高的精度、长寿命和低压损.由于目前相关的理论对实际产品的适应性较差,并且相关的实验耗时、耗力,从而计算流体力学方法成为近些年有效的产品设计和性能优化手段.
   目前,关于涡轮流量计的研究主要集中于通过优化涡轮流量计导流件、叶轮、轴承、非磁电信号检出器等部件的结构和尺寸及加工工艺,改善流量计测量气体、高粘度流体和小流量时的特性.然而,关于流量计在小流量下测量精度较差的问题机理性的分析不多,相关的优化建议基本没有.因此,本文即对某型号气体流量计的内部流动进行分析,并且分析影响计量精度的因素,以便提出较好的优化设计思路.
1、涡轮流量计的基本结构及工作原理:
 本文采用如图1的 CNiM-TM 系列气体涡轮流量计轴面示意图.
  气体涡轮流量计的核心部件是叶轮,叶片表面上的流体会对其施加一定的力矩,然后叶轮在一定流量qv下可以得到稳定的叶轮转动频率f,即f=Kqv. (1)式中:K—涡轮流量计仪表系数.
2、数值模拟模型:
2.1、数学模型:
  假设涡轮流量计中的气体为有粘、不可压缩.则连续性方程
uixi=0. (2)动量方程uit+ujuixj=-pρxi+μuijxjxj+fi. (3)式中:ui—气体流动速 度,
ρ—气体密度,
μ—气体运动粘性系数,fi—力源项.气体流动处于湍流状态,
根据以往的工程经验,
本研究采用 Realizable K-ε 湍流模型:(ρK)t+(ρ珔ujK)xj=xjμ+μtσ( )KKx[ ]j704+PK+Gb-ρε-YM; (4)(ρε)t+(ρ珔ujε)xj=xjμ+μtσ( )εεx[ ]j+ρC1珚Sε-C2ρε2K+槡υε+Cε1εkCε3Gb. (5)式中:Gb—浮力源项,PK—湍动源项,ε—耗散项,
μt—湍流粘性系数方程式
2.2、网格划分及求解方法:
  通过布尔运算从实体模型中提取流体域,流量计进出口前后均加上10倍口径的直管段,采用分块划分的方法进行网格划分.直管段部分采用六面体网格,叶轮和其他复杂区域采用非结构四面体网格.经过网格无关性验证后,气体涡轮流量计算模型的网格数量确定为220余万.入口条件采用均匀流速入口,出口采用充分发展边界条件;操作环境压力为环境大气压力;流量计壁面采用无滑移边界条件;采用多参考坐标系模型,叶轮所在的区域设置为旋转流体区域,叶轮相对于附近旋转流体速度为零;流动方程的求解采用 SIMPLEC算法,方程中相关变量二阶迎风格式插值方法.
2.3、数值计算程序:
  验证按照上述设置进行仿真计算,可以得到流量计内部流场的详细信息,进而分析得到涡轮流量进出口两端的截面总压之差,也就是压力损失.最后将计算结果和 实验结果进行 了比对 如图 3 所示.从图3可以看出,数值模拟结果和实验结果吻合得较好,从而说明仿真流程的正确性.
3、数值模拟结果分析:
  在流量 计 流 量 范 围 内 选 取 了 6 个 流 量 点(13m3/h、25 m3/h、62.5 m3/h、100 m3/h、175m3/h、250m3/h)进行数值模拟,得到了气体涡轮流量计的内流场的详细数据.
  图4为叶轮表面速度等值线分布图,此处为了简单起见仅给出了最小流量和最大流量的数据图.从叶轮表面的速度分布图可以看出,对于特定转速下的叶轮,其边缘的速度大于中心处的速度.从压力分布图可以发现,由于采用定常的多参考坐标系模型计算,叶轮与壁面的相对位置是固定不变,从而叶轮的12片上的压力值分布有较大的差异.
  从图5 涡轮流量计截面静压分布图可以看出,不同流量下的内部静压力都具有相似的压力梯度:流量计内部的静压力从进口到出口呈现递减的趋势;流量计前后直管段的静压力梯度较小;叶轮附近的压力梯度较大,这是压损产生的主要部位;压损随着流量的提高而增大.
  从图6中可以了解涡轮流量计内部流动的复杂情况,由于叶轮前、后端的整流器存在,小流量时叶轮前后的速度梯度较小,然而在大流量时它们的整流效果较差.根据数值计算得到的叶轮表面的速度和压力分布信息,可以得到叶片任意点的应力张量珒σ=-pI+μ[珗u+(珗u)T]. (6)因此,叶片任意点所在面 Ai的法线珗ni方向上的受力珝Fi表达式如下:珝Fi=珒σ·珗ni·Ai. (7)从而可以积分得到叶片受到的气动力学力矩珤TCG=∑ni=1(珗ri×珝Fi).(8)进而可以得到叶轮的角加速度珗α=珤TCG/J. (9)此处J 为叶轮的转动惯量.上述公式可以用于计算一定流量下的叶轮转速,并且可以看出一定流量下的叶轮转速是逐渐稳定下来的,气动力学力矩对于叶轮的转速有着决定性的影响,而叶轮周围的气动性能主要受到 Re 数和流速、压力分布的影响.Re数决定了流体的流动状态,对于层流下的流量系数 K:K=Z2πtanθrA-C1r2ρ1qv/[ ]η, (10)可以发 现 层流状态 时,仪表系数 K 与流体流 量qv、流体运动粘性系数η有关.对于湍流下的流量系数 K:K=Z2πtanθrA-C2r[ ]2, (11)可以发现湍流状态时,仪表系数 K 仅与仪表本身结构参数有关,而与流体流量qv、流体运动粘性系数η无关.式(10~11)中:Z—涡轮 叶 片 数;θ—叶 片 结构角度;r—叶 片 平 均 半 径;A—流 通 截 面 积;ρ—流体介质密度;η—流体介质运动粘性系数;C1和C2—常数.904
  图7中虚线为涡轮流量计的理想特性,在所有的流量范围内,其累计流量和瞬时流量的误差为零;图7中实线为实际特性曲线,湍流状态时的仪表系数 K 为常数,此时累计流量和瞬时流量的误差很小,层流以及转捩状态时的仪表系数总是在变化,此时的累计流量和瞬时流量的误差偏大.因此,流量计的流道中一定要加装特殊装置,以促使层流向湍流状态尽快转捩;另外,叶轮周围的流速和压力分布会影响叶轮的动平衡效果,使得摩擦力矩总是在变化,从而也会导致累计流量和瞬时流量的偏差.
4、结语:
  本文在涡轮流量计三维计算模型基础上,进行网格划分和指定边界条件后,采用有限体积法对控 制 方 程 进 行 离 散,通 过 SIMPLEC 算 法 和Realizable k-ε 湍流模型对流量 计 内 流 场 进 行 数值模拟,给出了内流场信息,分析了内部几何结构对压力和速度分布的影响,及其与流量系数的关系.结果表明,在湍流状态时的仪表系数 K 为常数,累计流量和瞬时流量的误差较小;而在层流以及转捩状态时,仪表系数总是在变化,累计流量和瞬时流量的误差较大.该研究结果对涡轮流量计的结构优化设计具有一定的指导意义,并且后续建议加装整流装置,以促使层流向湍流状态的尽快转捩,并且还要保证叶轮动平衡,从而加大涡轮流量计的量程范围.
点击次数:  更新时间:2018-06-14 18:23:12  【打印此页】  【关闭