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涡轮流量计前导流件运用 NX THERMAL/FLOW 进行有限元计算分析

涡轮流量计前导流件运用 NX THERMAL/FLOW 进行有限元计算分析,得出流量分离导致的大涡旋尾迹区易出现在前导流件尾部区域、前导流件叶片形状对此处流体速度变化具有较大影响的结论,为涡轮流量计和前导流件的设计提供了理论依据。
  涡轮流量计是速度式流量计的一种。由于涡轮流量计具有精度高、重复性好、量程比高、无零点漂移等优点,近年来发展迅猛。其中,前导流件是涡轮流量计的重要部件之一。现有资料中对涡轮流量计前导流部分研究较少。本文拟运用 NX THERMAL/FLOW求解器计算前导流部分中的前导流件对入口流体的阻滞作用和叶片处流体运动情况,进而分析前导流件的尾迹区部位和叶片形状结构,为前导流件和流量计的结构优化设计提供参考。
  1 涡轮流量计结构原理与前导流件作用
  1. 1 涡轮流量计结构与原理
  涡轮流量计由壳体、前导流件、涡轮、磁电感应转换器、后导流件等部分组成,如图 1 所示。流体流过管道,通过前导流件导流,冲击涡轮叶片,克服摩擦力矩和流体阻力使叶片产生转动力矩,叶片旋转,在力矩平衡后转速稳定,转速与流速成正比,旋转的涡轮叶片切割磁力线,周期性地改变着线圈的磁通量,使线圈两端感应出连续的矩形脉冲波,测出工作状态下流体的瞬时流量。
  1. 2 前导流件作用
  前导流件在涡轮流量计中主要有以下三个作用:①支撑作用。在流量计安装过程中对叶轮起支撑定位作用。②导向作用。流体进入导流器后,经导流叶片导流,减少流体自旋对涡轮作用角度的影响。③加速减压作用。气流在前导流件处应导流件的截面收缩作用而加速,压力减小,防止由于低速高压产生流动分离导致大的涡旋运动。
  2 计算方法与模型选择简化
  2. 1 流态确定
  计算流体力学中,采用雷诺数 Re 大小来判断层流还是湍流
       式中: L 为流体流束中的物体任意有代表性的长度;u 为流体流速; η 为动力粘度; ρ 为流体密度。
  在涡轮流量计中,由于入口导流体的叶片导流作用,流体运动轨迹发生剧烈变化,Re >4000,局部压强、速度出现随机性脉动,故采用湍流模型。
  2. 2 湍流模型选择与简化
  数值计算时必须建立合理的湍流运动简化模型。连续性方程:
  方程 ( 2) 中: u 是流体运动速度 ( i,j 代表方向) ;Sm为源项。方程 ( 3) 中: E 是代数项; τij是应力张量; gi是 i 向重力体积; Fi是外部体积力。方程( 4) 中: p 是静压; 右边前三项分别是导热项、组分扩散项、粘性耗散项,Sh为热源项。
  连续性方程、动量方程、能量方程是描述流体运动特性的基本控制方程组。运用上述三式估算水流速度幅值并分别与采用 K-Epsilon、K-Omega、切应力传输-SST 模型得出的实际流速对比,最终确定选用与理论值符合度蕞好的切应力传输-SST 模型进行有限元计算分析。
  从连续性方程、动量方程出发,针对涡轮流量计的具体流动特点,对模型做如下简化: 前导流器部分,将入口导流件以流量计主体为基准建立绝队坐标系; 入口处流体介质设为水,保持入口流速恒定,给定相应流量下的入口主流速度初值,出口处遵循质量方程; 在流量计主体管道内,u 的变化必伴随着 p 变化,由此引起 ρ 变动。本文中 u 较小 ( < 50 m/s) ,流动中 u 引起 p 的波动不足以使 ρ 产生明显变化,ρ视为定值; 流动设为定常,忽略方程中时间项的影响。
  3 模型有限元计算
  主要对涡轮流量计的前导流部分进行研究,故本模型仅由 6 叶片流线型导流件和管状的流量计主体部分组成。主要进行管内流的分析,从减小建模工作量、便于网格划分、提高计算速度角度出发,忽略管外流、焊缝类型等次要因素影响。
  3. 1 网格划分
  采用常用的 4 节点四面体单元划分网格,单元大小为 5 mm,如图 2 所示。
  考虑到叶片与主体管内壁空间狭小,前导叶片根部附近流体轨迹变化剧烈,故此处应在初步划分基础上进行网格细化 ( 如图 3 所示) ,以提高网格质量,获得较准确的计算数据。共划分 237436 个节点、59359 个单元。
  3. 2 材料参数和初始条件
  为使分析更具有实用性,采用 LWGY 型流量计产品材料参数。管状流量计主体部分采用 1Cr18Ni9Ti全不锈钢结构,弹性模量 E = 206 GPa,泊松比 μ =0. 27,屈服极限 σs= 205 MPa,强度极限 σb= 520MPa,密度 ρ = 7900 kg / m3。前导流件部分采用2Cr13,弹性模量 E = 215 GPa,泊松比 μ = 0. 3,屈服极限 σs= 440 MPa,强度极限 σb= 635 MPa,密度 ρ= 7750 kg / m3。流体松弛因子为 0. 9,初始流速 v =5m / s,解算方案为高级流,流态为湍流,涡流为无,分布方法设为均匀。
  4 计算结果分析
  4. 1 阻滞作用分析
  按前述材料参数和初始条件进行求解,求解结果如图 4 所示。
  观察前导流件阻滞节点速度分布图,当水流以 5m /s 的速度垂直于入口端面进入前导流器,流速从叶片端部到前导流件端部中心呈递减趋势。在前导流尾部区域,线条密集紊乱,颜色坡度大。采用峰值探测模式,叶片端部出现蕞大速度 8. 509 m/s,蕞小静压力 - 152 Pa,前导流件端部中心出现蕞小速度1. 545 m / s,蕞大静压 495 Pa。根据方程 ( 3 ) 和( 4) ,速度与静压是衡量阻滞作用的重要指标,速度越小、静压力越大,阻滞作用越明显。在前导流件尾部区域,流速小,压力大。此处,边界层内质点受到强烈阻滞作用。当质点动能全部耗损,流体质点滞止堆积并倒流,使内外侧出现旋转力矩,达到极限值时,引起层外流补充,使卷曲流体区域逐渐增大,形成涡旋。卷曲回流中能量和质量的补充使涡旋区域逐渐扩散,最终产生大的涡旋运动,形成涡旋型尾迹区,产生噪声和振动,影响涡轮流量计的正常工作。
  4. 2 叶片处流体运动分析
  流量计前导流件上叶片处 X,Y,Z 三轴方向上流体速度曲线如图 5 ~7 所示。
  理论上,在叶片处连续取点,并经拟合操作后,合理的速度曲线应为平稳光滑的连续曲线,峰谷值小,过渡平稳,不存在断点、尖点等。观察分析叶片处 X,Y,Z 三向速度曲线线形,由于参数化草绘的渐开线叶片曲线构型不理想的原因,水流流过叶片边缘时,流体边界层产生分离,部分流体由叶片背部回流,与主流形成汇流,引起速度突变。可以注意到前导流件叶片处速度变化平稳性欠缺,速度变化幅度较大。在 X,Y 向速度曲线形状不理想,不是合理的光滑曲线。在 X 向速度曲线线上,更存在明显速度突变的尖点。
  5 结论
  对涡轮流量计前导流件的有限元计算可以得到以下结论:
  1) 通过有限元计算分析,涡轮流量计流量分离导致的大涡旋尾迹区易出现在前导流件尾部,产生噪声和振动,影响流量计的正常工作,为寻找尾迹多发区提供参考依据。在进行前导流设计时应特别注意前导流件尾部区域的优化设计和实验模拟。
  2) 前导流件叶片叶形对此处流体速度变化有较大影响,如设计不合理甚至可能产生速度突变现象,故设计时应注意叶形的选择优化。

 

点击次数:  更新时间:2018-05-22 18:16:18  【打印此页】  【关闭