渦輪流量計的二元流動理論模型

  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(xué)的方法對100 mm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(jié)果表明數(shù)值仿真與實驗結(jié)果基本吻合。

  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(yīng)用。渦輪流量計具有精度高、重復(fù)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(xué)的發(fā)展,許多專業(yè)人員嘗試進行與流量計的內(nèi)部流動相關(guān)情況的數(shù)值仿真研究,也有一些專業(yè)人員對帶有旋轉(zhuǎn)機械的流場進行數(shù)值模擬,其中有幾位人員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(jié)構(gòu)。對用于天然氣計量的渦輪流量計進行數(shù)學(xué)建模并做數(shù)值模擬,將其結(jié)果與流量計的實際校正曲線進行比較。文獻[13]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高精度的流量儀表,需要對內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)進行更準確的描述。筆者采用精細 的網(wǎng)格、*的方法和合理的湍流模型對蒼南儀表廠生產(chǎn)的tm-100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(jié)構(gòu)。

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(zhuǎn)。葉輪的轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比,葉輪轉(zhuǎn)動后,周期性地改變磁電轉(zhuǎn)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(yīng)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———葉輪的慣性矩; dω/dt———葉輪的旋轉(zhuǎn)加速度;m1———流體驅(qū)動力矩;m2———黏性阻力距;m3———軸承摩擦阻力距;m4———磁阻力距。

  該文所基于的控制方程為黏性、不可壓的navier-stokes方程。湍流通過realizablek-ε模型進行封閉。程序求解框架為基于結(jié)構(gòu)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(dǎo)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———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(μeff=μ+μt,其中μt為湍流黏性系數(shù))。realizablek-ε湍流模型為目前工程上使用的湍流模型之一。采用的各種流動包括旋轉(zhuǎn)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

2 仿真模型

  研究對象為tm-100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(zhuǎn)角速度來進行計算。在幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進行了加密,目的是 為了更為準確地顯示此處的流場信息。直管段部分采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,目的是為了減少網(wǎng)格的數(shù)量,zui后計算總網(wǎng)格達200萬之多。

3 仿真結(jié)果及分析

  該次數(shù)值模擬流量為650,260,162.5,32 m3/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650 m3/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(dǎo)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162.5 m3/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(jié)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zui大流量點上,壓損計算值與實驗值之差小于4%。

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