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100 mm口徑的氣體渦輪流量計進行了數值模擬,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,結果表明數值仿真與實驗結果基本吻合。

  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用。渦輪流量計具有精度高、重復性好、壓損小、量程比大等優點,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展,許多專業人員嘗試進行與流量計的內部流動相關情況的數值仿真研究,也有一些專業人員對帶有旋轉機械的流場進行數值模擬,其中有幾位人員開始對氣體渦輪流量計的內部流場進行數值模擬,以便優化氣體渦輪流量計的內部結構。對用于天然氣計量的渦輪流量計進行數學建模并做數值模擬,將其結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,需要對內部流場結構進行更準確的描述。筆者采用精細 的網格、*的方法和合理的湍流模型對蒼南儀表廠生產的tm-100氣體渦輪流量計的內部流場進行數值模擬,以便優化其內部結構。

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生周期性變化和周期性的感應電勢,即電脈沖信號,經放大器放大后,送至顯示儀表顯示。

  根據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———葉輪的旋轉加速度;m1———流體驅動力矩;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構網 格的有限體積法求解程序。連續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,其他空間導數均為二階精度的中心差分格式 離散。

  連續性方程與動量方程式中 μ———分子黏性系數,在引入湍流模型后,此參數可用有效黏性系數代替(μeff=μ+μt,其中μt為湍流黏性系數)。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均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動、管道內 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構化網格,目的是為了減少網格的數量,zui后計算總網格達200萬之多。

3 仿真結果及分析

  該次數值模擬流量為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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