氣體渦輪流量計(jì)的分析與討論
發(fā)布時(shí)間：2024-05-27 14:23:20
1.方法驗(yàn)證
根據(jù)氣體渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用SolidWorks軟件對各部分零件進(jìn)行組裝建模，將建好的模型導(dǎo)入ANSYSWorkBench進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用分塊化方法劃分網(wǎng)格，直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;由于葉輪和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，并對其進(jìn)行細(xì)化處理，最后進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為580萬與670萬時(shí),兩者的壓力損失相差僅為21Pa，故本文選取580萬網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行后面的數(shù)值模擬研究。
為了驗(yàn)證模擬方法的可靠性,本文比較了氣體渦輪流量計(jì)在13m3/h~250m3/h范圍內(nèi)11個(gè)流量點(diǎn)的壓力損失,這些流量點(diǎn)包含了國家計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)特征流量點(diǎn),符合實(shí)際的流量檢測要求。由圖4可知:在全量程范圍內(nèi)，流量計(jì)壓力損失的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合,誤差僅在0~6%范圍內(nèi)波動,證實(shí)了所采用的數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)測試方法的可靠性和準(zhǔn)確性,為后面流量計(jì)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
3.2流量計(jì)內(nèi)部特征分析
為了獲得氣體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路，首先對優(yōu)化前流量計(jì)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過在葉輪旋轉(zhuǎn)中心截取水平剖面，得到流場的壓力場和速度場云圖。本文選取流量點(diǎn)50m3/h、250m3/h作為分析對象,對流量計(jì)內(nèi)部的流場特征進(jìn)行定量研究。
由圖5(a)可知:當(dāng)流量為50m3/h時(shí)，流量計(jì)進(jìn)出口的總壓力損失約為71.4Pa。由于受到前整流器和前導(dǎo)流體的阻擋作用，前導(dǎo)流體迎風(fēng)面壓力梯度與流動方向相反,邊界層發(fā)生分離現(xiàn)象,造成能量損失。在表芯支座側(cè)面,壓力從35.7Pa急劇減至13.2Pa;在近壁面處出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致氣流運(yùn)動紊亂。流量計(jì)的出口處出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓值約為-14.5Pa,此處壓力梯度與流體流動方向相反，且等壓線分布混亂，流場壓力分布非常不均勻,大大增加了流動的能量損失。
由圖5(b)可知:流體經(jīng)過表芯支座時(shí)，流道截面突縮，流體速度從2.95m/s迅速增至7.9m/s。由于表芯支座結(jié)構(gòu)的特殊性,經(jīng)過的流體無法以垂直角度沖擊葉輪,使得用葉輪轉(zhuǎn)速計(jì)算得到的流量與實(shí)際流量存在較大偏差，降低了流量計(jì)的精度。流體流出葉輪后,由于后導(dǎo)流體直徑大于葉輪輪轂直徑，流道截面繼續(xù)縮小,氣流速度繼續(xù)增加。后導(dǎo)流體出口處速度梯度大，當(dāng)流體有旋運(yùn)動與壁面分離時(shí)，出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象和尾跡區(qū)域。受流體粘性的影響，尾跡中旋渦的動能逐漸轉(zhuǎn)換成熱能進(jìn)一步耗散,增加了能量損失。
圖5(c,d)表示流量為250m3/h時(shí)流量計(jì)內(nèi)部流體的壓力云圖和速度云圖。隨著流量的增加,流量計(jì)內(nèi)部流體的湍流性質(zhì)更加明顯。流量計(jì)的壓力損失明顯增加,壓力損失約為1390.5Pa。此時(shí),表芯支座處的壓力梯度變化更加明顯;后導(dǎo)流體下游區(qū)域的流場更加紊亂，回流現(xiàn)象加劇，尾跡范圍明顯擴(kuò)大。
上述模擬結(jié)果給予我們重要提示:表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)對流量計(jì)性能的影響非常明顯，可以通過改進(jìn)表芯支座和后導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)達(dá)到提高流.量計(jì)性能的目的。在表芯支座的優(yōu)化中，可以從減少側(cè)面區(qū)域壓力梯度驟變的角度考慮。在后導(dǎo)流體的優(yōu)化中,可以從穩(wěn)定流場、減弱回流，縮小負(fù)壓區(qū)和尾跡范圍的方向思考。
3.3流量計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案
基于流量計(jì)流場特征的分析,將原來的表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先，表芯支座迎風(fēng)面一側(cè)的直徑從64mm縮減至50mm,如圖6(a-b)所示,運(yùn)用所形成的18.5°坡度來減緩流體的壓力梯度變化，從而減少流量計(jì)的壓力損失。其次.對后導(dǎo)流體的直徑進(jìn)行縮減，如圖6(d)~圖6(e)所示，直徑從原來的66mm減至62mm,以減小對流出葉輪流體的阻礙。最后,運(yùn)用3D打印技術(shù)，制作優(yōu)化后的表芯支座和后導(dǎo)流體模型成品，如圖6(c)、圖6(f)所示。
3.4流量計(jì)性能指標(biāo)評價(jià)
為驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性，對改進(jìn)模型進(jìn)行仿真，從流場的角度分析其優(yōu)化效果。流量點(diǎn)同樣選取50m3/h、250m3/h作為分析對象，流量計(jì)內(nèi)部流場特征如圖7所示。從結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的模擬結(jié)果可以看出:由于改變了表芯支座的坡度使得氣流更加平緩，其迎風(fēng)面高壓區(qū)減小，側(cè)面的負(fù)壓區(qū)消失,壓力梯度驟變的情況得到緩解;后導(dǎo)流體下游區(qū)域流場紊亂的現(xiàn)象也得到明顯改善，壓力分布變得更均勻;尾跡區(qū)域的面積減小,尾跡耗散引起的能量降低;流量計(jì)出口處的壓力梯度變化更均勻,后導(dǎo)流體的導(dǎo)流效果明顯提升;總壓，力損失明顯降低,在50m3/h流量點(diǎn)降低了約46.2%,在250m3/h流量點(diǎn)降低了約45.8%。
為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果，用優(yōu)化后的表芯支座和后導(dǎo)流體成品模型代替原模型中的表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)，安裝進(jìn)氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。根據(jù)《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)章》,通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理后得到流量計(jì)的壓，力損失、儀表系數(shù)、最大示值誤差等性能指標(biāo)，進(jìn)而評價(jià)流量計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果及其計(jì)量性能。表1所示為實(shí)驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
首先,對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)壓力損失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。圖8表示原模型、優(yōu)化表芯支座模型、優(yōu)化后導(dǎo)流體模型，以及整體優(yōu)化模型的壓力損失隨著流量變化的規(guī)律。隨著流量的增大，所有流量計(jì)模型的壓力損失均呈明顯增大趨勢。兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案均對壓力損失的降低起到了作用，當(dāng)流量為250m3/h時(shí)，整體優(yōu)化模型將壓力損失降低至.749.8Pa,降低幅度約42.6%,有效地減少流量計(jì)在使用過程的能耗，提高了流量計(jì)的性能。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù),運(yùn)用式(2)、式(3)，計(jì)算得到了流量計(jì)的儀表系數(shù)K。圖9所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流量計(jì)儀表系數(shù)隨著流量的變化規(guī)律。在小流量情況下(0~50m3/h),儀表系數(shù)起伏很明顯,這主要由于流量計(jì)受葉輪慣性力、流體阻力以及機(jī)械阻力等因素的影響而造成;相對而言整體優(yōu)化模型的儀表系數(shù)較好。在大流量情況下(50m3/h~250m3/h)，四個(gè)模型的儀表系數(shù)都較為平整;相對于原模型,三種優(yōu)化模型的儀表系數(shù)都更趨于恒定,這表明優(yōu)化表芯支座和后導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)可以提高流量計(jì)測量的精度。
為了定量表征儀表系數(shù)的穩(wěn)定性，根據(jù)式(4)，文章計(jì)算得到了氣體渦輪流量計(jì)的最大示值誤差。由表1可知:優(yōu)化后導(dǎo)流體后流量計(jì)的最大示值誤差降至0.242%，降低了約17.7%。優(yōu)化表芯支座不能明顯降低流量計(jì)的最大示值誤差，其線性度誤差約為0.283%。在同時(shí)優(yōu)化表芯支座和后導(dǎo)流體的情況下，最大示值誤差明顯減小，降幅約為22.45%。這表明本文所提出的優(yōu)化方案可以明顯提升流量計(jì)儀表系數(shù)的穩(wěn)定性。
