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叶轮顶隙影响液体涡轮流量计性能的CFD仿真研究
发布时间:2020-5-13 08:10:19

[摘要]涡轮流量计性能会随着被测流体粘度的增大而变差，为了降低介质粘度对涡轮性能的影响，采用计算流体力学CFD)仿真的方法，通过适当地增大顶端间隙，实现了对液体涡轮流量计参数的定量优化，并从叶轮尾部流场、叶片表面压力场及叶轮受力情况等方面分析了不同的叶轮顶端问隙对叶轮性能产生影响的机理。
　　液体涡轮流量计具有测量精度高、量程宽、压损小、输出脉冲信号、重复性和动态响应好等多种优点。在用于低粘度液体流量测量时，在相当宽的流量范围内，其测量精度可达0.5%~0.15%，重复性可达0.1%~0.05%。缺点在于仪表系数受被测流体粘度变化的影响较大。一般来说，粘度变化对线性.特性的影响随着流量计口径的减小而增大。目前，国.内涡轮流量计出厂时，一般都是用水或粘度比较低的柴油进行检定，但很多使用者却用其来测量液压油、润滑油等中粘度甚至高粘度液体的流量。这就迫切要求提高涡轮流量计在测量粘性介质时的精度。
　　通过改变叶轮叶片顶端间隙来实现涡轮的优化在.以往的文献口.四中已有出现，但如何进行定量的优化及改变顶端间隙会对涡轮的性能造成多大的影响等，却仍需作进一步的研究。
　　通过对不同叶轮顶隙的涡轮流量计进行计算流体力学CFD)仿真四，当流体粘度为9.1cSt时，涡轮的线性度误差由0.987%减小至0.014%;当流体粘度为31.6eSt时，涡轮的线性度误差由5.568%减小至3.693%。
1涡轮流量计CFD仿真方法
1.1三维仿真模型建立
　　以DN10涡轮流量传感器为例进行研究，按照实验所用涡轮流量传感器的几何结构参数建立仿真模型，如图1所示。在涡轮前后分别增加10D的直管段以模拟实流实验中的流动状态。
涡轮流量传感器的仿真模型图
1.2网格划分
　　对模型的网格划分是仿真的关键。网格质量直接影响仿真的求解过程和结果，若所划网格质量太差，在后续的仿真过程中会产生很多问题，减小收敛速度，影响求解结果的准确性。在既保证网格质量又控制网格数量的条件下，对网格进行如下的划分。
　　叶轮处结构较为复杂，所以在网格划分时采用四面体网格，其intervalsize为0.12。在叶轮两侧定义了interface面，以联接叶轮转动区域和其它静止区城。网格质量指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于0.82.
1.3参数设定
　　选取SSTk-w湍流模型，对流体特性及边界条件等都严格按照实流实验进行设置，并采用多参考坐标系的方法解决转动的流体区域流场变化问题。通过监测叶轮及轮毂的力矩，并根据驱动力矩与阻力.矩的差值对叶轮转速大小进行调节，当力矩系数Cm值达到10-9时，认为叶轮所受力矩达到平衡，则此时的叶轮转速即为合适的转速。.
2叶轮顶端间隙影响的仿真
2.1顶端间隙影响的理论依据
　　当流体在管道内部流动时，涡轮流量计同时受到驱动力矩及阻力矩的作用。其中阻力矩主要包括粘性摩擦阻力矩、机械摩擦阻力矩和磁阻力矩等。而在测量粘性流体时机械摩擦阻力矩和磁阻力矩可以忽略不计。叶片边缘与壳体内壁之间充满了流体，因此这一形式的摩擦阻力实际上是由流体与固体壁面之间由于存在着相对运动而引起的粘性摩擦阻力。但是由于其间隙相当小，因此流体在这一狭小间隙中的流动始终认为是处在层流流动状态，从而可直接应用纳维埃一斯托克斯方程对流场求解。

　　式中:T1为叶片顶端与传感器外壳内壁之间的粘性摩擦阻力矩，n·m;r,为叶片顶端处半径，m;r。为流量计壳体内壁半径，m;C为叶片宽，m;ρ为流体密度，kg/m';v为流体运动粘度，m2/s;0为叶轮旋转角速度，rad/s。由(1)式可以看出，通过减小r,即叶片顶端处半径可以减小粘性摩擦阻力矩。
　　虽然叶片顶端间隙的增大可以减小T1的数值，增加叶轮转速，降低涡轮对流体粘性的敏感程度，但是由于随着顶隙的增大，漏流也增大，这会给测量的精度带来影响，因此要兼顾两者以达到平衡。
2.2仿真数据
通常采用叶片顶端间隙与管道半径之比δ对顶端间隙进行无量纲化

　　选择了运动粘度分别为9.1cSt、31.6eSt的柴油-机油混合液，对不同顶端间隙的涡轮流量计进行仿真，仿真结果如表1所示。从表中数据可以看出，涡轮流量计在测量时，一般在小流量点处的仪表系数会小于大流量点处的仪表系数，这是造成线性度误差的原因。对于相同粘度的流体，在相同流速时，随着顶端间隙的增大,涡轮流量计的旋转角速度增大，相应的仪表系数也增大。而涡轮流量计在测量粘性流体时主要受影响的是在小流量点，顶端间隙增大后，涡轮在小流量点处的仪表系数相对于大流量点得到了更大的提高,故减小了线性度误差。即对于同一介质粘度，涡轮流量计的仪表系数受流量变化的影响在减小。

3顶端间隙影响的机理分析
　　通过分析涡轮流量传感器内部的速度场和压力场变化以及叶片受力情况等，可以理解在测量粘性流体时顶端间隙变化对流量传感器特性产生影响的流体力学机理。
3.1速度场分析
　　图2为涡轮叶片尾部流体速度矢量图，灰色部分为叶片�？梢钥闯鲈谝镀奈膊�，流体出现了流动分离。靠近叶轮的流体，其速度可以认为与叶轮的转速相同，叶轮的转速越慢，其尾部的低流速区越大。

　　比较图3(a)和图3(b)、图4(a)和图4(b)，可以看出当流体粘度一定时，流量越大，叶轮的尾部低流速区越小。当顶端间隙由0.2mm增加:至0.5mm时，对于相同粘度的流体和相同的流量点，叶轮尾部低流速区变小，表明叶轮旋转角速度增大，即仪表系数变大。但在小流量点处，低流速区的相对变化较之于大流量点处要大，即小流量点处叶轮转速的相对变化比大流量点处要大，则仪表系数的增加值相对也大，故涡轮的线性度误差减小。

3.2压力场分析
　　比较图5(a)和图5(b)、图6中的图6(a)和图6(b)，可以看出，对于相同粘度的流体，随着流量的增大，高压区的面积变大，且向叶片的尾部和顶端移动，致使叶片所受驱动力矩增加，叶轮旋转角速度增大。对于相同粘度的流体在相同的流量点处，顶端间隙由0.2mm增大至0.5mm时，比较图5和图6可以看出，叶片表面的高压区面积变大，且向叶片的尾部和顶端移动，致使叶轮所受驱动力矩增加，而由图7和图8可以看出叶片尾部的低压区面积变小，叶轮旋转的阻力减小，则旋转的角速度增大，即仪表系数增大。





　　由3)式可以看出，当其它条件一定时，对于.确定的叶轮转速，叶轮受到的粘性阻力矩也是一定的。那么，反过来亦可以通过粘性阻力矩来判断叶轮转速的大小。
利用Fluent中的Report可以得到涡轮流量计所受的压力力矩和粘性阻力矩，如表2所示。
液体涡轮流量计匀速转动时的压力力矩和粘性阻力矩图表
　　比较表格中的数据可以得出，对于具有相同粘度的流体和相同的流量点，当涡轮的顶端间隙增大时，叶轮所受到的粘性阻力矩变小，这直接导致了涡轮的转速增大即仪表系数增大。在小流量点，粘性阻力矩相对减小了16.64%，在大流量点，粘性阻力矩相对减小了13.79%，这样涡轮转速在小流量点处相对增加较为显著，故涡轮的线性度误差得到了降低。
4结论
　　对具有不同顶端间隙的液体涡轮流量计进行CFD仿真分析，当流体粘度为9.leSt时，涡轮的线性度误差由.0.987%减小至0.014%;当流体粘度为31.6cSt时，涡轮的线性度误差由5.568%减小至3.693%。通过分析涡轮的内部流场及叶轮受力情况，可以得出以下
结论:
(1)适当增大叶轮的顶端间隙，流体粘度和流量一定时，叶轮尾部低流速区减小，叶轮旋转角速度增大，即仪表系数变大。而小流量点处的低流速区相对变化较之于大流量点处要大，即小流量点处叶轮转速的相对变化比大流量点处要大，则仪表系数的增加值相对也大，故涡轮的线性度误差减小。
(2)对于相同粘度的流体，在相同的流量点，涡轮的顶端间隙适当增加时，叶片尾部的低压区面积变小，叶片表面的高压区向叶片的尾部和顶端移动且面积变大，致使叶轮所受驱动力矩增加，旋转的角速度增大，仪表系数增大。
(3)对于相同粘度的流体和相同的流量点，叶轮所受到的粘性阻力矩随着叶轮顶端间隙增大而变小，则叶轮的转速增大，液体涡轮流量计系数增大。在小流量点，粘性阻力矩相对减小值较大流量点处更为显著，即仪表系数相对增加值更大，故涡轮的线性度误差得到了降低。

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