气体涡轮流量计旋转部件内流场模仿

  计量天然气、液化气、煤气等介质的速度式外表[1-2]。为了改进气体涡轮流量计的功能，为规划供给辅导和方向，近年来一些学者运用CFD技能对其内部流场进行了研讨。LavanteEV等[3]运用FLUENT对气体涡轮流量计内部流场进行数值模仿，并依据仿真成果解说试验过程中的现象。对前导流器引起的流量计压力丢失进行数值核算和试验丈量，从活动机理上解说了结构和压损之间的联系。LIZhifei等[6]运用数值模仿得到了导流器内部的速度场和压力场，并以减小压力丢失为方针优化了导流器的结构。经过对气体涡轮流量计进行CFD仿真，研讨不同流量下的压损值，并经过试验证明了数值模仿的有效性。对涡轮传感器内部的速度场和压力场进行了数值仿真，提出对前后导流器、叶轮叶片形状和页顶空隙的改进。上述研讨中未触及针对不一样螺旋升角涡轮内流场的数值模仿，以及涡轮叶片螺旋升角的改动对外表功能影响的研讨。本文对设备35°和45°叶片螺旋升角涡轮的DN150型气体涡轮流量计的内流场进行数值模仿，经过模仿成果猜测外表的始动流量和压力丢失，并运用猜测的正确性，为涡轮叶片螺旋升角的进一步供给数值办法。运用FLUENT软件对涡轮内流场进行数值模仿时，疏忽天然气的密度改变，在0～1200m3/h内，介质活动速度远远小于声速（即马赫数远小于0.3），以为流体不行紧缩，且假定活动中无热量交流，不考虑能量守恒方程。气体涡轮流量计内部活动为湍流黏性活动，满意连续性方程和黏性流体运动方程。

  1.2湍流模型挑选因为雷诺应力项的参加使时均N-S方程不关闭，为了求解引进k-ε两方程湍流模型。两方程湍流模型有规范k-ε模型，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可完成的k-ε模型。其间，RNGk-ε模型首要运用在于旋转机械的活动问题，在大规模的湍流模仿中有较高的精度。该模型能够比较精确地模仿各种杂乱活动，其间湍流黏度由下式确认：

  1.3网格区分与定解条件依据流量计的实践工况分别在介质进口和出口处添加10倍管径的直管段，并把整个模型剖分为3个区域：进口管道，旋转区，出口管道。旋转区域又细分为涡轮转子和支架定子两个区域，定子和转子之间的耦合选用多参阅MRF(MultipleReferenceFrame)模型。运用GAMBIT前处理模块对进、出口直管段选用结构化网格，而对旋转区选用非结构化网格进行区分以满意对叶轮内部杂乱区域的网格描绘，各块网格经过块之间的交界面拼接在一起。网格总数为30多万个四面体非结构化网格和100多万个六面体结构化网格，旋转区网格如图1所示。

  定解条件包含介质进口、出口和固壁鸿沟的设置。进口处给定相应流量（1200m3/h）下的干流速度值；出口选用压力出口鸿沟条件，出口压力相对大气压为0；进、出口管道内壁，支架均取无滑移固壁鸿沟条件。叶轮部分选用旋转坐标系，给定相应流量下的叶轮转速，将叶片的吸力面和压力面以及轮毂界说为旋转壁面条件，在旋转壁面条件的界说中，依照MRF的要求，将旋转壁面的旋转速度界说为相对速度，并且相对周围流体速度为0。2核算成果剖析2.1压力场剖析流量计全压界说为进口全压与出口全压之差，经过全压剖析能够直接反映外表压损的巨细。全压越大标明流体经过流量计后发生的压损越大，压损过大会导致流量计反常运用。进口全压一守时，出口全压Pout越大，则流量计的全压△P越小，压力丢失越小。如图2（a）和图3（a）所示，35°涡轮出口全压要显着小于45°涡轮出口处的全压，这阐明相同的工况下45°涡轮所发生的压损较小。

  涡轮叶片动压的散布和巨细直接影响涡轮驱动力矩的巨细，35°叶片所受动压显着小于45°叶片所受动压，阐明在相同工况下45°螺旋升角涡轮能取得较大的驱动力矩，如图2（b）和图3（b）所示，与35°涡轮比较，较小的流量就可推进涡轮安稳旋转，然后使外表进入线性作业区。由此可猜测设备45°螺旋角涡轮的外表能取得较小的始动流量。2.2速度场剖析当气体介质以充分发展的湍流经过涡轮时，35°涡轮的速度矢量方向改变较大且向壁面会集，使得与叶片直接效果发生推进力矩的速度矢量削减，如图（4a)所示，且在出口处速度衰减较大，直接阐明介质流经涡轮后压损的添加，如图4（b）所示。而45°涡轮内部的速度矢量散布比较均匀，过流性较好，与叶片直接效果的速度矢量较多，发生较大的驱动力矩，如图（5a)所示，且在出口处速度衰减较小，如图（5b)所示。

  3试验比照气体涡轮流量计的检定选用负压检测的新办法，如图6所示，由规范吸风设备发生负压使规范罗茨流量计和被检定的气体涡轮流量计一起丈量，设备在被测外表两头取压口处的U型管能够丈量流量计进、出口处的压力，然后得到外表的压力丢失。运用黄金分割法选取0～1200m3/h规模8个流量点，在每一个流量点随机收集3组不一起刻的数据，包含规范罗茨流量计和被检定流量计的累积流量及其输出脉冲数，对每组数据来进行算术均匀得到流量点处的均匀外表系数。经过收集U型管压差设备的指示值记载每个流量点处的压力丢失，检定成果如表2所示。

  运用多项式插值对表2中的数据来进行密化，得到20组插值数据，经过3次B样条拟合得到外表系数曲线和压力丢失曲线。始动流量以外表系数进入线性区的最小流量来确认，在小流量区内设备45°螺旋升角涡轮的流量计在流量20m3/h左右即进入线°螺旋升角涡轮的流量计则在流量150m3/h左右时才进入线性作业区，并且在线性作业区内也存在着显着的动摇，如图7所示.

  35°涡轮流量计在各工况点处的压损显着大于45°涡轮流量计，最大压损到达3500Pa以上，如图8所示。上述剖析标明设备45°螺旋升角涡轮的流量计与设备35°螺旋升角涡轮的流量计比较具有较小的始动流量，较小的压力丢失，并且外表计量的线性度较好。

  4定论对螺旋升角为35°和45°的气体涡轮流量计旋转部件内流场进行数值模仿，剖析描绘其内部活动的压力场和速度场，设备45°螺旋升角涡轮的流量计比设备35°螺旋升角涡轮的流量计具有较小的始动流量和压力丢失。运用黄金分割法选取外表流量规模内的检定点，经过外表负压检定渠道取得了外表系数曲线和压力丢失曲线，与数值仿真中的猜测相吻合，标明数值模在流量计功能猜测中的有效性。涡轮叶片的螺旋升角是影响外表功能的要害参数，合理挑选涡轮的叶片螺旋升角，可进一步改进外表的功能。