氣體渦輪流量計旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)流場模擬 發(fā)布時間：2018-02-01
0引言 氣體渦輪流量計是計量天然氣、液化氣、煤氣等介質(zhì)的速度式儀表[1-2]。為了改善氣體渦輪流量計的性能，為設(shè)計提供指導(dǎo)和方向，近年來一些學(xué)者利用CFD技術(shù)對其內(nèi)部流場進(jìn)行了研究。LavanteEV等[3]利用FLUENT對氣體渦輪流量計內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果解釋實驗過程中的現(xiàn)象。對前導(dǎo)流器引起的流量計壓力損失進(jìn)行數(shù)值計算和實驗測量，從流動機(jī)理上解釋了結(jié)構(gòu)和壓損之間的關(guān)系。LIZhifei等[6]利用數(shù)值模擬得到了導(dǎo)流器內(nèi)部的速度場和壓力場，并以減小壓力損失為目標(biāo)優(yōu)化了導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)。通過對氣體渦輪流量計進(jìn)行CFD仿真，研究不同流量下的壓損值，并通過實驗證明了數(shù)值模擬的有效性。對渦輪傳感器內(nèi)部的速度場和壓力場進(jìn)行了數(shù)值仿真，提出對前后導(dǎo)流器、葉輪葉片形狀和頁頂間隙的改進(jìn)。 上述研究中未涉及針對不同螺旋升角渦輪內(nèi)流場的數(shù)值模擬，以及渦輪葉片螺旋升角的改變對儀表性能影響的研究。本文對安裝35°和45°葉片螺旋升角渦輪的DN150型氣體渦輪流量計的內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬結(jié)果預(yù)測儀表的始動流量和壓力損失，并利用實驗證明預(yù)測的正確性，為渦輪葉片螺旋升角的進(jìn)一步優(yōu)選提供數(shù)值方法。 1數(shù)學(xué)模型及邊界條件 利用FLUENT軟件對渦輪內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬時，忽略天然氣的密度變化，在0～1200m3/h內(nèi)，介質(zhì)流動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速（即馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.3），認(rèn)為流體不可壓縮，且假設(shè)流動中無熱量交換，不考慮能量守恒方程。 1.1微分控制方程 氣體渦輪流量計內(nèi)部流動為湍流黏性流動，滿足連續(xù)性方程和黏性流體運動方程。 基本微分方程[9]： 連續(xù)性方程： 1.2 湍流模型選擇由于雷諾應(yīng)力項的加入使時均N-S方程不封閉，為了求解引入k-ε兩方程湍流模型。兩方程湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可實現(xiàn)的k-ε模型。其中，RNGk-ε模型主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動問題，在大范圍的湍流模擬中有較高的精度。該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬各種復(fù)雜流動，其中湍流黏度由下式確定： 1.3網(wǎng)格劃分與定解條件 根據(jù)流量計的實際工況分別在介質(zhì)入口和出口處添加10倍管徑的直管段，并把整個模型剖分為3個區(qū)域：入口管道，旋轉(zhuǎn)區(qū)，出口管道。旋轉(zhuǎn)區(qū)域又細(xì)分為渦輪轉(zhuǎn)子和支架定子兩個區(qū)域，定子和轉(zhuǎn)子之間的耦合采用多參考MRF(MultipleReferenceFrame)模型。利用GAMBIT前處理模塊對進(jìn)、出口直管段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對旋轉(zhuǎn)區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分以滿足對葉輪內(nèi)部復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)格描述，各塊網(wǎng)格通過塊之間的交界面拼接在一起。網(wǎng)格總數(shù)為30多萬個四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和100多萬個六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格如圖1所示。 定解條件包括介質(zhì)入口、出口和固壁邊界的設(shè)置。入口處給定相應(yīng)流量（1200m3/h）下的主流速度值；出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力相對大氣壓為0；進(jìn)、出口管道內(nèi)壁，支架均取無滑移固壁邊界條件。葉輪部分采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，給定相應(yīng)流量下的葉輪轉(zhuǎn)速，將葉片的吸力面和壓力面以及輪轂定義為旋轉(zhuǎn)壁面條件，在旋轉(zhuǎn)壁面條件的定義中，按照MRF的要求，將旋轉(zhuǎn)壁面的旋轉(zhuǎn)速度定義為相對速度，并且相對周圍流體速度為0。 2計算結(jié)果分析 2.1壓力場分析 流量計全壓定義為入口全壓與出口全壓之差，通過全壓分析能夠直接反映儀表壓損的大小。全壓越大表明流體經(jīng)過流量計后產(chǎn)生的壓損越大，壓損過大會導(dǎo)致流量計不能正常使用。進(jìn)口全壓一定時，出口全壓Pout越大，則流量計的全壓△P越小，壓力損失越小。如圖2（a）和圖3（a）所示，35°渦輪出口全壓要明顯小于45°渦輪出口處的全壓，這說明相同的工況下45°渦輪所產(chǎn)生的壓損較小。 渦輪葉片動壓的分布和大小直接影響渦輪驅(qū)動力矩的大小，35°葉片所受動壓明顯小于45°葉片所受動壓，說明在相同工況下45°螺旋升角渦輪能獲得較大的驅(qū)動力矩，如圖2（b）和圖3（b）所示，與35°渦輪相比，較小的流量就可推動渦輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，從而使儀表進(jìn)入線性工作區(qū)。由此可預(yù)測安裝45°螺旋角渦輪的儀表能獲得較小的始動流量。 2.2速度場分析 當(dāng)氣體介質(zhì)以充分發(fā)展的湍流經(jīng)過渦輪時，35°渦輪的速度矢量方向變化較大且向壁面集中，使得與葉片直接作用產(chǎn)生推動力矩的速度矢量減少，如圖（4a)所示，且在出口處速度衰減較大，間接說明介質(zhì)流經(jīng)渦輪后壓損的增加，如圖4（b）所示。而45°渦輪內(nèi)部的速度矢量分布比較均勻，過流性較好，與葉片直接作用的速度矢量較多，產(chǎn)生較大的驅(qū)動力矩，如圖（5a)所示，且在出口處速度衰減較小，如圖（5b)所示。 3實驗對比 氣體渦輪流量計的檢定采用負(fù)壓檢測方法，如圖6所示，由標(biāo)準(zhǔn)吸風(fēng)裝置產(chǎn)生負(fù)壓使標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計和被檢定的氣體渦輪流量計同時測量，安裝在被測儀表兩端取壓口處的U型管可以測量流量計進(jìn)、出口處的壓力，從而得到儀表的壓力損失。 利用黃金分割法選取0～1200m3/h范圍8個流量點，在每一個流量點隨機(jī)采集3組不同時刻的數(shù)據(jù)，包括標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計和被檢定流量計的累積流量及其輸出脈沖數(shù)，對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均得到流量點處的平均儀表系數(shù)。通過采集U型管壓差裝置的指示值記錄每個流量點處的壓力損失，檢定結(jié)果如表2所示。 利用多項式插值對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行密化，得到20組插值數(shù)據(jù)，通過3次B樣條擬合得到儀表系數(shù)曲線和壓力損失曲線。 始動流量以儀表系數(shù)進(jìn)入線性區(qū)的最小流量來確定，在小流量區(qū)內(nèi)安裝45°螺旋升角渦輪的流量計在流量20m3/h左右即進(jìn)入線性工作區(qū)；而安裝35°螺旋升角渦輪的流量計則在流量150m3/h左右時才進(jìn)入線性工作區(qū)，而且在線性工作區(qū)內(nèi)也存在著明顯的波動，如圖7所示. 35°渦輪流量計在各工況點處的壓損明顯大于45°渦輪流量計，最大壓損達(dá)到3500Pa以上，如圖8所示。上述分析表明安裝45°螺旋升角渦輪的流量計與安裝35°螺旋升角渦輪的流量計相比具有較小的始動流量，較小的壓力損失，而且儀表計量的線性度較好。 4結(jié)論 對螺旋升角為35°和45°的氣體渦輪流量計旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析描述其內(nèi)部流動的壓力場和速度場，預(yù)測出安裝45°螺旋升角渦輪的流量計比安裝35°螺旋升角渦輪的流量計具有較小的始動流量和壓力損失。 利用黃金分割法選取儀表流量范圍內(nèi)的檢定點，通過儀表負(fù)壓檢定平臺獲得了儀表系數(shù)曲線和壓力損失曲線，實驗結(jié)果與數(shù)值仿真中的預(yù)測相吻合，表明數(shù)值模在流量計性能預(yù)測中的有效性。 渦輪葉片的螺旋升角是影響儀表性能的關(guān)鍵參數(shù)，合理選擇渦輪的葉片螺旋升角，優(yōu)化結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步改善儀表的性能。
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