对气体涡轮流量计中旋涡发生体的结构进行了如下改进:将旋涡发生体的叶片与主轴的夹角由原来的60°减小到45°,将叶片由六片增加到七片。利用FLUENT数值仿真软件对改进后的气体涡轮流量计做了数值仿真计算,对改进方案进行了验证,最后在实验装置上进行了试验。仿真结果与试验结果均表明,改进后的气体涡轮流量计压力损失有了较大幅度的减小,并且在保证压力损失较小的同时其测量下限也有所降低,克服了气体涡轮流量计应用中的一个不足。
目前利用流体振动原理设计的旋涡型流体振动流量计有两种,即涡街流量计和气体涡轮流量计。涡街流量计现在已经得到了较为广泛的应用,而气体涡轮流量计由于存在压力损失较大这一缺点导致其应用受到了限制。但气体涡轮流量计自身的一些特点是涡街流量计所不具备的,例如测量下限较低,所需直管段短,测量精度较高。本文利用FLUENT软件对气体涡轮流量计进行了数值仿真研究,提出了改进措施,在保证较大量程比的同时降低了气体涡轮流量计的压力损失,从而解决了困扰气体涡轮流量计推广的一个难题。
2 气体涡轮流量计的工作原理[1,2]
固定的旋涡发生体使轴向流动的流体在进入喉部之前附加了一个切向的速度,这样就产生了连续的旋涡系列而构成了一个旋涡流,称之为“涡势”,其中心为旋涡核,外围为环流。流体流经文丘里管的收缩段时涡流加速,此时涡核直径沿旋转方向逐渐缩小,而旋涡强度不断加强。到达扩张管段时,由于旋涡急剧减速,压力上升,旋涡中心区的压力比周围底,于是产生了回流。在回流的作用下,旋涡偏离了原来的前进方向,迫使像刚体一样旋转的涡核在扩张管段做类似陀螺的进动,旋涡流的进动是贴近扩张管段的壁面进行并形成旋进旋涡的,进动频率与流体的流速成正比,因此,测得旋进旋涡的频率即能反映流速和体积流量的大小。旋进旋涡的频率范围一般在10~1 500Hz,与流体流量Q有如下比例关系:
3 改进方案
目前影响气体涡轮流量计推广的关键一点是因为它在使用中的压力损失(简称压损)过大,而旋涡发生体是造成这一问题的主要原因。旋涡发生体的模型如图2所示。
式中:ρ———流体的密度;D1、D2———文丘里管收缩段、扩张段起始位置的截面直径;α———旋涡发生体的叶片与主轴夹角。
由式(2)可以看出压损的大小与旋涡发生体的参数α有直接关系,将α减小可以降低压损值,因此本文提出通过改变旋涡发生体的导程,将α由原来的60°减小为45°以便达到降低压损的目的。但α减小会造成旋涡强度降低,影响压力传感器的检测效果,所以在减小α的同时本文将旋涡发生体的叶片数由传统的六片改为七片以增加旋涡的强度,使测量灵敏度有所提高。
4 数值仿真
4.1 FLUENT简介
FLUENT是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。FLUENT提供了灵活的网格特性,用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛精度。灵活的非结构网格和基于求解精度的自适应网格及成熟的物理模型,使FLUENT在层流和湍流、传热、化学反应和多相流领域取得了显著成效。近些年来,FLUENT已经应用到流量计的研究中来,利用FLU2ENT数值仿真指导流量计的设计与优化已经成为研 究流量仪表的一种很好的方法[4]。
4.2 建立几何模型
在应用FLUENT进行数值仿真之前,必须建立物体的几何模型,并将其进行网格划分。GAMBIT是目前面对FLUENT最理想的构造网格模型的前置处理软件,本文利用GAMBIT对传统的和改进后的气体涡轮流量计分别进行了网格模型构建,这样就可以通过比较仿真结果来验证改进方案是否起到了优化气体涡轮流量计的目的。
4.3 数值仿真计算
利用GAMBIT将网格模型建立好以后,将模型文件导入FLUENT软件中进行仿真计算,管道的直径D =50mm。计算流程和输入参数说明如下:启动FLUENT仿真软件时选用3d解算器;选择迭代算法;物质属性和边界条件分别为:空气,密度1. 204m3/kg,入口流量值、出口出流;计算区域初始化:入口的参考压力选为0。开始进行计算。
在计算时流速范围选择的是10~110m3/h,每隔10m3/h取一个流速点进行计算。采用传统的旋涡发生体建立的模型进行计算,并且用TECPLOT对数据进行处理,结果如图3所示。
从图3(a)可以看出旋涡脉动的频率与流量之间符合线性关系Q =f/5.641 (线性拟合后可得出相关系数为0.999 81,测量范围10~110m3/h)。通过图3(b)的结果可以看出压损与流量之间的关系近似为二次曲线,其方程为:
采用改进的旋涡发生体的网格模型计算结果如图4所示。
通过TECPLOT对数据结果处理以后,从图中可以看出改进后的方案旋涡脉动频率与流量之间符合关系式Q =f/4.565,此时下限达到Q =5m3/h。压力与流量的关系近似为二次曲线,其方程为:
5 实验结果及分析
将传统的与改进后的气体涡轮流量计,在某气体实验装置上进行了实验。试验管道的口径D =50mm,管道里的流体为空气,压力为负压,因此压力损失为大气压减去气体出口压力,其中大气压为101. 325 kPa。试验结果如表1、表2、表3、表4所示。由表1、2的实验结果可以得到改进前仪表系数为:
通过对实验数据的分析可以看出,改进后的气体涡轮流量计压损值有了较大幅度的减小,平均压损系数降低了34%,说明改进后的流量计的性能的确有所提高,虽然与仿真结果有一定的差距,但下降趋势是相同的。
通过FLUENT数值仿真结果,以及实验数据可以看出改进后的气体涡轮流量计的性能得到改善,降低了流量计的压力损失,克服了压损大的缺点,这对气体涡轮流量计的应用具有较大意义。
