氣體渦輪流量計計量誤差分析
流量計量是計量科學技術(shù)的重要組成部分之一,它與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學研究有密切的關(guān)系,是貿(mào)易核算、能源管理和對原材料計量等過程中的重要參考,因此對流量計測量準確度和可靠性有很高的要求.渦輪流量計在成品油、原油、天然氣等能源輸送和貿(mào)易結(jié)算計量中是主要測量儀表之一,它屬于速度式流量計,其核心部件是可動的葉輪,設(shè)計時要求它在一定的量程范圍內(nèi)具有較高的精度、長壽命和低壓損.由于目前相關(guān)的理論對實際產(chǎn)品的適應(yīng)性較差,并且相關(guān)的實驗耗時、耗力,從而計算流體力學方法成為近些年***有效的產(chǎn)品設(shè)計和性能優(yōu)化手段.劉正先[1]采用計算流體力學 CFD(computational?。妫欤酰椋悖臁。洌睿幔恚椋悖螅┡c實驗對比方法研究了球形和流線型前整流器壓 損 研 究,并 且 驗 證 了 數(shù) 值 模 擬 正 確 性.Qin等[2]采用變分方法數(shù)值模擬了三維渦輪流量計內(nèi)流場.王江[3]設(shè)計渦輪流量計前導流器后,分析了不同流速下的特性參數(shù),分析出葉輪上游處的流速剖面對計量特性有很大的影響.Xu[4]采用 CFD和實驗分析了渦輪葉片附近流速情況,確定了流量和角度下的葉片徑向力矩.吳海燕[5]首次運用了“速差因子”分析傳感器特性受內(nèi)流場影響,認為采用雙流體模型可以仿真含氣率低于 10% 的氣液兩相的渦輪流量計,并且提出儀表系數(shù)遷移量概念.Lavante[6]采用 CFD 中的滑移網(wǎng)格技術(shù),對具有雙葉輪的渦輪流量計內(nèi)流場進行了二維、三維數(shù)值模擬,得到了葉頂間隙流動情況,并且得出流 體 粘 度 對 葉 輪 轉(zhuǎn) 速 有 很 大 影 響 的 結(jié) 論.López-González等[7]采用 Matlab軟件對氣體渦輪流量計動態(tài)特性進行模擬仿真,結(jié)果與實際動態(tài)特性曲線較為接近.Wang[8]滑移網(wǎng)格技術(shù)對切線型渦輪流量計內(nèi)流仿真分析,得到了不同流量下葉輪的轉(zhuǎn)速.王振[9]對渦輪流量計中介質(zhì)為水和柴油三維內(nèi)部流場進行了仿真研究,發(fā)現(xiàn)了渦輪流量計 內(nèi) 部 設(shè) 計 問 題.鄭 丹 丹[10]等 采 用 CFD方法分析后,提出了前后導流件形狀、葉輪形狀、葉頂間隙改進意見.
4、結(jié)語:
本文在渦輪流量計三維計算模型基礎(chǔ)上,進行網(wǎng)格劃分和指定邊界條件后,采用有限體積法對控 制 方 程 進 行 離 散,通 過 SIMPLEC 算 法 和Realizable k-ε 湍流模型對流量 計 內(nèi) 流 場 進 行 數(shù)值模擬,給出了內(nèi)流場信息,分析了內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)對壓力和速度分布的影響,及其與流量系數(shù)的關(guān)系.結(jié)果表明,在湍流狀態(tài)時的儀表系數(shù) K 為常數(shù),累計流量和瞬時流量的誤差較?。欢趯恿饕约稗D(zhuǎn)捩狀態(tài)時,儀表系數(shù)總是在變化,累計流量和瞬時流量的誤差較大.該研究結(jié)果對渦輪流量計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有一定的指導意義,并且后續(xù)建議加裝整流裝置,以促使層流向湍流狀態(tài)的盡快轉(zhuǎn)捩,并且還要保證葉輪動平衡,從而加大渦輪流量計的量程范圍.
目前,關(guān)于渦輪流量計的研究主要集中于通過優(yōu)化渦輪流量計導流件、葉輪、軸承、非磁電信號檢出器等部件的結(jié)構(gòu)和尺寸及加工工藝,改善流量計測量氣體、高粘度流體和小流量時的特性.然而,關(guān)于流量計在小流量下測量精度較差的問題機理性的分析不多,相關(guān)的優(yōu)化建議基本沒有.因此,本文即對某型號氣體流量計的內(nèi)部流動進行分析,并且分析影響計量精度的因素,以便提出較好的優(yōu)化設(shè)計思路.
1、渦輪流量計的基本結(jié)構(gòu)及工作原理:
本文采用如圖1的 CNiM-TM 系列氣體渦輪流量計軸面示意圖.
圖1 渦輪流量計軸面示意圖
氣體渦輪流量計的核心部件是葉輪,葉片表面上的流體會對其施加一定的力矩,然后葉輪在一定流量qv下可以得到穩(wěn)定的葉輪轉(zhuǎn)動頻率f,即f=Kqv. (1)式中:K—渦輪流量計儀表系數(shù).
2、數(shù)值模擬模型:
2.1、數(shù)學模型:
假設(shè)渦輪流量計中的氣體為有粘、不可壓縮.則連續(xù)性方程
uixi=0. (2)動量方程uit+ujuixj=-pρxi+μuijxjxj+fi. (3)式中:ui—氣體流動速 度,
ρ—氣體密度,
μ—氣體運動粘性系數(shù),fi—力源項.氣體流動處于湍流狀態(tài),
根據(jù)以往的工程經(jīng)驗,
本研究采用 Realizable?。耍?epsilon; 湍流模型:(ρK)t+(ρ珔ujK)xj=xjμ+μtσ( )KKx[ ]j704+PK+Gb-ρε-YM; (4)(ρε)t+(ρ珔ujε)xj=xjμ+μtσ( )εεx[ ]j+ρC1珚Sε-C2ρε2K+槡υε+Cε1εkCε3Gb. (5)式中:Gb—浮力源項,PK—湍動源項,ε—耗散項,
μt—湍流粘性系數(shù)
2.2、網(wǎng)格劃分及求解方法:
通過布爾運算從實體模型中提取流體域,流量計進出口前后均加上10倍口徑的直管段,采用分塊劃分的方法進行網(wǎng)格劃分.直管段部分采用六面體網(wǎng)格,葉輪和其他復雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格.經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后,氣體渦輪流量計算模型的網(wǎng)格數(shù)量確定為220余萬.入口條件采用均勻流速入口,出口采用充分發(fā)展邊界條件;操作環(huán)境壓力為環(huán)境大氣壓力;流量計壁面采用無滑移邊界條件;采用多參考坐標系模型,葉輪所在的區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域,葉輪相對于附近旋轉(zhuǎn)流體速度為零;流動方程的求解采用 SIMPLEC算法,方程中相關(guān)變量二階迎風格式插值方法.
圖2 渦輪流量計網(wǎng)格圖
2.3、數(shù)值計算程序:
驗證按照上述設(shè)置進行仿真計算,可以得到流量計內(nèi)部流場的詳細信息,進而分析得到渦輪流量進出口兩端的截面總壓之差,也就是壓力損失.***后將計算結(jié)果和 實驗結(jié)果進行 了比對 如圖 3 所示.從圖3可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合得較好,從而說明仿真流程的正確性.
驗證按照上述設(shè)置進行仿真計算,可以得到流量計內(nèi)部流場的詳細信息,進而分析得到渦輪流量進出口兩端的截面總壓之差,也就是壓力損失.***后將計算結(jié)果和 實驗結(jié)果進行 了比對 如圖 3 所示.從圖3可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合得較好,從而說明仿真流程的正確性.
圖3 渦輪流量計流量與壓損之間的關(guān)系圖
3、數(shù)值模擬結(jié)果分析:
在流量 計 流 量 范 圍 內(nèi) 選 取 了 6 個 流 量 點(13m3/h、25 m3/h、62.5 m3/h、100 m3/h、175m3/h、250m3/h)進行數(shù)值模擬,得到了氣體渦輪流量計的內(nèi)流場的詳細數(shù)據(jù).
圖4為葉輪表面速度等值線分布圖,此處為了簡單起見僅給出了***小流量和***大流量的數(shù)據(jù)圖.從葉輪表面的速度分布圖可以看出,對于特定轉(zhuǎn)速下的葉輪,其邊緣的速度大于中心處的速度.從壓力分布圖可以發(fā)現(xiàn),由于采用定常的多參考坐標系模型計算,葉輪與壁面的相對位置是固定不變,從而葉輪的12片上的壓力值分布有較大的差異.
圖4 葉輪表面的速度和壓力分布圖
圖5 渦輪流量計截面靜壓分布圖
從圖5 渦輪流量計截面靜壓分布圖可以看出,不同流量下的內(nèi)部靜壓力都具有相似的壓力梯度:流量計內(nèi)部的靜壓力從進口到出口呈現(xiàn)遞減的趨勢;流量計前后直管段的靜壓力梯度較??;葉輪附近的壓力梯度較大,這是壓損產(chǎn)生的主要部位;壓損隨著流量的提高而增大.
圖6 渦輪流量計截面速度分布圖
從圖6中可以了解渦輪流量計內(nèi)部流動的復雜情況,由于葉輪前、后端的整流器存在,小流量時葉輪前后的速度梯度較小,然而在大流量時它們的整流效果較差.根據(jù)數(shù)值計算得到的葉輪表面的速度和壓力分布信息,可以得到葉片任意點的應(yīng)力張量珒σ=-pI+μ[珗u+(珗u)T]. (6)因此,葉片任意點所在面 Ai的法線珗ni方向上的受力珝Fi表達式如下:珝Fi=珒σ·珗ni·Ai. (7)從而可以積分得到葉片受到的氣動力學力矩珤TCG=∑ni=1(珗ri×珝Fi).(8)進而可以得到葉輪的角加速度珗α=珤TCG/J. (9)此處J 為葉輪的轉(zhuǎn)動慣量.上述公式可以用于計算一定流量下的葉輪轉(zhuǎn)速,并且可以看出一定流量下的葉輪轉(zhuǎn)速是逐漸穩(wěn)定下來的,氣動力學力矩對于葉輪的轉(zhuǎn)速有著決定性的影響,而葉輪周圍的氣動性能主要受到 Re 數(shù)和流速、壓力分布的影響.Re數(shù)決定了流體的流動狀態(tài),對于層流下的流量系數(shù) K:K=Z2πtanθrA-C1r2ρ1qv/[ ]η, (10)可以發(fā) 現(xiàn) 層流狀態(tài) 時,儀表系數(shù) K 與流體流 量qv、流體運動粘性系數(shù)η有關(guān).對于湍流下的流量系數(shù) K:K=Z2πtanθrA-C2r[ ]2, (11)可以發(fā)現(xiàn)湍流狀態(tài)時,儀表系數(shù) K 僅與儀表本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),而與流體流量qv、流體運動粘性系數(shù)η無關(guān).式(10~11)中:Z—渦輪 葉 片 數(shù);θ—葉 片 結(jié)構(gòu)角度;r—葉 片 平 均 半 徑;A—流 通 截 面 積;ρ—流體介質(zhì)密度;η—流體介質(zhì)運動粘性系數(shù);C1和C2—常數(shù).904
圖7 渦輪流量計特性曲線示意圖
圖7中虛線為渦輪流量計的理想特性,在所有的流量范圍內(nèi),其累計流量和瞬時流量的誤差為零;圖7中實線為實際特性曲線,湍流狀態(tài)時的儀表系數(shù) K 為常數(shù),此時累計流量和瞬時流量的誤差很小,層流以及轉(zhuǎn)捩狀態(tài)時的儀表系數(shù)總是在變化,此時的累計流量和瞬時流量的誤差偏大.因此,流量計的流道中一定要加裝特殊裝置,以促使層流向湍流狀態(tài)盡快轉(zhuǎn)捩;另外,葉輪周圍的流速和壓力分布會影響葉輪的動平衡效果,使得摩擦力矩總是在變化,從而也會導致累計流量和瞬時流量的偏差.
4、結(jié)語:
本文在渦輪流量計三維計算模型基礎(chǔ)上,進行網(wǎng)格劃分和指定邊界條件后,采用有限體積法對控 制 方 程 進 行 離 散,通 過 SIMPLEC 算 法 和Realizable k-ε 湍流模型對流量 計 內(nèi) 流 場 進 行 數(shù)值模擬,給出了內(nèi)流場信息,分析了內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)對壓力和速度分布的影響,及其與流量系數(shù)的關(guān)系.結(jié)果表明,在湍流狀態(tài)時的儀表系數(shù) K 為常數(shù),累計流量和瞬時流量的誤差較?。欢趯恿饕约稗D(zhuǎn)捩狀態(tài)時,儀表系數(shù)總是在變化,累計流量和瞬時流量的誤差較大.該研究結(jié)果對渦輪流量計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有一定的指導意義,并且后續(xù)建議加裝整流裝置,以促使層流向湍流狀態(tài)的盡快轉(zhuǎn)捩,并且還要保證葉輪動平衡,從而加大渦輪流量計的量程范圍.