機械真人AG网址流場的數值優化

摘要:利用數值计算的方法对真人AG网址内的三维湍流流动进行建模和基于N-S方程的仿真分析。數值计算采用k-ε 模型来模拟湍流流动,得到真人AG网址的内部流場三维流动形态,并分析其内部的流动规律、流速和压力分布;以三维湍流仿真的仿真结果为依据,对前导流器进行了優化。结果表明:流线型前导流器能降低整个流量計的压损。
  真人AG网址是速度式流量計的一种,其测量准确度高,复现性和稳定性均好,量程范围宽,量程比可达(10~20):1,线性好,耐高压,压力高,压力损失小,对流量变化反应迅速,因此它被广泛应用于石油、化工、电力、工业锅炉、燃气调压站、输配线管网天然气、城市天然气管网等领域,并已被广泛应用于贸易计算。气体真人AG网址的气体流动是极其复杂且非稳态的,若通过单纯的经验公式理论分析与流量計性能试验研究的常规方法确定其设计参数,难以得到理想的效果。流量計内部流場的流动状况直接决定流量計的性能,因此了解真人AG网址内部流場可以改良和研制高性能真人AG网址产品。国外很早就进行了仿真研究,国内也进行了理论和实验研究。通过CFD仿真研究了切线型真人AG网址;利用數值模拟研究液体粘度对真人AG网址的影响,利用Fluent对真人AG网址的流場进行模拟,分析获得压力场和速度场,全面了解流量計的流場情况,得出指导性和方向性的结果,可以帮助选择性能***佳的方案。本文通过Fluent模拟气体真人AG网址的内部流动,分析其内部的流动现象,获得流量計内部的速度场和压力场,并对前导向器进行優化。

1、真人AG网址的原理:
  真人AG网址主要由壳体、前后导流器、叶轮组件、磁电感应转换器等组成,其原理如图1所示。当被测流体通过流量計时,流体通过导流器冲击渦輪叶片,由于渦輪叶片与流体流向间有一倾角θ,流体冲击力对渦輪产生转动力矩,使渦輪克服機械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动;在力矩平衡后转速稳定,渦輪的旋转角转速与通过渦輪的流量成正比;渦輪转动时,使通过线圈的磁通量发生周期性的变化而产生与流量成正比的脉冲信号。
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2、計算方法與模型選擇簡化:
2.1仿真模型建立與網格劃分:

  根据实际情况,本文选择普通的DN150气体真人AG网址为研究对象。为了消除真人AG网址入口的脉动流,在流量計的入口加了0.5倍长度的直管段,出口也加了1倍长度的直管段。按照仿真模型的结构特点,采用分块建模的方法,将模型域分为前导流件、叶轮、支架、后导流件及前后直管段等6部分。流量計参数如表1所示。
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  根据计算域的复杂程度,前、后导流件及叶轮旋转区域采用四面体非结构化网格,网格数为370 000。支架及前后直管段采用结构化的六面体网格,以节约计算资源,网格数为350 000。网格划分如图2所示。
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2.2、湍流模型的選擇與簡化:
本研究基于的控制方程爲粘性、不可壓縮的N-S方程。
連續性方程爲:

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機械真人AG网址流場的數值優化

  湍流模型采用Reynolds Stress模型不收敛,采用Spalart-Allmaras精度不够,故湍流模型采用标准的k-ε
模型進行仿真。連續性條件通過壓力修正得到滿足。方程的求解方法采用SIMPLE算法,方程離散過程中采用二階迎風格式離散。
針對氣體真人AG网址的流動特點,對模型做如下簡化:由于本文入口邊界爲速度入口且入口速度都小于50m/s,速度的變化對氣體的密度影響很小,因此假定爲不可壓縮流動;將葉輪旋轉部分設定爲相對旋轉坐標系後,流動爲定常。仿真過程邊界條件選擇如下。
入口邊界條件:雖不知道壓力條件但能容易得到入口速度,故選擇速度入口爲:
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  式中:r为管道半径;qv为不同流量点的流量;u为对应流量点的管道平均流量。给定流量点500m3/h,入口速度为7.86m/s。
出口邊界條件:自由出流,其他邊界均爲壁面。采用Fluent中的MRF(多參考系)模型,給定葉輪的旋轉角速度進行計算。數值仿真的介質爲室溫下的空氣。
3、仿真結果及分析:
3.1速度場分析:

(1)速度場沿軸線的分布中心線剖面速度分布如圖3所示。
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  由图3可以看到,真人AG网址内部的速度场近似于中心轴线上下对称,前导流器圆弧型端部中间部分速度明显减小,靠近管壁速度增大。气体进入前导流器后,由于球面中间部分的阻挡,导致靠近圆弧面速度减小,且圆弧面的存在使流动的横截面积减小,环形通道的流速加快。
(2)葉輪進出口截面上的速度分布葉輪進出口截面上的速度分布分別如圖4和圖5所示。
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  从图4可以看出,在叶轮的入口截面上,速度轴对称分布,这是由于所有叶片形状完全相同且成中心对称分布,以及前导流器成中心对称并与叶轮叶片数相同,气流流经叶片时会与叶片迎流面发生碰撞而使得气流速度减小,而背流面气流由于截面减小从而使气流加速。对比图4和图5可以看出,速度场结构非常相似,后者的速度大小明显增大。这主要是因为旋转的叶轮对气流的牵连作用使得圆周方向的速度加大。

3.2、壓力場分布:
中心縱剖面壓力分布如圖6所示。葉輪進出口壓力分布如圖7、圖8所示。
從圖6可以看出,流道的內部壓力逐漸減小。其中,前導流器球面壓損大,環形通道幾乎無壓力損失。其余部分壓力分布比較均勻。
由圖7、圖8可知,葉片迎流面上爲高壓區域;沿著流動方向壓力逐漸降低;葉片壓力面上爲低壓區域,沿著流動方向壓力逐漸增加。在葉片的入口截面上葉片前緣有明顯的壓力過渡,這些均說明葉片迎流面形狀對葉輪旋轉特性有影響。葉片前緣壓力較高,這是因爲氣流在流動時,首先與葉片迎流面的前緣發生碰撞,做功較大的緣故。葉片後緣壓力也較高,是因爲受邊界層的影響。

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4、優化後的流場
分析氣體真人AG网址的內流場後,發現前導流器的結構對流量計的壓損影響***大,爲減小入口氣流對前導向器中心體的碰撞影響,降低進口的壓力損失,對前導向器做如下改進:將圓弧型前導流器改爲流線型。通過對圖中的模型重新進行流態仿真,優化後真人AG网址內部流場較優化前更加均勻穩定。改進前後中心剖面壓力等值線分布如圖9、圖10所示。
機械真人AG网址流場的數值優化從圖9、圖10中可以看出,改進後前導向器的壓力損失更均勻(梯度較小),並使其後各部分的壓損減小,從而降低了真人AG网址整體的壓損。
5、結束語
爲研究真人AG网址測量過程的流態分布,本文優化了內部流道,得到壓力損失小的真人AG网址。通過對原型真人AG网址內部氣體流動規律的分析,得知前導向器的壓力損失不均勻(壓力梯度很大),可以將圓弧型前導向器改爲流線形前導向器,降低真人AG网址的總壓損,從而實現了真人AG网址的氣流通道的優化設計。

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