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    技術文章  

    渦輪流量計三維流場仿真與優化設計


    發布日期:2022-04-27 點擊:121次
    1葉輪三維模型建立 
      
    渦輪流量計葉輪的運動特性主要受其結構參數、流體粘性系數等影響。為分析小流量渦輪結構的流場特性,設計參數如表1所示葉輪系統,借助UG軟件建立其三維仿真模型;將該三維模型導入ANSYSWork-bench軟件中仿真。 
     
      考慮到葉輪的運動性能是流量計量的核心,仿真中采用小四面體網格。小尺寸窄表面采用局部網格,渦輪旋轉區劃分的網格數約為230萬,整個模型劃分的網格總數為353萬。 
    2.葉輪流場特性分析 
    2.1葉輪速度場分析 
      分別取流量為5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪流場仿真分析,獲得上述流量下葉輪后導流架后端速度矢量圖(圖3(a),(b),(c)所示),可見流體與前導流架前端碰撞產生低速區,靜壓力變大,且隨流量增大而變大,壓力損失明顯;流體進入前導流架后,流速加快,雷諾數增加,湍流強度變大。流體進入葉輪前,先流經葉輪與前后導流架連接的槽,由于槽內流速低,此時流量的速度分布不均,且有強渦流產生;亓鲗~尾端速度矢量圖如圖3(d)所示,流體在后導流架后端出現長尾流,尾流長度隨流量增大而減小。 
     
     
    2.2壓力場分析 
      分析上述三個不同流量時流道內壓力場,發現隨著流量增加,葉輪、導流架上游面形成的靜壓變高,葉片上游面和葉片下游面的壓力隨著流量的增加而減小(如圖4所示),可見,導流架端部的形狀、葉輪與導流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對葉輪穩定旋轉均有明顯影響。 
    3結構優化設計 
    3.1導流架頭部結構設計 
      基于上述CFD仿真分析結果,為有效減小葉輪壓力.損失,將原導流架頭部的球形分別設計橢球型和圓錐形,改進后的導流架頭部尺寸如圖5所示。 
     
    3.2結構優化后葉輪三維流場特性 
      基于上述結構,
    渦輪流量計仿真流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時,不同導流架結構下葉輪速度場,由.圖6可見,圓錐形結構葉輪的高壓低速區面積最小,其次是橢圓形體,球形結構葉輪的高壓低速區面積最大,圓錐形結構能夠有效減少壓力損失,提高流量計的測量精度。在前導流架環狀流動路徑中,圓錐形流體的速度分布最均勻的,橢圓體結構次之,球形結構最差,圓錐結構具有較好的整流效果。 
    流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時,改進后導流架頭部形狀后端形成的尾流如圖7所示。圓錐形結構尾流面積最小,橢球形較小,球形結構尾流面積最大,三種形狀的尾流中均有渦流出現,圓錐形產生渦流最小,壓力損失最小。 
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