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技術文章

渦輪流量計如何進行建模
發布日期：2023-07-07 點擊：488次
1.幾何模型 
  研究中針對DN32口徑的液體渦輪流量計展開，其機芯內部結構如圖1所示，主要包括前后導向件和葉輪三部分。對渦輪流量計實物的外形尺寸和位置關系等關鍵尺寸進行測繪(表1為渦輪流量計主要尺寸參數)，忽略流量計進出口連接形式等次要因素的影響，繪制三維結構圖如圖2所示。 
 
 
2.流體仿真模型 
  利用Gambit軟件進行幾何建模和網格劃分，為使流動在流量計入口處達到充分發展的流動狀態，分別在流量計的.上游設置10倍長直管段，下游設置5倍直管段。將葉輪所在區域定義為旋轉區域，其余部分定.義為靜止區域，通過interface面將動靜區域進行連接。旋轉區域及結構較復雜的區域采用非結構化網格;直管段等結構較簡單的區域采用結構化網格。 
仿真中選用ReynoldsStress(S-BLS)湍流模型，該模型是最符合物理現象的模型，各向異性，輸運中的雷諾應力可直接計算出來。模型計算時間較長，適合大彎曲流線、漩渦以及三維轉動流動。選用RP-3航空煤油作為流體介質，以實測介質密度和粘度并設置仿真流體參數。設置下游直管段出口為自由出流(out-flow)條件，直管段及流量計殼體為靜止壁面(wall);上游直管段入口為速度入口(velocity-inlet)。 
3.仿真方法 
  渦輪流量計葉輪受到流體沖擊時，對葉輪產生驅動力矩，同時受到各種阻力矩的影響圖3是葉輪所受力矩示意圖。葉輪轉動過程中受到流體對葉片的驅動力矩Td，輪轂側面受到流體粘性阻力矩Th，輪轂端面受到流體粘性阻力矩Tw，葉片頂端受到流體粘性阻力矩Tt，同時葉片輪軸與軸承之間存在機械阻力矩Tb，磁電信號檢出器產生磁電阻力矩Tm。 
 
  式中:J為葉輪轉動慣量;ɷ為葉輪轉動角速度;t為運行時間，Trf為流體阻力矩，Trf=Th+Tw+Tt。 
  采用6DOF模型實現對葉輪6個自由度的控制，包括X，Y，Z方向的移動自由度和圍繞X，Y，Z軸的旋轉自由度。通過DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏文件約束葉輪在X，Y，Z方向上的移動以及圍繞X，Y軸的旋轉，只能圍繞Z軸(流動方向)進行轉動。葉輪三維建模中選用的材質與實際材質相同，即可獲得葉輪的轉動慣量。流體仿真中系統自行計算流體驅動力矩、流體阻力矩，忽略軸承摩擦阻力矩和磁電阻力矩。 
  仿真中通過UDF函數對上游直管段入口流速進行設置，流速通過式(2)和式(3)計算。 
 
  式中:qt為入口瞬時體積流量;q0為體積流量平均值，Q0=16m3/h;A為脈動幅度;ƒ為脈動頻率;t0為脈動流量起始時刻，t0=0.0132s;Vt為瞬時入口速度平均值;Ain為上游直管段入口截面積。 
  仿真初始葉輪轉速為零，根據渦輪流量計葉輪運動方程自動計算和調整旋轉角速度，直到葉輪趨于穩定狀態，仿真中各工況在t,前葉輪轉速已經達到穩定狀態。 
 
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