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小口徑旋進旋渦流量計的結構優化
发布时间:2021-2-4 08:24:37

摘要:根據已有的DN25旋進旋渦流量計的結構參數,設計了DN20小型旋進旋渦流量計,而后借助ANSYSFluent流体仿真对DN20小型旋進旋渦流量計进行了结构与流场关系的研究。通过正交试验,获得了DN20小型流量计不同结构的内部流场及其信息,分析了流量计工作范围内旋涡规律和流量之间的关系;进一步更换不同测量横截面,查看压力场及其变化规律,与原结构方案的测量截面进行比较,选定最优测量截面与测量点,为DN20流量计产品研发提供了理论依据。
0引言
  旋進旋渦流量計是根據旋渦進動現象設計的一種流體振蕩式流量計,具有流量範圍寬、無可動部件、不易腐蝕、可靠性高、安裝使用方便、直管段要求短等優點,適用于石油、蒸汽、天然氣、水等多種介質的流量測量[1]。20世紀70年代,對旋進旋渦流量計性能進行了比較全面的實驗研究,驗證了此流量計線性輸出特性,同時發現此流量計不易受介質粘度和密度影響,指出旋進旋渦流量計在高壓氣體測量方面的商業應用前景。對旋進旋渦流量計做了實際工況下的儀表特征測試,探索該流量計在計量領域應用的可行性。
  對于旋進旋渦流量計內部流動特性及流量計改進方面,科研人員也進行了一定的探索,彭傑剛等人[4]對旋進旋渦流量計內部流場進行了數值模擬分析,研究了旋渦流量計內部流場的演變情況,分析了流場幹擾對旋進旋渦流量計流場進動效應的影響。何馨雨等人[5]對旋進旋渦內部流場進行了數值模擬分析,獲得了比較全面的流場信息,對這種流量計的內部流動特性有了更加深入的理解。
旋进漩涡流量计结构原理图示
  目前,针对旋进旋涡流量计,特别是小型和微型流量计还存在流量计低流量工况条件下测量不准确、过程不稳定的问题,开发小型流量计,相较于普通流量计需要在结构上做出改进和优化。比如,可采用导流片来降低压损,提高流量计的性能。本文着重考虑对小型旋進旋渦流量計的起旋角、收缩角和收缩比进行优化研究,从而为进一步开发和定型小型流量计提供理论上的支持。
1旋進旋渦流量計工作原理[6]
  旋進旋渦流量計主要由起旋器、文丘裏管、消旋器和檢測傳感器組成,其結構原理如圖1所示。
  旋進旋渦流量計是基于旋涡进动现象工作的。流体流入旋进旋涡流量计后,首先通过一组由固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强制旋转,使流体形成旋涡,旋涡中心为“涡核”是流体旋转运动速度很高的区域,其外围是环流。流体流经收缩段时旋涡加速,沿流动方向涡核与流量计的轴线相一致。当进入扩大段后,旋涡急剧减速,压力上升,中心区域的压力比周围压力低,于是产生了局部回流;在回流作用下,涡核开始像刚体一样围绕中心轴在扩张段壁面做螺旋进动。其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。
2模型建立與計算
2.1仿真模型的建立
  根據現有的實物模型使用NX建立仿真模型,根據測繪得出DN25旋進漩渦流量計重要尺寸:進出口直徑爲25mm,收縮比爲1.25,收縮段夾角爲12°,起旋器葉片夾角爲42°,擴張段夾角爲60°,建立如圖2所示三維模型。

  再根据实物参数建立好的DN25旋进旋涡流量计模型的基础上进行修改,得到DN20小型旋進旋渦流量計模型。DN20旋进旋涡流量计具体结构尺寸数据如下:进出口直径为φ20mm,收缩段夹角为12°,起旋器叶片入射角为42°,收缩比为1.25(喉部直径为φ16mm),扩张段夹角为60°,结构尺寸如图3所示。

2.2流體力學控制方程和湍流模型
  旋進旋渦流量計的流体动力特性,可以用流体力学基本方程进行描述。
  連續性方程和動量方程:

式(1)、式(2)中:p——靜壓;ui——流動速度;f——質量力;τij——應力質量。

  流量計內部爲湍流流動,需引入湍流模型,標准的K-Epsilon湍流模型用于強旋流或帶有彎曲壁面的流動時,會出現一定的失真,因此本文選用RNGk-?湍流模型。湍流模型和相關方程在文獻[5]中有詳細說明。
3K值系數的確定
3.1不同流量下的K值系數
  DN20小型旋進旋渦流量計的范围为2.5m3/h~25m3/h,分别选择25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h,作为仿真计算的进出口流量,出口的相对压力设为0Pa,壁面为无滑移边界。先常定计算,然后在常定计算的基础上进行非常定计算。
  选取上述4组仿真的同一截面的同选定一测量点,分别计算点的压力变化频率与压差,从而判断不同流量下DN20小型旋進旋渦流量計的性能优劣。
  截面取喉部(擴張段前截面處),截面上節點位置距離壁面3mm,具體位置如圖4所示。不同流量下的節點的壓力變化雲圖如圖5所示。

  根據圖5數據,整理可得到以下數據:流量爲25m3/h時,0.002s內壓力變化約爲3.9次,頻率爲1950Hz,換算得K此時K系數約爲281000;流量爲12.5m3/h時,0.005s內壓力變化約爲4.5次,頻率爲900Hz,換算得K此時K系數約爲259366;流量爲5m3/h時,0.02s內壓力變化約爲6.5次,頻率爲325Hz,換算得K此時K系數約爲233981;流量爲2.5m3/h時,0.1s內壓力變化約爲17次,頻率爲170Hz,換算得K此時K系數約爲244957。
  根據上述數據整理可得:平均K系數值約爲254825。
  以上数据存在以下问题:当测量低流量(2.5m3/h)时,出现压差减小,压力变化的范围不大,涡核转动幅度减小,脉动效应不明显,不利于传感器的测量。针对此问题,本文对DN20小型旋進旋渦流量計进行结构优化,以提高流量计在测量低流量时的测量精度。
3.2針對小流量測量的結構優化
  參考相關論文[7],影響流量計儀表精度與最小測量流量的3個相關因素爲:收縮段角度、起旋器入射角和喉部直徑(收縮比)。
  仿真實驗選用三因素三水平正交實驗,三因素分別爲:起旋角、收縮角和收縮比。起旋角對應的三水平爲40/42/45,收縮比對應的三水平爲(20:17)/(20:16)/(20:15),收縮角對應的三水平爲13/12/11。綜合考慮所有的因素要實驗27次,而正交實驗只要選取9組關鍵實驗,表1爲正交實驗表。

  依照三因素三水平正交實驗表,按順序進行正交實驗,得到不同情況下的相同時刻的截面壓力雲圖如圖6所示,截面壓力的變化圖如圖7所示。圖片按實驗序號一一對應。、


  由正交實驗所得到的數據可知,模型六與模型九在低流量的情況下仿真,壓力變化明顯,壓力變化幅度較原模型顯著提高,脈動效應明顯,即相較于原模型得到優化。
3.3確定最優模型
  爲了進一步驗證模型參數的優化情況,選擇最優模型,分別取不同的進口流量,對模型六與模型九進行仿真實驗,計算對應的頻率和K系數值。
  考慮到原模型的流量範圍在2.5m3/h~25m3/h,頻率爲150Hz~1500Hz,此次仿真實驗取對應的進口流量爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
  模型六不同進口流量的對應壓力變化圖如圖8所示。根據4組仿真實驗所得數據,得到模型六的頻率輸出範圍約爲162Hz~2100Hz,K值平均爲279845,較原模型提高約27%。

  模型九不同進口流量的對應壓力變化圖如圖9所示。根據4組仿真實驗所得數據,得到模型九的頻率輸出範圍約爲200Hz~2350Hz,K值平均爲322343,較原模型提高約46%。

  根據所有相關數據得出結論:模型九相較于模型六有更好的優化效果。因此,選取模型九做爲最優模型
3.4測量點的選定
  由于流量計的脈動複雜性,在管道內部對流場壓力測量點的選取至關重要。爲了選擇最優測量點,對整個模型進行仿真實驗,根據以往經驗,選取喉部附近不同的8個位置進行相應的測量,查看對應的壓力變化,從而判斷最優的測量點。本次仿真實驗選擇的8個測量點的位置如圖10所示。

  在低流量2.5m3/h仿真環境下,選擇如圖10所示的8個不同節點,比較壓力變化幅度及峰值的變化。由上述實驗知模型九優化效果最好,所以選用模型九做爲本次仿真實驗的仿真模型,圖11爲各個不同節點的壓力變化圖,其中a、b、c、d、e、f、g和h與圖10上節點一一對應。
  由于脈動信號的拾取是通過壓力傳感器測得,在傳感器測量條件一定的情況下,壓力幅值變化越大越容易測量。由圖11所得數據可知,c點和d點的壓力幅值與極值大于其他測量點,有利于壓力傳感器的檢測,綜合所有實驗的壓力截面圖判斷,確定最優的檢測點在距離喉部末端約0mm~1mm,且距壁面2mm~4mm處。

4結語
1)本文根据DN25旋进旋涡流量计实物模型,绘制出DN20小型旋進旋渦流量計,借助ANSYSFluent对DN20小型旋進旋渦流量計进行仿真实验,获得了DN20小型流量计不同结构的内部流场及其信息,分析了流量计工作范围内旋涡规律和流量之间的关系,综合分析后确定其K值系数。
2)根據DN20微型旋進旋渦流量計在小流量工況下的壓力變化情況,優化了其結構,確定起旋角爲45°、收縮比爲20:15、收縮角爲12°時,可有效解決DN20微型旋進旋渦流量計對小流量的測量不精確的問題。
3)本文在优化模型的基础上,根据同一流量下的压力变化情况,综合所有实验,确定了DN20小型旋進旋渦流量計的最优测量点,为DN20小型流量计开发提供了理论依据。
4)在上述仿真研究和DN20建模的基礎上,依次制作了DN20小型流量計3D打印樣機,通過測試其實際K系數在小流量段基本接近理論值,結果表明本文流量計的性能達到了開發預期。

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