對氣體渦輪流量計中旋渦發(fā)生體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下改進(jìn):將旋渦發(fā)生體的葉片與主軸的夾角由原來的60°減小到45°,將葉片由六片增加到七片。利用FLUENT數(shù)值仿真軟件對改進(jìn)后的氣體渦輪流量計做了數(shù)值仿真計算,對改進(jìn)方案進(jìn)行了驗證,最后在實驗裝置上進(jìn)行了試驗。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果均表明,改進(jìn)后的氣體渦輪流量計壓力損失有了較大幅度的減小,并且在保證壓力損失較小的同時其測量下限也有所降低,克服了氣體渦輪流量計應(yīng)用中的一個不足。

  目前利用流體振動原理設(shè)計的旋渦型流體振動流量計有兩種,即渦街流量計和氣體渦輪流量計。渦街流量計現(xiàn)在已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用,而氣體渦輪流量計由于存在壓力損失較大這一缺點導(dǎo)致其應(yīng)用受到了限制。但氣體渦輪流量計自身的一些特點是渦街流量計所不具備的,例如測量下限較低,所需直管段短,測量精度較高。本文利用FLUENT軟件對氣體渦輪流量計進(jìn)行了數(shù)值仿真研究,提出了改進(jìn)措施,在保證較大量程比的同時降低了氣體渦輪流量計的壓力損失,從而解決了困擾氣體渦輪流量計推廣的一個難題。

　　2　氣體渦輪流量計的工作原理[1,2]

　　固定的旋渦發(fā)生體使軸向流動的流體在進(jìn)入喉部之前附加了一個切向的速度,這樣就產(chǎn)生了連續(xù)的旋渦系列而構(gòu)成了一個旋渦流,稱之為“渦勢”,其中心為旋渦核,外圍為環(huán)流。流體流經(jīng)文丘里管的收縮段時渦流加速,此時渦核直徑沿旋轉(zhuǎn)方向逐漸縮小,而旋渦強度不斷加強。到達(dá)擴張管段時,由于旋渦急劇減速,壓力上升,旋渦中心區(qū)的壓力比周圍底,于是產(chǎn)生了回流。在回流的作用下,旋渦偏離了原來的前進(jìn)方向,迫使像剛體一樣旋轉(zhuǎn)的渦核在擴張管段做類似陀螺的進(jìn)動,旋渦流的進(jìn)動是貼近擴張管段的壁面進(jìn)行并形成旋進(jìn)旋渦的,進(jìn)動頻率與流體的流速成正比,因此,測得旋進(jìn)旋渦的頻率即能反映流速和體積流量的大小。旋進(jìn)旋渦的頻率范圍一般在10~1 500Hz,與流體流量Q有如下比例關(guān)系:

　　3　改進(jìn)方案 

　　目前影響氣體渦輪流量計推廣的關(guān)鍵一點是因為它在使用中的壓力損失(簡稱壓損)過大,而旋渦發(fā)生體是造成這一問題的主要原因。旋渦發(fā)生體的模型如圖2所示。

　　式中:ρ———流體的密度;D1、D2———文丘里管收縮段、擴張段起始位置的截面直徑;α———旋渦發(fā)生體的葉片與主軸夾角。

　　由式(2)可以看出壓損的大小與旋渦發(fā)生體的參數(shù)α有直接關(guān)系,將α減小可以降低壓損值,因此本文提出通過改變旋渦發(fā)生體的導(dǎo)程,將α由原來的60°減小為45°以便達(dá)到降低壓損的目的。但α減小會造成旋渦強度降低,影響壓力傳感器的檢測效果,所以在減小α的同時本文將旋渦發(fā)生體的葉片數(shù)由傳統(tǒng)的六片改為七片以增加旋渦的強度,使測量靈敏度有所提高。

　　4　數(shù)值仿真

　　4.1　FLUENT簡介

　　FLUENT是一個用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件。FLUENT提供了靈活的網(wǎng)格特性,用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù),因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂精度。靈活的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和基于求解精度的自適應(yīng)網(wǎng)格及成熟的物理模型,使FLUENT在層流和湍流、傳熱、化學(xué)反應(yīng)和多相流領(lǐng)域取得了顯著成效。近些年來,FLUENT已經(jīng)應(yīng)用到流量計的研究中來,利用FLU2ENT數(shù)值仿真指導(dǎo)流量計的設(shè)計與優(yōu)化已經(jīng)成為研　　究流量儀表的一種很好的方法[4]。

　　4.2　建立幾何模型

　　在應(yīng)用FLUENT進(jìn)行數(shù)值仿真之前,必須建立物體的幾何模型,并將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。GAMBIT是目前面對FLUENT最理想的構(gòu)造網(wǎng)格模型的前置處理軟件,本文利用GAMBIT對傳統(tǒng)的和改進(jìn)后的氣體渦輪流量計分別進(jìn)行了網(wǎng)格模型構(gòu)建,這樣就可以通過比較仿真結(jié)果來驗證改進(jìn)方案是否起到了優(yōu)化氣體渦輪流量計的目的。

　　4.3　數(shù)值仿真計算

　　利用GAMBIT將網(wǎng)格模型建立好以后,將模型文件導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行仿真計算,管道的直徑D =50mm。計算流程和輸入?yún)?shù)說明如下:啟動FLUENT仿真軟件時選用3d解算器;選擇迭代算法;物質(zhì)屬性和邊界條件分別為:空氣,密度1. 204m3/kg,入口流量值、出口出流;計算區(qū)域初始化:入口的參考壓力選為0。開始進(jìn)行計算。

　　在計算時流速范圍選擇的是10~110m3/h,每隔10m3/h取一個流速點進(jìn)行計算。采用傳統(tǒng)的旋渦發(fā)生體建立的模型進(jìn)行計算,并且用TECPLOT對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如圖3所示。

　　從圖3(a)可以看出旋渦脈動的頻率與流量之間符合線性關(guān)系Q =f/5.641 (線性擬合后可得出相關(guān)系數(shù)為0.999 81,測量范圍10~110m3/h)。通過圖3(b)的結(jié)果可以看出壓損與流量之間的關(guān)系近似為二次曲線,其方程為:

　　采用改進(jìn)的旋渦發(fā)生體的網(wǎng)格模型計算結(jié)果如圖4所示。

　　通過TECPLOT對數(shù)據(jù)結(jié)果處理以后,從圖中可以看出改進(jìn)后的方案旋渦脈動頻率與流量之間符合關(guān)系式Q =f/4.565,此時下限達(dá)到Q =5m3/h。壓力與流量的關(guān)系近似為二次曲線,其方程為:

　　5　實驗結(jié)果及分析

　　將傳統(tǒng)的與改進(jìn)后的氣體渦輪流量計,在某氣體實驗裝置上進(jìn)行了實驗。試驗管道的口徑D =50mm,管道里的流體為空氣,壓力為負(fù)壓,因此壓力損失為大氣壓減去氣體出口壓力,其中大氣壓為101. 325 kPa。試驗結(jié)果如表1、表2、表3、表4所示。由表1、2的實驗結(jié)果可以得到改進(jìn)前儀表系數(shù)為:

　　通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可以看出,改進(jìn)后的氣體渦輪流量計壓損值有了較大幅度的減小,平均壓損系數(shù)降低了34%,說明改進(jìn)后的流量計的性能的確有所提高,雖然與仿真結(jié)果有一定的差距,但下降趨勢是相同的。

　　通過FLUENT數(shù)值仿真結(jié)果,以及實驗數(shù)據(jù)可以看出改進(jìn)后的氣體渦輪流量計的性能得到改善,降低了流量計的壓力損失,克服了壓損大的缺點,這對氣體渦輪流量計的應(yīng)用具有較大意義。