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常州市瑞明儀表廠
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閱讀：165發(fā)布時間：2022-10-10
汽油渦輪流量計應(yīng)用
汽車用渦輪流量計葉片造型的優(yōu)化方案，軸向型渦輪流量計因其諸多優(yōu)點，不僅被廣泛地應(yīng)用于源水和供水系統(tǒng)凈水流量的測量中，而且在石油，有機液體，無機液，液化氣，天然氣和低溫流體等測量對象中也獲得廣泛應(yīng)用[1]。汽車用渦輪流量計的流體工作流速小，工作口徑小，因此渦輪葉片的尺寸造型參數(shù)的變化會引起流量計的性能高低發(fā)生較大的變化，亦即關(guān)系到流量計的計量精度。本文提出的是對渦輪流量計的造型參數(shù)進行多組有限元仿真后，得到的渦輪造型的過程，以流體對葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果為依據(jù)，提出渦輪葉片造型的優(yōu)化方案，提高車用流量計的計量精度。
2 流體力學(xué)有限元分析法概述
2.1 連續(xù)方程
在直角坐標系（x，y，z）中，連續(xù)方程為：
上式中的項密度變化可用壓力變化替代
式中：β—大數(shù)（如1015）。該式說明在不可壓流中壓力波以無窮大速度傳播；流體模型為不可壓縮流，其流體方程的基本形式如上。
2.2 ANSYS軟件的采用
利用美國ANSYS股份有限公司開發(fā)的計算流體動力學(xué)有限元分析軟件ANSYSCFX能夠計算該渦輪流量計的內(nèi)流場，對葉片表面壓力積分就能得到渦輪葉片所受到的液力和扭矩。
3 流量計葉輪及管道的有限元仿真
3.1 有限元模型的建立
對于渦輪流量計的ansys建模：由于要分析管道內(nèi)的流體，以及流體對于渦輪葉片的作用力以及產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，所以把流量計建模為一道長直圓柱管道，渦輪葉片的位置處于前后連接管中間的殼體中點處；整個模型的建立對象為流量計中的流體，網(wǎng)格面為流體流經(jīng)的端面，基于此模型便可進入CFX進行計算，得到的結(jié)果就是流量計中流體的運動場與壓力云圖等相關(guān)數(shù)據(jù)。在Catia軟件中進行模型的初步建立，而后導(dǎo)入Ansys中進行進一步處理完成，如圖2所示。
3.2 流體域的創(chuàng)建
在流體CFD分析過程中，首先要創(chuàng)建流體的流進，流出以及壁的域；針對此模型，需要創(chuàng)建inlet域，位于前連接管的端面；還有outlet域，位于后連接管的端面；管道的壁劃為一個wall域，另外流體經(jīng)過渦輪的葉片，所以渦輪葉片也劃分為一個wall域。具體劃分情況，如圖3所示。
3.3 CFX網(wǎng)格的劃分
劃分流體網(wǎng)格之前要經(jīng)過很多設(shè)置，在ANSYSWorkBench之中打開已導(dǎo)入的模型，并劃分完畢流體域之后，就要開始對網(wǎng)格的劃分進行設(shè)置：結(jié)合渦輪葉片的外徑為12mm的尺寸要求，在Mesh的下拉菜單里，點SPACing的DefaultBodySpacing，并設(shè)置MaximumSpacing的數(shù)值為1.35，采用的是金字塔形的單元格劃分，如圖4所示。接著對DefaultFaceSpacing的相關(guān)詳細參數(shù)等分別進行設(shè)置，設(shè)置完畢后，生成cfx體網(wǎng)格。
3.4 邊界條件的設(shè)置
按照流體有限元分析的一般方法，須設(shè)置入流參數(shù)，出流參數(shù)，以及流體壁的參數(shù)等。對于此模型，共有4個邊界條件需要設(shè)置，入口處的in域設(shè)為inlet，出口的out域設(shè)為outlet，流體的壁設(shè)為wall，渦輪葉片表面也設(shè)為wall，流體從in處流入，從out處流出，如圖5所示。Inlet處流體速度設(shè)置為流量計要求的一般油速，公共汽車汽油流速平均為0.0369m/s，區(qū)域為整個入流端面“in"。Outlet處設(shè)置成wall，區(qū)域為整個流出端面“out"。再限制模型的圓柱體管道壁和渦輪葉片壁為wall即可。
進入quicksetup設(shè)定各個邊界條件的詳細參數(shù)，流體屬性在此采取簡單流體，并采取油的密度和黏度屬性，模擬油的流動過程；入口處邊界參數(shù)設(shè)置，如圖6所示。
3.5 分析結(jié)果
以上設(shè)置完畢后，進入CFX-Solver得到有限元分析的結(jié)果，可以得到流體的流動速度圖，并計算出流體對葉片造成的轉(zhuǎn)矩，如圖7、8所示。
在綜合各個葉片加工角度以及葉片數(shù)目的仿真結(jié)果后發(fā)現(xiàn)6葉片的轉(zhuǎn)矩普遍較大并且適合口徑要求，因此得出以下的6葉片葉輪轉(zhuǎn)矩曲線圖8，粗略的以5度為單位從10°計算到50°，以此圖來看，（15～25）°之間屬于轉(zhuǎn)矩較大值的分布區(qū)間，我們考慮到液體工作狀況下渦輪葉片傾角25°以下葉片重疊度太大，相應(yīng)葉輪表面積增大，粘性摩擦阻力矩影響增大，造成渦輪葉片容易受損，因此理想的加工傾角取25°附近。
圖8 各種角度下的轉(zhuǎn)矩數(shù)值
由于螺旋葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)是與多種因素縱橫相關(guān)的，測量管道中流體的流動狀態(tài)又極其復(fù)雜，要從理論計算上找出參數(shù)值是非常困難的；根據(jù)汽車用渦輪流量計的流量小，管道直徑小的特殊工況要求，在前人對渦輪流量計精度研究的基礎(chǔ)上，提出了一套利用有限元仿真來幫助改進流量計精度和性能的方法，較為簡便直接，從而有針對性的提高了此類流量計的計量精度。
完成的工作有兩點：（1）完成對流量計中流體的有限元建模過程。（2）完成流體的有限元仿真，計算得出葉片工作時受到的轉(zhuǎn)矩值大小。
通過多組仿真數(shù)據(jù)的綜合對比，最后取25度附近的加工角度為加工角度，為汽車用渦輪流量計最關(guān)鍵部分--渦輪葉片的造型參數(shù)提供了寶貴的參考。
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