1葉輪三維模型建立
渦輪流量計(jì)葉輪的運(yùn)動(dòng)特性主要受其結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體粘性系數(shù)等影響。為分析小流量渦輪結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性,設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示葉輪系統(tǒng),借助UG軟件建立其三維仿真模型;將該三維模型導(dǎo)入ANSYSWork-bench軟件中仿真。
考慮到葉輪的運(yùn)動(dòng)性能是流量計(jì)量的核心,仿真中采用小四面體網(wǎng)格。小尺寸窄表面采用局部網(wǎng)格,渦輪旋轉(zhuǎn)區(qū)劃分的網(wǎng)格數(shù)約為230萬(wàn),整個(gè)模型劃分的網(wǎng)格總數(shù)為353萬(wàn)。
2.葉輪流場(chǎng)特性分析
2.1葉輪速度場(chǎng)分析
分別取流量為5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對(duì)葉輪流場(chǎng)仿真分析,獲得上述流量下葉輪后導(dǎo)流架后端速度矢量圖(圖3(a),(b),(c)所示),可見(jiàn)流體與前導(dǎo)流架前端碰撞產(chǎn)生低速區(qū)，靜壓力變大,且隨流量增大而變大,壓力損失明顯;流體進(jìn)入前導(dǎo)流架后,流速加快,雷諾數(shù)增加,湍流強(qiáng)度變大。流體進(jìn)入葉輪前，先流經(jīng)葉輪與前后導(dǎo)流架連接的槽,由于槽內(nèi)流速低,此時(shí)流量的速度分布不均,且有強(qiáng)渦流產(chǎn)生。回流導(dǎo)葉尾端速度矢量圖如圖3(d)所示,流體在后導(dǎo)流架后端出現(xiàn)長(zhǎng)尾流,尾流長(zhǎng)度隨流量增大而減小。
2.2壓力場(chǎng)分析
分析上述三個(gè)不同流量時(shí)流道內(nèi)壓力場(chǎng),發(fā)現(xiàn)隨著流量增加,葉輪、導(dǎo)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(jiàn),導(dǎo)流架端部的形狀、葉輪與導(dǎo)流架之間凹槽寬度、葉輪面積和形狀對(duì)葉輪穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)均有明顯影響。
3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1導(dǎo)流架頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于上述CFD仿真分析結(jié)果,為有效減小葉輪壓力.損失,將原導(dǎo)流架頭部的球形分別設(shè)計(jì)橢球型和圓錐形,改進(jìn)后的導(dǎo)流架頭部尺寸如圖5所示。
3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化后葉輪三維流場(chǎng)特性
基于上述結(jié)構(gòu),渦輪流量計(jì)仿真流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shí)，不同導(dǎo)流架結(jié)構(gòu)下葉輪速度場(chǎng),由.圖6可見(jiàn),圓錐形結(jié)構(gòu)葉輪的高壓低速區(qū)面積最小,其次是橢圓形體,球形結(jié)構(gòu)葉輪的高壓低速區(qū)面積最大,圓錐形結(jié)構(gòu)能夠有效減少壓力損失,提高流量計(jì)的測(cè)量精度。在前導(dǎo)流架環(huán)狀流動(dòng)路徑中，圓錐形流體的速度分布最均勻的，橢圓體結(jié)構(gòu)次之,球形結(jié)構(gòu)最差,圓錐結(jié)構(gòu)具有較好的整流效果。
流量為Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shí),改進(jìn)后導(dǎo)流架頭部形狀后端形成的尾流如圖7所示。圓錐形結(jié)構(gòu)尾流面積最小,橢球形較小，球形結(jié)構(gòu)尾流面積最大,三種形狀的尾流中均有渦流出現(xiàn),圓錐形產(chǎn)生渦流最小,壓力損失最小。 |
