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用涡轮流量计涡轮叶片造型的优化方案
发布日期:2017-09-04 09:42
 
涡轮流量计涡轮叶片造型的优化方案
   轴向型涡轮流量计因其诸多优点,不仅被广泛地应用于源水和供水系统净水流量的测量中,而且在石油,有机液体,无机液,液化气,天然气和低温流体等测量对象中也获得广泛应用[1]。汽车用涡轮流量计的流体工作流速小,工作口径小,因此涡轮叶片的尺寸造型参数的变化会引起流量计的性能高低发生较大的变化,亦即关系到流量计的计量精度,本文提出的是对涡轮流量计的造型参数进行多组有限元仿真后,得到最佳的涡轮造型的过程,以流体对叶片产生的转矩仿真结果为依据,提出涡轮叶片造型的优化方案,提高车用流量计的计量精度。
    2 流体力学有限元分析法概述
    2.1 连续方程
    在直角坐标系(x,y,z)中,连续方程为:
    上式中的第一项密度变化可用压力变化替代
    对于不可压缩流
    式中:β—大数(如1015)。该式说明在不可压流中压力波以无穷大速度传播;流体模型为不可压缩流,其流体方程的基本形式如上。
    2.2 ANSYS软件的采用
    利用美国ANSYS股份有限公司开发的计算流体动力学有限元分析软件ANSYSCFX能够计算该涡轮流量计的内流场,对叶片表面压力积分就能得到涡轮叶片所受到的液力和扭矩。
    3 流量计叶轮及管道的有限元仿真
    3.1 有限元模型的建立
    对于涡轮流量计的ansys建模:由于要分析管道内的流体,以及流体对于涡轮叶片的作用力以及产生的转矩,所以把流量计建模为一道长直圆柱管道,涡轮叶片的位置处于前后连接管中间的壳体中点处;整个模型的建立对象为流量计中的流体,网格面为流体流经的端面,基于此模型便可进入CFX进行计算,得到的结果就是流量计中流体的运动场与压力云图等相关数据。在Catia软件中进行模型的初步建立,而后导入Ansys中进行进一步处理完成,如图2所示。
    3.2 流体域的创建
    在流体CFD分析过程中,首先要创建流体的流进,流出以及壁的域;针对此模型,需要创建inlet域,位于前连接管的端面;还有outlet域,位于后连接管的端面;管道的壁划为一个wall域,另外流体经过涡轮的叶片,所以涡轮叶片也划分为一个wall域。具体划分情况,如图3所示。
    3.3 CFX网格的划分
    划分流体网格之前要经过很多设置,在ANSYSWorkBench之中打开已导入的模型,并划分完毕流体域之后,就要开始对网格的划分进行设置:结合涡轮叶片的最大外径为12mm的尺寸要求,在Mesh的下拉菜单里,点Spacing的DefaultBodySpacing,并设置MaximumSpacing的数值为1.35,采用的是金字塔形的单元格划分,如图4所示。接着对DefaultFaceSpacing的相关详细参数等分别进行设置,设置完毕后,生成cfx体网格。     
    3.4 边界条件的设置
    按照流体有限元分析的一般方法,须设置入流参数,出流参数,以及流体壁的参数等。对于此模型,共有4个边界条件需要设置,入口处的in域设为inlet,出口的out域设为outlet,流体的壁设为wall,涡轮叶片表面也设为wall,流体从in处流入,从out处流出,如图5所示。Inlet处流体速度设置为流量计要求的一般油速,公共汽车汽油流速平均为0.0369m/s,区域为整个入流端面“in”。Outlet处设置成wall,区域为整个流出端面“out”。再限制模型的圆柱体管道壁和涡轮叶片壁为wall即可。
    进入quicksetup设定各个边界条件的详细参数,流体属性在此采取简单流体,并采取油的密度和黏度属性,模拟油的流动过程;入口处边界参数设置,如图6所示。
    3.5 分析结果
    以上设置完毕后,进入CFX-Solver得到有限元分析的结果,可以得到流体的流动速度图,并计算出流体对叶片造成的转矩,如图7、8所示。 
    在综合各个叶片加工角度以及叶片数目的仿真结果后发现6叶片的转矩普遍较大并且适合口径要求,因此得出以下的6叶片叶轮转矩曲线图8,粗略的以5度为单位从10°计算到50°,以此图来看,(15~25)°之间属于转矩较大值的分布区间,我们考虑到液体工作状况下涡轮叶片倾角25°以下叶片重叠度太大,相应叶轮表面积增大,粘性摩擦阻力矩影响增大,造成涡轮叶片容易受损,因此理想的加工倾角取25°附近。     
    由于螺旋叶轮的结构参数是与多种因素纵横相关的,测量管道中流体的流动状态又极其复杂,要从理论计算上找出最佳参数值是非常困难的;根据汽车用涡轮流量计的流量小,管道直径小的特殊工况要求,在前人对涡轮流量计精度研究的基础上,提出了一套利用有限元仿真来帮助改进流量计精度和性能的方法,较为简便直接,从而有针对性的提高了此类流量计的计量精度。
    完成的工作有两点:(1)完成对流量计中流体的有限元建模过程。(2)完成流体的有限元仿真,计算得出叶片工作时受到的转矩值大小。
    通过多组仿真数据的综合对比,最后取25度附近的加工角度为最佳加工角度,为汽车用涡轮流量计最关键部分--涡轮叶片的造型参数提供了宝贵的参考。

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