基于流固耦合的小型旋翼式機(jī)械內(nèi)部水流特性的研究.pdf

1、目前我國正在逐步推行供熱體制改革，對熱量表的需求量極大，目前大多數(shù)熱量表都采用旋翼式基表測量流量，與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)熱量表在測試精度和可靠性方面還存在著一定的差距。為提高熱量表的精度，應(yīng)從基本理論入手研究熱量表基表內(nèi)部的水流特性，分析影響流量測量的相關(guān)因素?；谟?jì)算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的數(shù)值計(jì)算是研究基表內(nèi)水流特性的重要手段，與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，旋翼式熱量表的特點(diǎn)是：1、基表內(nèi)部水溫變化大，要求在5℃-95℃的溫度范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確測

2、量流量；2、熱量表機(jī)芯采用塑料材料制造，塑料的剛度、強(qiáng)度較小，熱膨脹系數(shù)大，并且隨溫度的升高強(qiáng)度和剛度下降，在高溫、大流量水流的沖擊下，熱量表內(nèi)部薄弱部位的彈性變形會影響基表內(nèi)部的水流特性和流量測量特性；3、旋翼式基表的葉輪旋轉(zhuǎn)速度取決于水流特性，是數(shù)值計(jì)算方法需要求解的變量之一。以上特點(diǎn)決定了旋翼式熱量表應(yīng)當(dāng)采用流固耦合模型求解葉輪轉(zhuǎn)速，分析其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的彈性變形對水流特性的影響。 本文采用流固耦合模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在流體區(qū)域采

3、用RNGk-ε湍流模型，分析基表內(nèi)的水流特性；在結(jié)構(gòu)區(qū)域采用有限元方法分析結(jié)構(gòu)的受力和變形，采用ALE描述(任意拉格朗日一歐拉描述)處理固體和流體分界面的位移，流固耦合問題的求解采用迭代方式進(jìn)行。采用流固耦合模型計(jì)算時，既考慮結(jié)構(gòu)在水流沖擊下的受力和變形，也考慮結(jié)構(gòu)變形對流場產(chǎn)生的影響。流固耦合數(shù)值計(jì)算的結(jié)果需用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)在熱量表專用實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時利用稱重法測量流過熱量表的體積流量，采用無磁式信號采集方式測量葉輪旋轉(zhuǎn)速度并算

4、出儀表系數(shù)K。通過將數(shù)值計(jì)算方法得到的儀表系數(shù)K與測量值比較，可以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的有效性。 本文研究了雙流束基表內(nèi)部的水流特性。雙流束基表內(nèi)設(shè)置有分流片，使水流分成兩束，從不同角度沖擊葉輪，驅(qū)使其旋轉(zhuǎn)。葉輪室和分流片的材料采用工程塑料MPPO制造。實(shí)驗(yàn)研究表明，雙流束基表的K系數(shù)隨著流量的增大而增大，并且在80℃的高水溫下K系數(shù)隨流量增大的程度大于25℃水溫下的情況。采用數(shù)值計(jì)算對雙流束基表內(nèi)部的水流特性進(jìn)行了分析，當(dāng)不考慮固體結(jié)

5、構(gòu)的彈性變形時，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示雙流束基表的K系數(shù)不隨流量、水溫變化，基本上是一個定值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，表明不考慮固體結(jié)構(gòu)變形的模型不符合實(shí)際情況。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，雙流束基表的分流片是一個薄弱結(jié)構(gòu)，所選用的MPPO材料的剛度、強(qiáng)度隨溫度的升高而下降，因此認(rèn)為在大流量的沖擊下分流片可能產(chǎn)生明顯變形從而影響了基表的性能，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算需考慮結(jié)構(gòu)變形的影響。采用考慮結(jié)構(gòu)彈性變形的流固耦合模型重新對基表內(nèi)部的水流特性和流量測量性能進(jìn)行研究后，數(shù)值計(jì)

6、算結(jié)果表明，采用MPPO材料制造葉輪室并且分流片結(jié)構(gòu)不合理時，在高溫、大流量水流沖擊下，分流片會產(chǎn)生明顯變形，在80℃水溫、5m3/h的流量下，分流片的水平方向最大變形量可以達(dá)到0.948mm，分流片的變形改變了基表內(nèi)部的水流特性，計(jì)算所得的儀表系數(shù)K隨流量的增大而增大。由于MPPO的剛度隨溫度升高下降，導(dǎo)致在同樣流量下高水溫時分流片的變形量大于低水溫的情況，相應(yīng)地在高水溫時K系數(shù)隨流量的增加值大于低水溫時的情況，這些計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7、一致，表明分流片在大水流沖擊下的變形對基表性能產(chǎn)生了較大影響。 為改善雙流束基表的性能，本文對分流片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增大了分流片的厚度，并改用彈性模量更大的PPS材料制造葉輪室和分流片。改進(jìn)后，經(jīng)流固耦合模型計(jì)算表明分流片的剛度得到了增強(qiáng)，分流片的彈性變形量很小已不足以影響基表的測量性能，K系數(shù)不再隨溫度和流量變化，基本保持為一常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了各種結(jié)構(gòu)因素對基表性能的影響。研究結(jié)果表明，在

8、進(jìn)水口不安裝格柵時，表前直管段長度大于10倍管徑后，表前的旋流等不均勻流動的影響基本消失，完全可以保證熱量表的測量精度；在進(jìn)水口安裝3×3mm規(guī)格的格柵后，表前只需安裝4倍管徑長度的直管段就能夠保證測量精度；改變調(diào)節(jié)肋條的角度可以調(diào)整基表的K系數(shù)值，有利于調(diào)節(jié)不同基表的K系數(shù)，保持流量測量的一致性；葉片的數(shù)量以6片或者7片為佳，葉片數(shù)量少于5片葉輪旋轉(zhuǎn)較慢，多于7片時葉輪轉(zhuǎn)速增加不明顯；葉輪室底部肋片的存在可以起到增強(qiáng)流量測量穩(wěn)定性的作

9、用。壓力損失也是熱量表標(biāo)準(zhǔn)中要求的一項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)熱量表標(biāo)準(zhǔn)[9]的要求，20mm口徑的熱量表在額定流量下的壓力損失不能大于25kPa。數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)雙流束基表的壓力損失符合熱量表標(biāo)準(zhǔn)中的要求，在入水口安裝格柵后的壓力損失為22.26kPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差不大，表明數(shù)值計(jì)算是研究基表內(nèi)部水流特性的有力工具。 本文也對多流束基表內(nèi)的水流特性進(jìn)行了研究。多流束基表在葉輪室沿圓周方向布置了導(dǎo)流片，水流流過導(dǎo)流片后均勻沖

10、擊葉輪驅(qū)使葉輪快速旋轉(zhuǎn)。葉輪室和導(dǎo)流片仍采用工程塑料MPPO制造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在水溫不變時多流束基表的K系數(shù)隨流量的變化很小，當(dāng)水溫變化時基表的K系數(shù)隨水溫升高而增大。采用數(shù)值計(jì)算的方法對多流束基表內(nèi)部的流場進(jìn)行了研究，當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)變形時計(jì)算結(jié)果顯示基表的K系數(shù)不隨水溫變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。而采用考慮結(jié)構(gòu)變形的流固耦合模型實(shí)施計(jì)算時計(jì)算所得的基表K系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明結(jié)構(gòu)變形影響了基表的性能。研究結(jié)果表明在高溫時

11、的熱膨脹是導(dǎo)致多流束基表結(jié)構(gòu)變形的主要原因，而水流的沖擊引起的應(yīng)力和變形都很小，可以忽略。葉輪室導(dǎo)流片的彈性變形導(dǎo)致多流束基表的K系數(shù)隨溫度的升高而增加，必須根據(jù)溫度對K系數(shù)進(jìn)行修正。 采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了多流束基表內(nèi)部的水流特性和測量性能，研究表明多流束基表的性能非常穩(wěn)定，在入水口不安裝格柵時，基表前保留4倍管徑長度的直管段就可以消除入口旋流的影響。數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)還表明多流束基表的壓力損失較大，在額定流量下的壓

12、力損失達(dá)到了28.2kPa，超過了熱量表標(biāo)準(zhǔn)中的要求，必須采取措施降低壓力損失。為降低壓力損失，設(shè)計(jì)了4個開瀉壓孔降低壓力損失的方案，并采用數(shù)值計(jì)算對4個方案的降低壓損的效果進(jìn)行了研究，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明，4個開孔方案都可以使壓力損失降到25kPa以下，但在表前安裝4倍管徑長度的直管段、入水口存在旋流干擾的情況下，在背對入水管位置處開2×8mm長方形孔的方案可以保持測量的穩(wěn)定性，該方案為最佳的開孔降低壓力損失的方案。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比

13、，證實(shí)了數(shù)值計(jì)算的可靠性。 本文的研究給出了結(jié)構(gòu)在水流沖擊和熱膨脹作用下變形并影響流場的流固耦合計(jì)算實(shí)例，采用數(shù)值計(jì)算的方法定量研究了分流片變形對基表測量性能的影響，所采用的模型和計(jì)算方法可以為類似問題提供參考和借鑒，具備一定理論意義。本文深入分析了小型旋翼式流量計(jì)內(nèi)部的水流特性，詳細(xì)研究了影響流量測量精度的各個結(jié)構(gòu)因素，給出了確定的熱量表安裝條件，研究結(jié)果可以用來指導(dǎo)熱量表的設(shè)計(jì)，減少熱量表設(shè)計(jì)中的盲目性和開發(fā)成本，有著很強(qiáng)的