螺翼式地表水下整流器三維數(shù)值模擬

螺翼式地表水下整流器三維數(shù)值模擬

在流量測量領(lǐng)域，表量儀被廣泛應(yīng)用，使用廣泛，是品種和規(guī)格相對完整的流量測量儀表。在水流量測量、貿(mào)易結(jié)算和工業(yè)控制方面發(fā)揮著重要作用。這是現(xiàn)代生產(chǎn)和人民生活中的重要計(jì)量工具。其中，垂直螺旋式地表水是相對較新的地表水。與普通地表水相比，具有良好的性能優(yōu)勢，如探測范圍寬、定動(dòng)流量小、可靠性高、連續(xù)性好等。垂直螺翼式水表應(yīng)用范圍日益廣泛,一般應(yīng)用于大型商業(yè)用水管路和城市供水系統(tǒng)中.該水表對于大流量具有較為準(zhǔn)確的計(jì)量特性,由于流量的增大使得水流流過水表后產(chǎn)生的壓力損失也較大.當(dāng)前國家大力提倡節(jié)能減排,所以降低水表的壓力損失減少輸送端的能源消耗,對于能源的節(jié)約具有較大意義.對此,我們有必要針對水表的幾何結(jié)構(gòu)展開詳細(xì)的研究來減小水表的壓力損失.要減小水表的壓力損失,就需要對水表內(nèi)部每一個(gè)部件的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的研究,掌握其特性,為水表整體的優(yōu)化提供可靠的依據(jù).目前,對于水表內(nèi)部流動(dòng)特性的研究,是建立在實(shí)驗(yàn)科學(xué)基礎(chǔ)之上的;但是,進(jìn)行大量的反復(fù)的實(shí)驗(yàn),研究周期過長,從而延緩了產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度.作為垂直螺翼式水表內(nèi)部主要部件之一的下整流器,其特殊的幾何結(jié)構(gòu)對于壓力損失的產(chǎn)生具有一定的影響,故采用數(shù)值模擬的方法對下整流器展開單獨(dú)研究具有重要意義:可以較快、較好的了解下整流器幾何結(jié)構(gòu)的變化而帶來的壓力損失的影響,根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,而后展開相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的方案,縮短研發(fā)周期,提高研發(fā)效率,為開發(fā)出高質(zhì)量的產(chǎn)品提供有效的方法和依據(jù).目前,張東飛等人采用數(shù)值模擬的方法對均速管流量計(jì)的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究,杜正等人采用數(shù)值模擬的方法對垂直螺翼式水表的內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,姚靈等人對葉輪式水表流量測量的研究提出了一些方法,他們認(rèn)為采用計(jì)算流體力學(xué)中的知識(shí),對水表的內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,來達(dá)到對水表內(nèi)部流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)是較為新穎的方法.杜廣生等人對旋翼式熱量表的基表內(nèi)部流動(dòng)的特性展開了數(shù)值模擬的研究.我們發(fā)現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法對流量儀表的內(nèi)部流動(dòng)展開研究是時(shí)下的一個(gè)熱點(diǎn).上述文獻(xiàn)是對整個(gè)流量儀表的內(nèi)部流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究,并未詳細(xì)研究儀表的單個(gè)零件幾何形狀對壓力損失的影響.為此我們采用數(shù)值模擬方法分別研究三種下整流器幾何結(jié)構(gòu)附近的流場、壓力分布,進(jìn)而分析其幾何結(jié)構(gòu)與壓損特性間的關(guān)系.1數(shù)值模型和數(shù)值解算方法1.1前處理模型的建立利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks根據(jù)二維CAD原始圖紙?jiān)O(shè)計(jì)了垂直螺翼式水表下整流器的三維結(jié)構(gòu)模型,設(shè)計(jì)了三種形狀結(jié)構(gòu)的下整流器如圖1、2、3(分別為:導(dǎo)流體既不開孔也不開槽,導(dǎo)流體開孔不開槽,導(dǎo)流體開孔開槽).同時(shí),將下整流器裝配在直管道中,設(shè)定整流器前后直管道的長徑比均為9,這樣做可以使流入和流出下整流器的流體得到充分發(fā)展.而后將所建模型導(dǎo)入Gambit前置處理器進(jìn)行計(jì)算模型的建立、網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定(圖4),網(wǎng)格劃分采用的是分塊劃分原則,整個(gè)物理模型劃分為三塊,兩端直管段部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,中間整流器部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,最后總網(wǎng)格數(shù)大約為180萬.1.2湍流模型及變量本文求解的各個(gè)算例的流體動(dòng)力特性可以用流體力學(xué)基本方程描述:連續(xù)方程為動(dòng)量方程為式(2)中,p是靜壓,ui和uj是流動(dòng)速度分量,Fi是質(zhì)量力,τij是應(yīng)力張量分量,定義為式(3)中μ是流體的湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),δij是克羅內(nèi)克算子.因本次計(jì)算所涉及到的流量均為湍流流動(dòng),需引入湍流模型.本文采用的湍流模型是Realizablek-ε湍流模型.Realizablek-ε湍流模型為目前工程上使用最為廣泛的湍流模型之一,并且較其它湍流模型計(jì)算更容易收斂且結(jié)果較為準(zhǔn)確.該模型滿足對雷諾應(yīng)力的約束條件,因此可以在雷諾應(yīng)力上保持與真實(shí)湍流一致,可以更精確地模擬各種流動(dòng)(包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)部流動(dòng)、邊界層流動(dòng)和帶有分離的流動(dòng)等).它是兩方程模型,需要求解的變量為湍動(dòng)能k與湍動(dòng)能耗散率ε,它們所滿足的輸運(yùn)方程為其中,Gk為由于平均速度梯度導(dǎo)致的湍動(dòng)能k生成項(xiàng),其表達(dá)式為式(4)(5)中:σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9,,這里的是從角速度為ωk的參考系中觀察到的時(shí)均轉(zhuǎn)動(dòng)速率張量.1.3下整流器入口邊界條件設(shè)計(jì)計(jì)算的流體介質(zhì)是常態(tài)的水,邊界條件具體設(shè)置如下:1)入口采用速度入口邊界條件,速度值固定為圓管中充分發(fā)展湍流的平均速度,流量范圍為10~80m3/h.2)出口邊界條件設(shè)定為壓力出口,壓力值固定為一個(gè)大氣壓.3)管壁及下整流器表面設(shè)為無滑移邊界條件.2分析與討論的結(jié)果2.1下整流器導(dǎo)流體開孔控制根據(jù)計(jì)算結(jié)果,我們在10m3/h的流量下針對三種幾何模型的計(jì)算情況,進(jìn)行了內(nèi)流場信息的截取.截取了下整流器縱向的靜壓等值線圖和速度等值線圖.從圖5a和5c的兩幅靜壓等值線圖可以看出,下整流器導(dǎo)流體上開孔后等值線上同一位置的靜壓值相對于導(dǎo)流體上不開孔有一定降低,根據(jù)不可壓縮一維定常流動(dòng)的伯努利方程可以得到.當(dāng)靜壓值減小后,速度值就會(huì)增大,這樣說明下整流器導(dǎo)流體上開孔后流體所受到的阻礙減小了,流通能力增大了,自然壓損變小了.此外,根據(jù)我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)可以推斷,下整流器導(dǎo)流體上開小孔后,流體通過整流器的截面積增大了,受到的固體阻礙小了,則流體通過下整流器的能量損失自然小了.從圖5c和圖5e的兩幅靜壓等值線圖可以看出,等值線上同一位置的靜壓值沒有什么變化,在圖5e上導(dǎo)流體的底部可以看出靜壓等值線范圍收縮,開槽后整流器底部對流體的沖擊具有一定的緩沖作用.從圖5b、5d和5f三幅速度等值線圖可以看出,開孔后整流器尾部的流動(dòng)情況趨于平穩(wěn),開孔加開槽后的整流器尾部流動(dòng)的平穩(wěn)效果更加明顯,說明導(dǎo)流體上開槽具有一定效果.2.2計(jì)算結(jié)果比較首先針對下整流器導(dǎo)流體未開孔和開孔的情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得到了壓力損失值,計(jì)算結(jié)果如圖6.從圖6的壓損曲線可以看出,在下整流器導(dǎo)流體上既不開孔也不開槽的情況下,計(jì)算所得的壓力損失值最大(圖6中虛線);在下整流器導(dǎo)流體上開孔不開槽的情況下,計(jì)算所得的壓力損失值比前者有一定的降低(圖6中圓點(diǎn)),并且隨著流量的增大,降壓損效果較為明顯.鑒于上述兩種模型的計(jì)算結(jié)果,又計(jì)算了下整流器導(dǎo)流體上開孔加開槽的情況,計(jì)算得到了壓力損失值,并把三種計(jì)算結(jié)果放在一起進(jìn)行比較,如圖7.根據(jù)圖7的壓損曲線可以看出,在下整流器導(dǎo)流體上開孔加開槽的情況下,與前面兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn),下整流器導(dǎo)流體上開孔加開槽比下整流器導(dǎo)流體上開孔不開槽,能微量降低壓力損失,說明導(dǎo)流體前段開槽對降低壓損有輔助作用.通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以看出,在三種設(shè)計(jì)的幾何模型中,下整流器導(dǎo)流體開孔加前端開槽是比較理想的幾何模型.綜上所述,下整流器導(dǎo)流體上開小孔對于降低壓力損失有明顯影響,且導(dǎo)流體前端開槽對于降低壓力損失有一定影響,可以認(rèn)為導(dǎo)流體上開小孔是降低壓力損失的敏感參數(shù)之一.下整流器導(dǎo)流體開孔后,一部分流體能夠無阻礙地順利地通過小孔,流體流通能力得到了提升,壓力損失自然也降低了.圖8給出了下整流器導(dǎo)流體開孔加開槽后在每個(gè)流量點(diǎn)下的降壓損效率,從中可以明顯地看出,隨著流量的增大,降壓損效率逐漸增大較為明