双流束旋翼式户用热量表的性能研究

　　1引言

　　我国热量表行业起步较晚,整体技术水平比较落后。热量表的检测精度在很大程度上取决于流量检测基表的精度,测试精度及可靠性低,技术上缺乏相应的基础性研究,尤其缺乏对其内部流场特性的研究,热量表的设计与生产缺乏相应的理论依据和指导。

　　对于旋转机械的三维内流问题的数值计算,主要以水泵、风机、汽轮机等机械的计算为主,其中又以离心泵内部流动数值计算居多。旋翼式户用热量表为小型旋翼式、高精度测量仪表,测量准确,重复性好,整体体积小,内部空间、叶轮与叶轮室内壁间隙狭小,对网格划分的要求比较高,数值模拟有一定难度。

　　本文对DN20型双流束旋翼式户用热量表的基表内部流场进行了数值模拟计算,并通过实验数据进行比较验证。通过计算,模拟显示基表的内部流场,分析叶轮的受力情况,确定流经基表的流量与叶轮转速以及基表前后压损的关系,分析基表内部的关键部件对表内流动的影响,找出相关规律,为基表的设计提供理论依据和指导[122]。

　　2数学模型

　　基表内部构造如图1所示,进水口处分流片为近似三角形的形状,分流片将进水口分成两个通道:一个是收缩通道,一个是扩张通道。收缩通道可以使水流进口速度提高并偏转一定的角度,增大水流动能,推动叶轮按预定方向旋转;扩张通道可以使得水流速度下降,压强升高,以提高叶片背面的压强,两者相辅相成,以保证叶轮正常工作。基表计算模型如图2所示,相对于实物原型作了一定的简化,略去了基表进口处的过滤网以及出口部分的铂电阻探头。为保证数值模拟过程中基表内部流动的稳定性,基表进口处直管段取4倍的管径长度,出口取7倍的管径长度。DN20型双流束旋翼式热量表的流量范围为0.05~5m3/h,实际工况下,基表内部流场大多处于紊流状态,因此,进口处水流状态设为完全发展的紊流状态。

　　计算区域尺寸为:x=-0.17~0.11m,y=0~0.022m,z=-0.0245~0.0245m。

　　2.1基本控制方程[3]

　　连续性方程为:

　　式中:ρ为水的密度,絬为水流速度,上标“-”表示时均量,i、j、k=1、2、3,p为压强,μ为粘性系数。

　　2.2紊流模型方程[3]

　　K方程为:

　　采用K-ε模型求解基表内部流场,控制方程包括上述的连续性方程、动量方程以及K-ε模型方程,要求解的变量有压强、速度以及K、ε。方程组封闭,可以求解。

　　3计算网格划分

　　计算采用固定的三维直角坐标系统,由于计算区域特别是转子部分的结构比较复杂,结构网格生成比较困难,因而计算区域的主体部分采用了对复杂模型适应能力比较强的非结构四面体网格;并在分流片附近以及流动间隙狭小处局部加密网格,以提高计算精度。在进出口加长管道部分采用六面体结构网格,且网格布置比较稀疏,以节约CPU的计算时间。