涡轮流量计三维流场仿真与优化设计-

1叶轮三维模型建立
涡轮流量计叶轮的运动特性主要受其结构参数、流体粘性系数等影响。为分析小流量涡轮结构的流场特性,设计参数如表1所示叶轮系统,借助UG软件建立其三维仿真模型;将该三维模型导入ANSYSWork-bench软件中仿真。

考虑到叶轮的运动性能是流量计量的核心,仿真中采用小四面体网格。小尺寸窄表面采用局部网格,涡轮旋转区划分的网格数约为230万,整个模型划分的网格总数为353万。
2.叶轮流场特性分析
2.1叶轮速度场分析
分别取流量为5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min对叶轮流场仿真分析,获得上述流量下叶轮后导流架后端速度矢量图(图3(a),(b),(c)所示),可见流体与前导流架前端碰撞产生低速区，静压力变大,且随流量增大而变大,压力损失明显;流体进入前导流架后,流速加快,雷诺数增加,湍流强度变大。流体进入叶轮前，先流经叶轮与前后导流架连接的槽,由于槽内流速低,此时流量的速度分布不均,且有强涡流产生。回流导叶尾端速度矢量图如图3(d)所示,流体在后导流架后端出现长尾流,尾流长度随流量增大而减小。

2.2压力场分析
分析上述三个不同流量时流道内压力场,发现随着流量增加,叶轮、导流架上游面形成的静压变高,叶片上游面和叶片下游面的压力随着流量的增加而减小(如图4所示),可见,导流架端部的形状、叶轮与导流架之间凹槽宽度、叶轮面积和形状对叶轮稳定旋转均有明显影响。
3结构优化设计
3.1导流架头部结构设计
基于上述CFD仿真分析结果,为有效减小叶轮压力.损失,将原导流架头部的球形分别设计椭球型和圆锥形,改进后的导流架头部尺寸如图5所示。

3.2结构优化后叶轮三维流场特性
基于上述结构,涡轮流量计仿真流量为Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min时，不同导流架结构下叶轮速度场,由.图6可见,圆锥形结构叶轮的高压低速区面积最小,其次是椭圆形体,球形结构叶轮的高压低速区面积最大,圆锥形结构能够有效减少压力损失,提高流量计的测量精度。在前导流架环状流动路径中，圆锥形流体的速度分布最均匀的，椭圆体结构次之,球形结构最差,圆锥结构具有较好的整流效果。