流場仿真在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器設(shè)計中的應(yīng)用

趙智超，岳 堅，趙

(1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海 200233)

流場仿真在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器設(shè)計中的應(yīng)用

(1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海 200233)

介紹了水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器的工作規(guī)律和流體力學(xué)仿真軟件Fluent的特點(diǎn)，提出了Fluent在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計中應(yīng)用方法。針對換向器噴嘴射流速度不對稱所引起的誤差，采用計算流體力學(xué)仿真的方法對換向器噴嘴的射流流場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，改進(jìn)換向器噴嘴圓變方接管的部分結(jié)構(gòu)，使其速度分布的對稱性得到了提高，從而設(shè)計出一種新型換向器。由此可見，計算流體力學(xué)仿真技術(shù)對水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計研究具有重要意義。

換向器；流體力學(xué)；數(shù)值模擬

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是用于復(fù)現(xiàn)和傳遞流量量值的設(shè)備，得到了各國的普遍關(guān)注[1]，相繼建立了種類繁多的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置并進(jìn)行深入研究，目前常用的原級流量標(biāo)準(zhǔn)裝置方法可分為靜態(tài)質(zhì)量法和靜態(tài)體積法。在靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，在試驗管路的末端噴嘴處安裝有換向器，通過換向器左右形成切換液體的流動方向，使液體流向稱重容器或旁通管道中。換向器換向時，同時觸發(fā)計時器，保證液體質(zhì)量和測量時間的同步測量，并得到時間和質(zhì)量推導(dǎo)被檢表的流量值，從而對流量計進(jìn)行標(biāo)定。

當(dāng)前技術(shù)條件下，質(zhì)量、時間、密度等量值均能得到很好的不確定度控制，但換向器由于設(shè)計、加工、控制等方面的限制，成為影響流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度的關(guān)鍵指標(biāo)。

計算流體力學(xué)(CFD)是應(yīng)用計算機(jī)和流體力學(xué)的知識對流體在特定條件下的流動特性進(jìn)行模擬和描述的科學(xué)[2]。Fluent是應(yīng)用面最廣、影響最大的CFD軟件，能精確地模擬所研究對象內(nèi)的液體流動、傳熱和多相流等物理現(xiàn)象。本文使用Fluent對換向器噴嘴建立仿真模型和進(jìn)行仿真實驗，確定換向器噴嘴最佳結(jié)構(gòu)，有效保證水流量裝置的不確定度。將Fluent仿真技術(shù)引入水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計中來，彌補(bǔ)和克服傳統(tǒng)方法的缺陷，減少物理模型試驗，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，還可獲取大量局部、瞬時數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步指導(dǎo)工程的設(shè)計和優(yōu)化。

1 換向器誤差來源與Fluent軟件特色

1.1 換向器工作原理

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置試驗管道的末端是一個扁平噴嘴，穩(wěn)定的水流通過噴嘴噴射到換向器上，然后流入稱重容器或水池。在試驗階段，注入稱重容器內(nèi)的水流量隨時間變化曲線如圖1所示，其中,tC為穩(wěn)定水流量注入稱重容器的時間;tM為計時器計時的時間;tT為總的水流量注入稱重容器的時間。

圖1 流量隨時間變化曲線

從圖1可看出，換向器的工作過程有3個階段，分別是正行程階段、穩(wěn)定階段和反行程階段。正行程階段為t0～t2，在試驗開始之前，換向器將噴嘴和旁通路聯(lián)通，流量及其穩(wěn)定性達(dá)到要求后開始試驗，在t0時刻換向器開始工作，將水流從旁通路換入稱重容器，t1時刻計時器得到觸發(fā)信號開始計時，t2時刻流量達(dá)到穩(wěn)定值Q0，同時換向器結(jié)束正行程換向動作；穩(wěn)定階段為t2～t3，水流以固定流量Q0注入稱重容器；反行程階段為t3～t5，在t3時刻換向器開始將水流從稱重容器換入旁通路，t4時刻計時器得到觸發(fā)信號結(jié)束計時，t5時刻換向器結(jié)束反行程換向動作，稱重容器的注入流量從Q0變?yōu)?。

1.2 換向器誤差來源

試驗階段，水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的平均流量

(1)

式(1)中，MT為注入稱重容器的水質(zhì)量。

如圖1所示，理想流量Q0與測得的流量Q1有一定的差距。在圖1中，區(qū)域A和D分別表示計時開始前和結(jié)束后注入稱重容器的水質(zhì)量，區(qū)域B和C表示經(jīng)過平均后的補(bǔ)償量。假如，A的面積等于B的面積，C的面積等于D的面積，則通過公式計算出的流量Q1就等于Q0。所以，為了精確測量出水的流量，需要噴嘴出口截面的流速對稱分布，計時器啟停時間點(diǎn)的選擇準(zhǔn)確，并保證正反行程時間差足夠小。

通過上述分析可知，在實際應(yīng)用過程中，換向器的誤差主要來源于3個方面[9]，分別是噴嘴射流速度不對稱引起的誤差、正反行程時間不一致引起的誤差和計時器觸發(fā)時間點(diǎn)選擇不合適引起的誤差。

對于噴嘴射流速度不對稱引起的誤差，可采用計算流體動力學(xué)的方法，對噴嘴出口截面的射流速度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，然后優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，提高流場速度的對稱性。

1.3 Fluent軟件特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的設(shè)計流程中，通常需要將產(chǎn)品加工制造出來，然后建立實驗系統(tǒng)，對產(chǎn)品的性能進(jìn)行驗證。若不符合要求，則需對產(chǎn)品進(jìn)行修改，如此往復(fù)直到滿足設(shè)計要求。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法成本比較高，耗費(fèi)大量時間和人力。為解決這些問題，本文提出與計算流體動力學(xué)相結(jié)合的設(shè)計方法，通過計算機(jī)的仿真將實驗結(jié)果顯示在屏幕上，可清楚的看到流場內(nèi)各種細(xì)節(jié)與情景，大幅節(jié)約了時間和成本[10]。

20世紀(jì)80年代以來，出現(xiàn)了眾多的計算流體動力學(xué)數(shù)值計算軟件，其中Fluent具有功能強(qiáng)大的模塊[11]，簡單易用和專業(yè)的技術(shù)支持，能對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理，成為相對較成熟和運(yùn)用最為廣泛的流體力學(xué)仿真軟件。

2 換向器噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對噴嘴的設(shè)計要求為：噴嘴出口截面長寬比為1∶15。

根據(jù)設(shè)計要求，噴嘴出口截面尺寸滿足

15a×a=S進(jìn)水管

(2)

式(2)中，a為噴嘴出口截面寬度，單位mm。

經(jīng)過計算得，噴嘴出口截面的長為690 mm，寬為46 mm。根據(jù)上述參數(shù)，使用Solidworks建立噴嘴的模型，如圖2所示，噴嘴主要由6部分組成，水從試驗管段1流出，經(jīng)過彎管法蘭2、直管法蘭4和圓變方接管5，從扁平管段6噴射出去。噴嘴的出口截面積與試驗管段的截面積相等，同時要保證噴嘴有足夠的長度來消除整個結(jié)構(gòu)對流量穩(wěn)定性的影響。

圖2 噴嘴的二維圖

3 換向器噴嘴的數(shù)值模擬

為解決噴嘴出口截面的水流速度分布不均勻問題，本文采用計算流體動力學(xué)的方法，對噴嘴部分進(jìn)行數(shù)值模擬。在進(jìn)行數(shù)值模擬前，對模型做如下假設(shè)：(1)進(jìn)入噴嘴的水為純水，不考慮摻雜氣泡的情況；(2)進(jìn)入噴嘴的水為穩(wěn)定流，不考慮波動的情況。使用Solidworks建立噴嘴的計算模型，如圖3所示。

圖3 噴嘴的計算模型

將噴嘴的計算模型導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。噴嘴的網(wǎng)格進(jìn)行了分區(qū)域劃分，在圓變方接管部分，采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，同時加密網(wǎng)格，在其他部分采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。這種劃分方法使模型的網(wǎng)格線方向與水流方向大體保持一致，可顯著提高數(shù)值模擬結(jié)果的穩(wěn)定性，加快迭代收斂的速度。

經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，將噴嘴計算模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型，材料選擇水，參考壓力為1個大氣壓，考慮重力的影響，入口邊界條件選擇質(zhì)量流量入口，出口邊界條件選擇流動出口邊界條件，離散方式選擇一階迎風(fēng)模式，迭代精度選擇10-3，其他選擇默認(rèn)。

圖4 噴嘴的網(wǎng)格劃分

經(jīng)過數(shù)值模擬計算，得出噴嘴出口截面的速度云圖，如圖5所示。

圖5 噴嘴出口截面的速度云圖

從圖5可以看出，噴嘴出口截面的水流速度分布在其寬度方向上不對稱。出現(xiàn)這種流速分布不對稱的原因，主要是水流經(jīng)過彎管時，由于離心力的作用使得噴嘴外側(cè)的水流速度大于內(nèi)側(cè)速度。為改善噴嘴出口截面水流速度分布的不對稱性，把圓變方接管的出口向彎管內(nèi)側(cè)方向平移30 mm，以消除離心力的影響，建立改進(jìn)后的噴嘴三維模型，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的噴嘴三維模型剖面圖

對改進(jìn)后噴嘴行仿真分析，經(jīng)過迭代計算，得出噴嘴出口截面的速度云圖，如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的噴嘴出口截面速度云圖

從圖7可看出，改進(jìn)后的噴嘴出口截面水流速度分布對稱性明顯得到提高，結(jié)果表明，將圓變方接管的出口向彎管內(nèi)側(cè)方向平移30 mm在一定程度上可提高噴嘴出口截面的流場對稱性。

4 結(jié)束語

闡述了水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器的工作規(guī)律，從中分析換向器誤差的3個來源。針對噴嘴出口截面射流速度分布不對稱引起的誤差，采用計算流體力學(xué)仿真的方法，對噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)了噴嘴圓變方接管部分的結(jié)構(gòu)，使其速度分布的對稱性得到了提高。通過實例可以看到，此方法縮短研發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)資金。

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Application of CFD in the Design of Diverter for Water Flow Standard Device

ZHAO Zhichao1，YUE Jian2，ZHAO Yan1

(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093 China；2. Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation, Shanghai 200233, China)

Based on an introduction to the operational principle of diverter for water flow standard device and characteristics of Fluent software，the application of Fluent in the design is proposed．For the error of diverter nozzle caused by the asymmetry of jet velocity, computational fluid dynamics (CFD) simulation method has been used for the optimization design and numerical investigation. By changing the structure of the diverter nozzle，the velocity distribution of symmetry has been improved, and a new type of diverter has been achieved. Thus, the computational fluid dynamics (CFD) simulation technology has a great important on the design and research of water flow standard device.

diverter; CFD; numerical simulation

2016- 03- 07

上海市科委科研計劃基金資助項目(12DZ0512600)

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.028

TM344

A

1007-7820(2017)01-100-04