氣體羅茨流量計(jì)壓力損失的數(shù)值模擬探討

何艷君

摘 要：在本次研究中應(yīng)用Pump Linx軟件針對(duì)氣體羅茨流量計(jì)，在實(shí)際運(yùn)行工況下的壓力損失數(shù)值展開了模擬分析，探討了在多種差異化的流量條件下氣體羅茨流量計(jì)內(nèi)部壓力與速度的分布狀況。并針對(duì)數(shù)值模擬所獲得壓力損失數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明此兩者在變化情況上完全相同，誤差幾乎可忽略不計(jì)。據(jù)此表明，采用Pump Linx軟件針對(duì)氣體羅茨流量計(jì)壓力損失模擬所得到的結(jié)果可信度較高。

關(guān)鍵詞：氣體羅茨流量計(jì) 壓力 速度 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TH14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0112-02

氣體羅茨流量計(jì)的構(gòu)成具體包含了計(jì)量腔和計(jì)數(shù)讀數(shù)單元兩部分內(nèi)容，是一種容積式計(jì)量設(shè)備。在被測(cè)量氣體通過流量計(jì)時(shí)，其前后將會(huì)由于氣體壓力改變而產(chǎn)生出差壓變化，并由此促進(jìn)羅茨轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)子中心軸內(nèi)預(yù)裝有驅(qū)動(dòng)齒輪，通過轉(zhuǎn)子交替來實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并在運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中將壓力氣體逐漸排向外部，驅(qū)動(dòng)齒輪也將持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并最終獲得計(jì)量結(jié)果。下文探討了采用Pump Linx軟件對(duì)氣體羅茨流量計(jì)開展數(shù)值模擬，分析了流量計(jì)內(nèi)部的流暢速度與壓力分布情況以及壓力差的受損狀況。

1 計(jì)算模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

假定計(jì)量設(shè)備是以空氣作為流動(dòng)介質(zhì)，其具體的流動(dòng)過程長期處于湍流狀態(tài)，是一種非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)形式。鑒于氣流流動(dòng)速度遲緩，因此便可將實(shí)際的計(jì)算過程假定為非壓縮流體?，F(xiàn)將流體動(dòng)力學(xué)特征概括為以下方程：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

在上述方程式當(dāng)中，代表氣體密度；t代表時(shí)間；代表不同分項(xiàng)流體的速度值；v代表流體運(yùn)動(dòng)粘度；xi代表不同坐標(biāo)的方向；代表壓力。

1.2 流體區(qū)域網(wǎng)格劃分

借助于減速設(shè)備來把腰輪組件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況通過數(shù)字化的方式表示在表頭之上，并由此來發(fā)揮出計(jì)數(shù)效果。在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)進(jìn)氣體羅茨流量計(jì)各個(gè)構(gòu)成零部件，進(jìn)一步采取組裝處理，精簡外部螺絲孔洞，將羅茨轉(zhuǎn)子軸和加油孔等對(duì)于氣體流體區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響的部分有機(jī)連接起來。在對(duì)各功能部件進(jìn)行組建合并之時(shí)，可采用布爾運(yùn)算來計(jì)算幾何模型，并由此來獲得氣體羅茨流量計(jì)的流體面積大小。為了能夠確保最終的計(jì)算結(jié)果能夠達(dá)到更好的精準(zhǔn)性，便需在來流及出口位置新增設(shè)適當(dāng)?shù)闹惫軈^(qū)域段落。在流體得到全方位的發(fā)展后，便可把初始區(qū)域段長度采取無量綱化處理，并進(jìn)一步獲取到與之相對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)函數(shù)值，相應(yīng)的流層即刻表述為：

管道中若為湍流情況，則初始區(qū)段長度即可被表述為：

在上述計(jì)算公式當(dāng)中，代表直管區(qū)段的長度值，D則代表管道內(nèi)徑大小。

本次仿真測(cè)試是以空氣作為介質(zhì)氣體，流動(dòng)雷諾數(shù)Re=puD/μ=45026.3>2350，通過計(jì)算處理后便可了解到 /D=24，因此需在流量計(jì)前端新增24倍口徑直管段，于流量計(jì)后端新增14倍口徑直管段，并以此來確保進(jìn)口流動(dòng)能夠順利轉(zhuǎn)換為湍流，相應(yīng)的出口流動(dòng)則始終保持平緩改變。在全流體區(qū)域內(nèi)部主要就包含了進(jìn)出口位置的直管段，羅茨流量計(jì)腰輪轉(zhuǎn)子和外壁所共同構(gòu)成的區(qū)域可采用SolidWorks來將流體區(qū)域分為前后兩端直管段落，以及相應(yīng)的流量計(jì)楔形及轉(zhuǎn)子區(qū)域，之后將其依次導(dǎo)進(jìn)Pump Linx軟件內(nèi)以便生成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，在此之中的前后直管區(qū)段以及流量計(jì)楔形區(qū)域通常選用常規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在本次研究當(dāng)中開展數(shù)值模擬所選用的流量計(jì)模型即為RM系列氣體羅茨流量計(jì)。其口徑大小為50mm。結(jié)構(gòu)示意詳見圖1，其中左側(cè)為顯示模塊，右側(cè)為計(jì)數(shù)模塊。

2 流動(dòng)模擬與結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)模擬

假定以空氣作為流體介質(zhì)，溫度設(shè)置為300K，則流體介質(zhì)在達(dá)到300K之時(shí)的密度P即為1.207m3/kg，動(dòng)力粘度為μ1.82×10-3N·s/m2，假定流體具備可壓縮性特征，彈性模量為101275Pa，則剩余部分即為默認(rèn)配置。

假定區(qū)域管道入口位置及速度入口，對(duì)于具體速度值的大小確定則必須要依據(jù)與之所相對(duì)的流量值來予以確定，在出口位置確定出壓力出口，整體壓力值可被確定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域依據(jù)外齒輪泵模型來予以布設(shè)，并確定出主、從動(dòng)輪的圓心點(diǎn)，確定旋轉(zhuǎn)軸相向值，確定出旋轉(zhuǎn)速度及方向。針對(duì)接觸部位均通過Interface邊界條件來確定出與之所相對(duì)的分界面。

2.2 結(jié)果分析

位于氣體羅茨流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)流量范圍區(qū)域內(nèi)確定出65、85、95、100m3/h共點(diǎn)，將其完全置于同等工作狀況下開展數(shù)值模擬分析，進(jìn)而也便可獲得氣體羅茨流量計(jì)內(nèi)部流場壓力分布狀況。位于流量計(jì)入口、出口部位分別布設(shè)壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，基于對(duì)進(jìn)出口部位的壓力差計(jì)算來獲取相應(yīng)的流量計(jì)壓力受損數(shù)值。在研究氣體羅茨流量計(jì)的內(nèi)部流場分布狀況之時(shí)，壓力與速度是其中的絕對(duì)核心內(nèi)容。在本次研究中就采用了Pump Linx軟件來對(duì)氣體羅茨流量計(jì)開展了模擬分析，并據(jù)此獲得在流量數(shù)值完全不同的條件下與之所對(duì)應(yīng)的壓力及速度云圖，并借助于對(duì)壓力與速度的特征分析，來對(duì)氣體羅茨流量計(jì)優(yōu)化完善指出具有建設(shè)性的修改建議。

（1）壓力分布。通過轉(zhuǎn)子被分為2、3部分，其所對(duì)應(yīng)的壓力數(shù)值大致相當(dāng)，所產(chǎn)生出的改變形態(tài)也并不巨大。在θ為0°之時(shí)，因受制于氣體侵入影響，使得前端壓力要明顯高于后端案例之，特別是在轉(zhuǎn)子由逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)超過45°以后，前后兩處氣體并未能夠得到有效連通，這也將使得后端氣體盡管會(huì)流出但是卻無法獲得氣體補(bǔ)充，氣體壓力下降，前端氣體持續(xù)滲入，將會(huì)導(dǎo)致前端壓力持續(xù)擴(kuò)大。相應(yīng)地在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度擴(kuò)大到90°之時(shí)，后端氣體將會(huì)留出并造成該處位置的壓力下降，而前端氣體的壓力將會(huì)擴(kuò)大，且部分氣體將會(huì)產(chǎn)生下計(jì)量腔。并同時(shí)會(huì)伴隨著氣體的持續(xù)性流通，氣體羅茨流量計(jì)內(nèi)部流程也將會(huì)持續(xù)發(fā)生改變，然而和先前的改變情況則基本相同。

（2）速度分布。氣體羅茨流量計(jì)的速度分布狀況表現(xiàn)的十分顯著，在接近于外部位置的區(qū)域因壁面粘性阻力因素影響，其相應(yīng)的速度值會(huì)明顯略小一些，而在接近于轉(zhuǎn)子邊緣壁區(qū)域則會(huì)因?yàn)槭艿睫D(zhuǎn)子影響，促使接近于轉(zhuǎn)子位置的流動(dòng)速度要顯著更大一些，并促進(jìn)流體的大規(guī)模流動(dòng)。位于0°情況下進(jìn)入一端因轉(zhuǎn)子對(duì)氣流的阻擋效應(yīng)將會(huì)使得速度減緩，而出口一端的氣壓值則會(huì)相對(duì)略小，所產(chǎn)生出的壓力差也將會(huì)導(dǎo)致后端速度明顯加快，并產(chǎn)生出接近于轉(zhuǎn)子位置的速度異常升高區(qū)。在氣體流動(dòng)之時(shí)，因中間縫隙并非氣體通道，僅有少部分氣體可通過，流速相對(duì)較小。而伴隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不斷增大，氣體將會(huì)伴隨下端轉(zhuǎn)子發(fā)生方向變化，流動(dòng)速度也將明顯擴(kuò)大，上端氣體因受到轉(zhuǎn)子阻擋影響，流速并不會(huì)明顯升高。

3 結(jié)語

綜上所述，通過本文關(guān)于氣體羅茨流量計(jì)壓力損失的數(shù)值仿真模擬研究，實(shí)踐檢驗(yàn)表明，通過Pump Linx軟件所模擬出的流場分布完全滿足于該流量計(jì)在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下的壓力與速度特征。借助于流體數(shù)值模擬方法來開展關(guān)于氣體羅茨流量計(jì)的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流量計(jì)性能的進(jìn)一步優(yōu)化與完善，最終所得到的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)改變情況完全相同。

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