垂直螺翼式水表下整流器压损特性的数值模拟

杜 正,张 凯,姚 灵,涂程旭,韩 彬,苏中地

(1.中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州310018;2.浙江宁波水表股份有限公司,浙江宁波315032)

水表在流量测量领域中使用量较大、使用面较广,并且是品种规格较为齐全的流量计量仪表.水表在供、(排)水流量计量、水费贸易结算和工业用水过程控制等方面都有着重要的作用,是关系现代生产和人民生活的重要计量工具.其中垂直螺翼式水表是一种较为新型的水表,与普通水表相比具有显著的性能优势,如量程范围宽、始动流量小、灵敏度高、经久耐用等特点.

垂直螺翼式水表应用范围日益广泛,一般应用于大型商业用水管路和城市供水系统中.该水表对于大流量具有较为准确的计量特性,由于流量的增大使得水流流过水表后产生的压力损失也较大.当前国家大力提倡节能减排,所以降低水表的压力损失减少输送端的能源消耗,对于能源的节约具有较大意义.对此,我们有必要针对水表的几何结构展开详细的研究来减小水表的压力损失.

要减小水表的压力损失,就需要对水表内部每一个部件的几何结构进行细致的研究,掌握其特性,为水表整体的优化提供可靠的依据.目前,对于水表内部流动特性的研究,是建立在实验科学基础之上的;但是,进行大量的反复的实验,研究周期过长,从而延缓了产品的研发进度.作为垂直螺翼式水表内部主要部件之一的下整流器,其特殊的几何结构对于压力损失的产生具有一定的影响,故采用数值模拟的方法对下整流器展开单独研究具有重要意义:可以较快、较好的了解下整流器几何结构的变化而带来的压力损失的影响,根据数值计算的结果,而后展开相关的实验验证,为结构优化提供有效的方案,缩短研发周期,提高研发效率,为开发出高质量的产品提供有效的方法和依据.

目前,张东飞等人[1-3]采用数值模拟的方法对均速管流量计的应用进行了相关的研究,杜正等人[4]采用数值模拟的方法对垂直螺翼式水表的内流场进行了数值计算,姚灵等人[5]对叶轮式水表流量测量的研究提出了一些方法,他们认为采用计算流体力学中的知识,对水表的内流场进行数值模拟,来达到对水表内部流动特性的认识是较为新颖的方法.杜广生[6,7]等人对旋翼式热量表的基表内部流动的特性展开了数值模拟的研究.我们发现采用数值模拟的方法对流量仪表的内部流动展开研究是时下的一个热点.上述文献是对整个流量仪表的内部流动情况进行了数值模拟的研究,并未详细研究仪表的单个零件几何形状对压力损失的影响.为此我们采用数值模拟方法分别研究三种下整流器几何结构附近的流场、压力分布,进而分析其几何结构与压损特性间的关系.

1 数理模型和数值求解方法

1.1 计算模型的建立

利用三维设计软件 SolidWorks根据二维CAD原始图纸设计了垂直螺翼式水表下整流器的三维结构模型,设计了三种形状结构的下整流器如图1、2、3(分别为:导流体既不开孔也不开槽,导流体开孔不开槽,导流体开孔开槽).

同时,将下整流器装配在直管道中,设定整流器前后直管道的长径比均为9,这样做可以使流入和流出下整流器的流体得到充分发展.而后将所建模型导入Gambit前置处理器进行计算模型的建立、网格划分和边界条件的设定(图4),网格划分采用的是分块划分原则,整个物理模型划分为三块,两端直管段部分采用结构化网格,中间整流器部分采用非结构化网格,最后总网格数大约为180万.

图4 计算模型和计算网格Figure 4 Simulation model and grids

1.2 流体力学控制方程和湍流模型

本文求解的各个算例的流体动力特性可以用流体力学基本方程描述:

连续方程为

动量方程为

式(2)中,p是静压,ui和uj是流动速度分量,Fi是质量力,τij是应力张量分量,定义为

式(3)中μ是流体的湍流运动粘性系数,δij是克罗内克算子.

因本次计算所涉及到的流量均为湍流流动,需引入湍流模型.本文采用的湍流模型是Realizable k-ε湍流模型[8].Realizable k-ε湍流模型为目前工程上使用最为广泛的湍流模型之一,并且较其它湍流模型计算更容易收敛且结果较为准确.该模型满足对雷诺应力的约束条件,因此可以在雷诺应力上保持与真实湍流一致,可以更精确地模拟各种流动(包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内部流动、边界层流动和带有分离的流动等).它是两方程模型,需要求解的变量为湍动能k与湍动能耗散率ε,它们所满足的输运方程为

其中,Gk为由于平均速度梯度导致的湍动能k生成项,其表达式为

式(4)(5)中 :σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9,

1.3 计算模型的边界条件

计算的流体介质是常态的水,边界条件具体设置如下:

1)入口采用速度入口边界条件,速度值固定为圆管中充分发展湍流的平均速度,流量范围为10～80 m3/h.

2)出口边界条件设定为压力出口,压力值固定为一个大气压.

3)管壁及下整流器表面设为无滑移边界条件.

2 结果分析与讨论

2.1 内流场截图分析

根据计算结果,我们在10 m3/h的流量下针对三种几何模型的计算情况,进行了内流场信息的截取.截取了下整流器纵向的静压等值线图和速度等值线图.从图5a和5c的两幅静压等值线图可以看出,下整流器导流体上开孔后等值线上同一位置的静压值相对于导流体上不开孔有一定降低,根据不可压缩一维定常流动的伯努利方程可以得到.当静压值减小后,速度值就会增大,这样说明下整流器导流体上开孔后流体所受到的阻碍减小了,流通能力增大了,自然压损变小了.此外,根据我们的日常生活经验可以推断,下整流器导流体上开小孔后,流体通过整流器的截面积增大了,受到的固体阻碍小了,则流体通过下整流器的能量损失自然小了.从图5c和图5e的两幅静压等值线图可以看出,等值线上同一位置的静压值没有什么变化,在图5e上导流体的底部可以看出静压等值线范围收缩,开槽后整流器底部对流体的冲击具有一定的缓冲作用.从图5b、5d和5f三幅速度等值线图可以看出,开孔后整流器尾部的流动情况趋于平稳,开孔加开槽后的整流器尾部流动的平稳效果更加明显,说明导流体上开槽具有一定效果.

图5 流量10 m3/h三种模型的内流场截图Figure 5 Internal flow screenshots of three different models in flowrate 10 m3/h

2.2 数值计算压力损失分析

首先针对下整流器导流体未开孔和开孔的情况进行了数值计算,得到了压力损失值,计算结果如图6.

图6 导流体开孔与未开孔的压损值比较Figure 6 Pressure loss comparison between the fluid director with holes and without holes

从图6的压损曲线可以看出,在下整流器导流体上既不开孔也不开槽的情况下,计算所得的压力损失值最大(图6中虚线);在下整流器导流体上开孔不开槽的情况下,计算所得的压力损失值比前者有一定的降低(图6中圆点),并且随着流量的增大,降压损效果较为明显.

鉴于上述两种模型的计算结果,又计算了下整流器导流体上开孔加开槽的情况,计算得到了压力损失值,并把三种计算结果放在一起进行比较,如图7.

图7 导流体三种结构下的压损值比较Figure 7 Pressure loss comparison in three conditions

根据图7的压损曲线可以看出,在下整流器导流体上开孔加开槽的情况下,与前面两种计算结果进行对比后发现,下整流器导流体上开孔加开槽比下整流器导流体上开孔不开槽,能微量降低压力损失,说明导流体前段开槽对降低压损有辅助作用.通过数值计算的结果可以看出,在三种设计的几何模型中,下整流器导流体开孔加前端开槽是比较理想的几何模型.

综上所述,下整流器导流体上开小孔对于降低压力损失有明显影响,且导流体前端开槽对于降低压力损失有一定影响,可以认为导流体上开小孔是降低压力损失的敏感参数之一.下整流器导流体开孔后,一部分流体能够无阻碍地顺利地通过小孔,流体流通能力得到了提升,压力损失自然也降低了.

图8给出了下整流器导流体开孔加开槽后在每个流量点下的降压损效率,从中可以明显地看出,随着流量的增大,降压损效率逐渐增大较为明显.

图8 导流体开孔开槽降压损效率Figure8 Relationship between pressurelossreduction efficiency and flowrate

3 结 语

通过有限体积法数值计算分别得到了三种下整流器结构(导流体无孔,导流体开孔,导流体开孔加开槽)对应的速度场和压力场信息;给出了其结构与压损之间的关系;发现了下整流器导流体上开小孔加开槽的模型对于降低压力损失具有重要意义.上述结果对于垂直螺翼式水表结构与计量精度的优化设计具有较强的指导意义.

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