分户计量热量表的数值模拟

徐彤 崔高健 罗明

1长春经开供热集团有限公司

2长春工业大学机电工程学院

1 引言

集中供热系统的热计量是通过热量表来实现的，从热量表的组成可以看出，制造热计量表的技术比电表、水表、煤气表等的制造技术都要复杂。只有采用高质量的热量表，并综合考虑其经济性、耐用性、可维修性等，才能达到供热计量及按量收费的目的。本文利用数值模拟，通过添加流道，改变叶尖间隙来提高热量表的测量精度[1～4]。

2 Fluent软件数值模拟

2.1 建立几何模型

利用CATIA三维制图软件绘制热量表基表图[5]，其中包括表壳、叶轮室、叶轮。模型如图1所示。

图1 热量表基表

2.2 划分网格

根据装配件形状不同采用不同的网格划分方式，根据对流体流动影响较大的配件给予加密网格处理，如图2和3所示。

图2 外壳网格

图3 叶轮网格

2.3 初始化及参数设置

划分网格以后，给出流动区域内的流动变量的初始值，根据实际流动情况，首先选择从入口计算，初始速度、压强、动能等都选作系统自动设置的默许值，之后设置湍流参数，紊流强度的设置，可根据其计算公式[6]：

设定流量Q=2500L/h时，热量表流道的内径是16mm，得 Re≈37000，再根据式（1）得：I=0.029。

3 结构优化

[7～9]，从以下几个方面进行优化。

3.1 添加流道的改变对热量表的影响

根据条件及参数对热量表基表进行分析，对比无多流束叶轮室与有多流束叶轮室情况如图4和5所示。

图4 没有加多流束叶轮室

图5 加了多流束叶轮室

对比两个图形可以看出，对于多流束叶轮室圆台式基表，如果不加入叶轮室可以发现流场分布比较杂乱，且水流流速较低，减缓了对叶轮室内水的出流起到一定的推动作用；相反当加入了多流速叶轮室，使得叶轮室内的水流形成有序的分布并可以发现流体紧贴在叶轮壁周边可以更有效地推动叶轮旋转，能保证水流以较大的速度流出，出口水流速度的增大将带动叶轮的转动从而提高流量测量的分辨率。通过上面两幅图的对比，可以得出：添加叶轮室对热量表的测量精度的提高起到了很大的作用。

3.2 改变叶尖间隙对热量表的影响

叶尖间隙对热量表的性能影响很大，由此而产生的叶尖泄漏流是叶轮机械转子中最普遍和有影响的流动现象之一。给出几组叶尖隙数值并且计算了基表内部压损△p的变化如图6所示。

图6 叶间隙的改变造成压损的改变

对比3幅流场图，如图7、8、9所示。

图7 叶尖为12mm流场图

图8 叶尖隙为20mm流场图

图9 叶尖隙为25mm流场图

通过上面3幅流场图的比较，可以看出随着叶尖隙的增大，流场的速度在增加，增加叶尖隙的同时，也减小的叶轮周径，从而叶轮受到的阻力力臂减小而减小对叶轮冲击的阻力矩。但是也不能一味的增加叶尖隙，因为不断地增加叶尖隙，会使叶轮的起始速度减慢，遇到小流量会降低热量表的分辨率，从而降低热量表的测量精度。选择合理的叶尖隙有助于提高精度，选用20mm。

4 结论

本文运用Fluent软件对热量表的性能进行了优化，通过添加流道，改变叶尖间隙，提高了热量表的测量精度。通过吉林省计量科学研究院检测，在温度90℃；静态工作电流6μA；公称流量0.6m3/h；公称直径15mm；额定压力1.6MPa工况下检测，得到：最大允许压力损失20.5kPa；流量误差1.1%；平均温度误差0.1%。性能指标达到了国家1级表指标。

通过热量表测量精度的提高，满足用户需求，鼓励用户应用，保证用户真正能从计量供热中得到实惠，才能使供热体制改革顺利进行，使计量供热通过试验并逐步推广，从中不断提高和完善我国的节能与环保政策，培养和提高人们的节能意识，对于今后我国国民经济发展和人民生活水平的提高具有显著的意义。

参考文献

[1] 任纪宝,赵春山.浅谈集中供热分户计量的有关问题[J].中国计量,2003,(10):20-21

[2] 刘博锋.集中供热分户计量面临的问题及解决方法[J].山西建筑,2011,37(3):132-133

[3] 刘剑,霍兆义,尹洪超.城市集中供热的发展及面临的问题[J].节能与环保,2008,(4):33-35

[4] 李芳.热能表热量计算方法的研究[J].中国计量,2005,(1):49-50

[5] 罗明.供热系统计量装置的设计[D].长春:长春工业大学,2010

[6] 帕坦卡.传热和流体流动的数值方法[M].合肥:安徽科学技术出版社,1993

[7] Versteeg H K,Malalasekera W.An Introduction to Computation Fluid Dynamites[M].Berlin:Springer,1996

[8] Roaeh P J.Computational Fluid Dynamites[M].Albuquerque:Hermosa,1982

[9] 杜广生,王宁,刘正刚.双流束螺旋翼式户用热量表的性能研究[J].仪器仪表学报,2006,27:1073-1074