流场仿真在水流量标准装置换向器设计中的应用

2017-03-29赵智超

电子科技 2017年1期

赵智超，岳坚，赵

(1．上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

(1．上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

介绍了水流量标准装置换向器的工作规律和流体力学仿真软件Fluent的特点，提出了Fluent在水流量标准装置设计中应用方法。针对换向器喷嘴射流速度不对称所引起的误差，采用计算流体力学仿真的方法对换向器喷嘴的射流流场分布进行了数值模拟分析，改进换向器喷嘴圆变方接管的部分结构，使其速度分布的对称性得到了提高，从而设计出一种新型换向器。由此可见，计算流体力学仿真技术对水流量标准装置设计研究具有重要意义。

换向器；流体力学；数值模拟

流量标准装置是用于复现和传递流量量值的设备，得到了各国的普遍关注[1]，相继建立了种类繁多的流量标准装置并进行深入研究，目前常用的原级流量标准装置方法可分为静态质量法和静态体积法。在静态质量法水流量标准装置中，在试验管路的末端喷嘴处安装有换向器，通过换向器左右形成切换液体的流动方向，使液体流向称重容器或旁通管道中。换向器换向时，同时触发计时器，保证液体质量和测量时间的同步测量，并得到时间和质量推导被检表的流量值，从而对流量计进行标定。

当前技术条件下，质量、时间、密度等量值均能得到很好的不确定度控制，但换向器由于设计、加工、控制等方面的限制，成为影响流量标准装置不确定度的关键指标。

计算流体力学(CFD)是应用计算机和流体力学的知识对流体在特定条件下的流动特性进行模拟和描述的科学[2]。Fluent是应用面最广、影响最大的CFD软件，能精确地模拟所研究对象内的液体流动、传热和多相流等物理现象。本文使用Fluent对换向器喷嘴建立仿真模型和进行仿真实验，确定换向器喷嘴最佳结构，有效保证水流量装置的不确定度。将Fluent仿真技术引入水流量标准装置设计中来，弥补和克服传统方法的缺陷，减少物理模型试验，缩短研发周期，节约研究经费，还可获取大量局部、瞬时数据，从而进一步指导工程的设计和优化。

1 换向器误差来源与Fluent软件特色

1.1 换向器工作原理

水流量标准装置试验管道的末端是一个扁平喷嘴，稳定的水流通过喷嘴喷射到换向器上，然后流入称重容器或水池。在试验阶段，注入称重容器内的水流量随时间变化曲线如图1所示，其中,tC为稳定水流量注入称重容器的时间;tM为计时器计时的时间;tT为总的水流量注入称重容器的时间。

图1 流量随时间变化曲线

从图1可看出，换向器的工作过程有3个阶段，分别是正行程阶段、稳定阶段和反行程阶段。正行程阶段为t0～t2，在试验开始之前，换向器将喷嘴和旁通路联通，流量及其稳定性达到要求后开始试验，在t0时刻换向器开始工作，将水流从旁通路换入称重容器，t1时刻计时器得到触发信号开始计时，t2时刻流量达到稳定值Q0，同时换向器结束正行程换向动作；稳定阶段为t2～t3，水流以固定流量Q0注入称重容器；反行程阶段为t3～t5，在t3时刻换向器开始将水流从称重容器换入旁通路，t4时刻计时器得到触发信号结束计时，t5时刻换向器结束反行程换向动作，称重容器的注入流量从Q0变为0。

1.2 换向器误差来源

试验阶段，水流量标准装置测得的平均流量

(1)

式(1)中，MT为注入称重容器的水质量。

如图1所示，理想流量Q0与测得的流量Q1有一定的差距。在图1中，区域A和D分别表示计时开始前和结束后注入称重容器的水质量，区域B和C表示经过平均后的补偿量。假如，A的面积等于B的面积，C的面积等于D的面积，则通过公式计算出的流量Q1就等于Q0。所以，为了精确测量出水的流量，需要喷嘴出口截面的流速对称分布，计时器启停时间点的选择准确，并保证正反行程时间差足够小。

通过上述分析可知，在实际应用过程中，换向器的误差主要来源于3个方面[9]，分别是喷嘴射流速度不对称引起的误差、正反行程时间不一致引起的误差和计时器触发时间点选择不合适引起的误差。

对于喷嘴射流速度不对称引起的误差，可采用计算流体动力学的方法，对喷嘴出口截面的射流速度分布进行数值模拟，然后优化喷嘴结构，提高流场速度的对称性。

1.3 Fluent软件特点

在传统的设计流程中，通常需要将产品加工制造出来，然后建立实验系统，对产品的性能进行验证。若不符合要求，则需对产品进行修改，如此往复直到满足设计要求。这种传统的设计方法成本比较高，耗费大量时间和人力。为解决这些问题，本文提出与计算流体动力学相结合的设计方法，通过计算机的仿真将实验结果显示在屏幕上，可清楚的看到流场内各种细节与情景，大幅节约了时间和成本[10]。

20世纪80年代以来，出现了众多的计算流体动力学数值计算软件，其中Fluent具有功能强大的模块[11]，简单易用和专业的技术支持，能对模拟结果进行分析和数据处理，成为相对较成熟和运用最为广泛的流体力学仿真软件。

2 换向器喷嘴的结构设计

本文水流量标准装置对喷嘴的设计要求为：喷嘴出口截面长宽比为1∶15。

根据设计要求，喷嘴出口截面尺寸满足

15a×a=S进水管

(2)

式(2)中，a为喷嘴出口截面宽度，单位mm。

经过计算得，喷嘴出口截面的长为690 mm，宽为46 mm。根据上述参数，使用Solidworks建立喷嘴的模型，如图2所示，喷嘴主要由6部分组成，水从试验管段1流出，经过弯管法兰2、直管法兰4和圆变方接管5，从扁平管段6喷射出去。喷嘴的出口截面积与试验管段的截面积相等，同时要保证喷嘴有足够的长度来消除整个结构对流量稳定性的影响。

图2 喷嘴的二维图

3 换向器喷嘴的数值模拟

为解决喷嘴出口截面的水流速度分布不均匀问题，本文采用计算流体动力学的方法，对喷嘴部分进行数值模拟。在进行数值模拟前，对模型做如下假设：(1)进入喷嘴的水为纯水，不考虑掺杂气泡的情况；(2)进入喷嘴的水为稳定流，不考虑波动的情况。使用Solidworks建立喷嘴的计算模型，如图3所示。

图3 喷嘴的计算模型

将喷嘴的计算模型导入Gambit进行网格划分，如图4所示。喷嘴的网格进行了分区域划分，在圆变方接管部分，采用非结构性网格，同时加密网格，在其他部分采用结构性网格。这种划分方法使模型的网格线方向与水流方向大体保持一致，可显著提高数值模拟结果的稳定性，加快迭代收敛的速度。

经过网格划分后，将喷嘴计算模型导入Fluent软件中进行参数设置，模型选择标准k-e湍流模型，材料选择水，参考压力为1个大气压，考虑重力的影响，入口边界条件选择质量流量入口，出口边界条件选择流动出口边界条件，离散方式选择一阶迎风模式，迭代精度选择10-3，其他选择默认。

图4 喷嘴的网格划分

经过数值模拟计算，得出喷嘴出口截面的速度云图，如图5所示。

图5 喷嘴出口截面的速度云图

从图5可以看出，喷嘴出口截面的水流速度分布在其宽度方向上不对称。出现这种流速分布不对称的原因，主要是水流经过弯管时，由于离心力的作用使得喷嘴外侧的水流速度大于内侧速度。为改善喷嘴出口截面水流速度分布的不对称性，把圆变方接管的出口向弯管内侧方向平移30 mm，以消除离心力的影响，建立改进后的喷嘴三维模型，如图6所示。

图6 改进后的喷嘴三维模型剖面图

对改进后喷嘴行仿真分析，经过迭代计算，得出喷嘴出口截面的速度云图，如图7所示。

图7 改进后的喷嘴出口截面速度云图

从图7可看出，改进后的喷嘴出口截面水流速度分布对称性明显得到提高，结果表明，将圆变方接管的出口向弯管内侧方向平移30 mm在一定程度上可提高喷嘴出口截面的流场对称性。

4 结束语

阐述了水流量标准装置换向器的工作规律，从中分析换向器误差的3个来源。针对喷嘴出口截面射流速度分布不对称引起的误差，采用计算流体力学仿真的方法，对喷嘴进行数值模拟，改进了喷嘴圆变方接管部分的结构，使其速度分布的对称性得到了提高。通过实例可以看到，此方法缩短研发周期，节省了研发资金。

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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

上海市科委科研计划基金资助项目(12DZ0512600)