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质量流量计的主要性并测试相关参数的性能

  运用CFD(computationalfluiddynamics)数值仿真App模拟机载质量流量计的主动轮和质量感应轮内部燃油流场速度矢量,计算主动轮和质量感应轮上所产生的转动力矩和压力差,得出增大转动力矩和减小压力差的方法,在此基础上改进了机载质量流量计的主动轮结构。通过仿真计算和样机试验结果可知,与原结构相比改进后的新型机载质量流量计结构使压力差减少了16.0kPa,满足在机载环境下的压力差、旋转力矩和灵敏度参数的要求。

质量流量计                                   

   机载环境要求质量流量计有足够大的转动力矩,同时压力差及能量损失要小.目前影响质量感应轮所受阻力矩的相关问题尚未解决,这也是设计机载质量流量计的难点[1~4]。本文针对以上问题研究机载质量流量计的主要元件的结构,得出影响转动力矩、压力差、质量感应轮阻力矩以及测量灵敏度等相关参数,利用CFD(computationalfluiddynamics)数值仿真App计算质量流量计的主要性能参数,并测试相关参数的性能。

    1 质量流量计工作原理

    新型机载质量流量计结构如图1所示。在同一转动轴线O-O'上安装两个可转动的轮子,分别称为主动轮和质量感应轮,两轮之间利用扭转弹簧连接。主动轮的边缘处开有小孔,此小孔轴线与仪器旋转轴线成一定角度α,如图2所示。当流体经过小孔时,在主动轮圆周方向产生分力,此分力为整个仪器提供转动力矩。质量感应轮的作用是流体流经质量感应轮后,流体产生角速度ω,使得质量感应轮受到阻力矩Mi(i=1~6)。要使主动轮与质量感应轮以相同转速运动,必须使扭簧上产生1个扭转力矩来平衡质量感应轮所受到的阻力矩Mi.因此在主动轮和质量感应轮达到某一转速时,两轮间将产生一定的相位差。为能实时检测出主动轮和质量感应轮之间的相位差,在这两个轮上各安装8个磁铁,每旋转1周,检测器将检测出8个脉冲信号。通过对两轮脉冲信号之间时间差计数,得到时间差Δt,则可测得被测流体质量流量。

    2 主动轮动力学性能

    机载质量流量计的主动轮为整个仪表提供动力,其第一代的形状如图2所示。由于流体对主动轮的绕流是以转动轴O-O'为对称轴,所以在半径为r(见图2)且垂直于转动轴的圆周上流动的各个物理量是相同的。沿母线a-b把半径为r的圆柱切开,并展开成平面,主动轮所有小孔与圆柱面相切的截面在平面上近似的构成了叶栅,如图3所示.由于叶栅是转动轴的对称体,且流动对转动轴对称,所以可认为叶栅向两个方向都延伸到无穷远,得到无限的叶栅绕流模型,可化简为二维流动问题,假设液体为理想流体,小孔直径很小,油料在进入小孔之前在直管段流动,被测介质进入小孔前,速度v沿管道截面均布,方向如图3所示[4,5]。

    图3中,设流体进入小孔前,相对小孔壁面的速度为vb,若主动轮以角速度ω绕转动轴旋转,在半径r处,流体流经小孔的线速度为ω′r,则有

    设v=vxa,由文献[4]可得主动轮转矩

      (1)

    式中:R2和R1分别为小孔距转动轴最近及最远端的相切圆半径;ρ为被测介质密度。

    式(1)中T总为正值,在保持R1不变时,可知T将随R2和α的增加而增加,理论上增大了转矩。

    当主动轮的转速处于稳定状态时,各种旋转力矩达到动平衡,将式(1)代入力矩平衡方程得到主动轮的角速度    

    (2)

    3 质量感应轮特性

    质量感应轮的作用是直接检测油料质量流量,因此形状对检测质量流量精度起到关键作用。经反复验证和测试,最后可得其外形结构,如图4所示。

图4 质量感应轮

    由文献[4]可得质量感应轮所受到的阻力矩

    (3)

    式中:qm为质量流量计的质量流量;r1为叶片内径;r2为叶片外径;m为流体质量.在式(3)中,(r42-r41)可分解为(r22-r21)(r2+r1)(r2-r1),其中(r2-r1)为叶片的高度。在相同的质量流量下,叶片的外沿直径越大,高度越高,质量感应轮所受到的阻力矩越大;在叶轮其它参数不变时,叶轮的外径与仪表所受到的阻力呈非线性关系。由质量流量计的测量原理可知,蜗圈弹簧的变形量与质量流量呈正比关系,在相同条件下,质量流量计受到阻力矩越大,其灵敏度越高,对微小的质量流量的变化越敏感。因此,在设计质量感应轮的(r2-r1)和r2时,应综合考虑。

    在设计时,还应考虑质量感应轮转动惯量对测量的影响,由式(4)得

    式中:L为某一转速ω下的总角动量;L0为被测油料介质角动量和;L1为质量感应轮角动量。由角动量定理和式(4)可得,质量感应轮的质量越轻或者它们的质心越靠近转动轴,转动惯量越小。所以当蜗圈弹簧的刚度一定时,在相同的质量流量情况下,L1越大,弹簧变形量越大,测量范围越低,对质量流量的测量不利。因此,质量感应轮的质量应尽量轻或者它们的质心应尽量靠近转动轴,使转动惯量变小,有利于测量。

    4 流量计结构CFD仿真

    仿真中所用控制方程一般包括连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。由于所研究被测介质为燃油,令其为不可压缩的流体,由于热交换量很小,可忽略不计,所以本文中不考虑能量守恒方程。

    4.1 建立求解模型

    由于机载质量流量计的结构复杂且尺寸较小,所以选用SolidworksApp进行三维建模。主动轮和质量感应轮采用四面体对其进行网格划分。根据机载工作环境,入口边界条件和出口边界条件分别设为速度入口和速度出口。考虑实际流动和迭代时间,选取隐式分离求解器,速度方程采用绝对速度方程[6]。根据质量流量计内部流动情况,采用湍流模型来计算内部流场[7]。目前判断收敛性常用的方法是将残差值减小到三阶量级以下[8],但这种要求不适合本文中的质量流量计流场。经分析采用CFD仿真方法不仅需要用残差来判断收敛性,而且还要用监视出口压力、流量、转矩等相关的量[9,10]。

    4.2 计算结果与分析

    (1)静压计算

    设置仿真参数时,质量流量设置在40~900kg/h,通过仿真计算,可求出仪器静压差并判断能否满足性能指标要求.图5(a),(b)分别为仿真计算后,质量流量计中主动轮和质量感应轮附近的速度场.从图5(a),(b)可看出质量流量计的流场分布与设计相近,仿真能反映出流场的实际情况.根据机载环境要求,被测燃油流体通过质量流量计主动轮后,压力差小于8.0kPa。通过质量感应轮后,压力差小于2.0kPa,燃油能在油路中顺利传递。质量流量计在测量大流量时,主动轮与质量感应轮出口压力差如图6和图7所示。从图6和图7可看出,质量感应轮的静压差能够满足设计要求。但从图6仿真结果可得出,燃油流经主动轮后的静压差过大,超过规定值,能量在此处损失严重,不能满足机载要求,应考虑改变主动轮结构。改变后第二代主动轮表面流道网格和其仿真后的速度矢量场如图8所示。从图8中可看出,在主动轮中部开有多个小孔,高流速时将减小主动轮对流体的阻力和能量损耗。图9为燃油流经改进后主动轮的静压变化,由图9可知,静压差大幅度下降,下降了2kPa左右。

    (2)主动轮转动力矩计算

    主动轮的转动力矩对质量流量计的正常工作起关键作用,若旋转力矩太小,整个仪器将不能转动。为此改变主动轮上小孔孔径和倾斜角,建立起相应的几何模型,质量流量在40~900kg/h范围内,计算主动轮的转动力矩.由式(1)可看出,主动轮所受到的转矩与倾斜角有关,倾斜角越大,主动轮受到转动力矩越大,但随着小孔倾斜角的增大,在主动轮附近流场变得混乱,呈湍流状态,流体内部质点间增加互相碰撞,摩擦碰撞导致流体质点间发生混合及分裂,使流体的物理量(动量、能量、热量等)与主动轮的表面发生交换,能量损耗增大。在小孔倾斜角增大时,流体提供给主动轮的有效动力矩减小,经实验可得倾斜角与动力矩关系如图10所示。由图10可知,在倾斜角为45°时,主动轮所受到的转动力矩最大。在其它条件不变条件下,分别改变孔径和质量感应轮叶片高度,可得到不同的力矩及阻力矩,结果见表1和表2。由表1中可知,随着孔径的增大,主动轮上所受到的力矩也随之增加,与式(1)一致。从表2可看出,在质量感应轮其它参数不变条件下,随着叶片的高度增加,质量感应轮的阻力矩与仪表灵敏度也随之增加。通过仿真计算可得,改进主动轮后,质量流量在40~900kg/h范围内,主动轮的驱动力矩大于各种阻力矩,质量流量计能够进行正常的运转和测量。

    5 试验

    根据CFD仿真结果,已研制出两台原理样机,并完成相关的标定测试工作。标定测试试验采用静态质量法液体标准装置,该试验装置由稳压燃油源、夹表器、调节阀、换向器和标准量器等组成油路循环测试系统。标准量器由1个正方体容器和1个高精度标准秤组成,能够精确的测得标准油料质量,该试验装置的测试精度达到0.05%。测试时,首先保持被测机载质量流量计稳定在所标定的相位差上,然后在规定时间内由高精度标准秤秤出流入标准量器的油料重量,用其所测出油料重量除以测试时间即可得瞬时流量,求出相位差与所测油料质量流量的内在关系,由此测定流量计的仪表常数和精度,试验结果如图11所示。从图11中可看出,质量流量在48~890kg/h范围内,线性度较好,仪表精度可达1级。在此流量范围内,主动轮所受力矩均大于质量感应轮阻力矩,静压差为3.0~6.0kPa,表明仿真计算主动轮所受力矩与实际情况相同,设计满足要求。

    (1)主动轮上小孔为整个仪表装置提供转动力矩,转动力矩大小由小孔倾斜角度和小孔直径所决定,可通过适当增加小孔倾斜角度和小孔直径来增加转动力矩,当其倾斜角为45时,仪表处于最佳状态。

    (2)为降低压力差,在主动轮和导流装置的中部开孔(图8(a)所示),从数值计算的结果可看出,在测量大流量时,经过主动轮的压力降将大幅度降低。

    (3)增加质量感应轮的叶片高度,可提高质量感应轮所受到的阻力矩和仪表灵敏度,因此测量弹簧刚度的选取与对应的叶片的高度有关。

 


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