结题报告.pptx
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1、螺旋式涡轮流量计与单叶轮容积式流量计的理论研究与优化结 题 报 告2024/8/11 周日1USTC2024/8/11 周日2合同内容螺旋式涡轮流量计理论研究与数值仿真:螺旋式涡轮流量计理论研究与数值仿真:1、通过理论研究、数值仿真及原理实验相结合的办法,确定螺旋式涡轮流量计各个结构参数(螺旋角、轴承阻力、叶片数量、重叠度、间隙、轮毂等)与仪器常数K值及启动排量的关系并分析出主要影响因素及次要影响因素,总结出合理的数学模型;2、结合上述研究成果,总结出螺旋式涡轮流量计在低流量测试条件下的设计指导原则,结合室内试验给出螺旋式涡轮流量计优化方案。3、探讨流体的物理性质对涡轮流量计响应规律的影响;单
2、叶轮容积式流量计机理研究及优化:单叶轮容积式流量计机理研究及优化:1、单叶轮容积式流量计的驱动机理与响应规律研究;2、对单叶轮容积式流量计的叶片数量及形状、进液口和出液口位置、大小及内部流道结构等结构参数及流体粘度对其启动排量的影响进行研究;3、结合室内实验提出优化方案。USTC研究内容2024/8/11 周日3数学模型和结构参数影响数学模型和结构参数影响设计指导原则设计指导原则流体物理性质影响流体物理性质影响螺旋式涡轮流量计螺旋式涡轮流量计螺旋式涡轮流量计螺旋式涡轮流量计驱动机理和响应规律研究驱动机理和响应规律研究参数影响研究参数影响研究设计优化方案设计优化方案单叶轮容积式流量计单叶轮容积式
3、流量计单叶轮容积式流量计单叶轮容积式流量计(即切向涡轮流量计)(即切向涡轮流量计)(即切向涡轮流量计)(即切向涡轮流量计)USTC第一部分第一部分 螺旋式涡轮流量计的理论研究与数值仿真螺旋式涡轮流量计的理论研究与数值仿真2024/8/11 周日4螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响1螺旋式涡轮流量计的设计指导原则2流体物理性质对涡轮流量计的响应规律影响3USTC2024/8/11 周日51、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响研究思路研究思路USTC2024/8/11 周日61、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响理论模型理论模型涡轮的设计参数:叶片数目N叶片顶端半径Rt轮毂半径R
4、h叶片螺旋角a(不同半径处不同)轮毂长度Lh叶片厚度Tb流动管道半径Ro主要的相关无量纲参数:u叶片数目Nu叶片顶端间隙比(Ro-Rt)/(Rt-Rh)u叶片均方根半径处功角au叶片重叠度u轮毂半径比Rh/RoUSTC2024/8/11 周日71、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响Td为涡轮转动的驱动力矩;Th为轮毂表面的粘性阻力矩;Tt为叶片顶端与传感器外壳的粘性摩擦阻力矩;Tw为轮毂端面粘性摩擦阻力矩;Tb为轴与轴承的粘性摩擦阻力矩(流动产生的力矩);Tm为磁电阻力矩,轴与轴承的机械摩擦阻力矩;J为涡轮的转动惯量;为涡轮转动的角速度。涡轮转动力矩方程:可由叶栅理论或数值模拟求得可由粘
5、性流体力学根据具体情况求出精确解未知,但相对较小,在涡轮转速较高时可以忽略可由涡轮的材质等参数计算待求量USTC2024/8/11 周日81、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响叶片驱动力矩求解r0转换为叶栅条件:Vr极小,流线是半径相等的螺旋线。USTC2024/8/11 周日91、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响各阻力矩求解u轮毂表面摩擦阻力矩:u轮毂端面摩擦阻力矩:u叶片顶端摩擦阻力矩:u轴承上的流体摩擦阻力矩:u轴承上的机械摩擦阻力矩和电磁阻力矩USTC2024/8/11 周日101、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响入口速度分布层流湍流过渡阶段USTC2024/8/
6、11 周日111、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响理论求解结果与实验对比优势优势:易改变参数易改变参数求解速度快求解速度快可研究范围广可研究范围广理论研究手段缺陷缺陷:流动分离会造流动分离会造成误差成误差启动排量不准启动排量不准确确无法计算沿半无法计算沿半径方向流动径方向流动USTC2024/8/11 周日121、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响数值模拟方法数值模拟方法ANSYS Turbo SystemANSYS Workbench协同仿真平台ANSYS BladeGen旋转机械叶片设计ANSYS Design Modeler 通用几何建模ANSYS TurboGrid旋转机
7、械网格划分ANSYS FLUENT&CFX 通用求解器ANSYS CFD-POST通用后处理器USTC2024/8/11 周日131、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响几何模型及网格计算域为单个叶片及其周边流场网格数为25万六面体网格在计算过程中,我们采用单一变量(涡轮直径、高度、材质、螺旋角、轴承阻力、叶片数量、重叠度、间隙、轮毂等)的方法进行计算;即是指在考察某一参数对涡轮流量计的影响时,保持其他的参数不变,这样便于比较和分析;并对后续的工作带来一定的便利。USTC2024/8/11 周日141、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响=0,span=0.5 速度分布图USTC202
8、4/8/11 周日151、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响实验方法实验方法单项实验平台平台采用透明外壳涡轮流量计优势:准确判断涡轮是否启动测量涡轮低速转动观察到涡轮不均匀转动USTC2024/8/11 周日161、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响油水两相油水两相实验平台平台水路油路油水混合处涡轮流量计USTC2024/8/11 周日171、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响三相流三相流实验平台平台密度kg粘性mPa.s表面张力mN/m柴油8651.520.15水9921.020.15实验用流体USTC2024/8/11 周日181、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响
9、参数影响分析参数影响分析主要参数叶片顶端间隙机械摩擦阻力矩轮毂半径叶片个数叶片重叠度叶片螺旋角USTC2024/8/11 周日191、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响总体分析涡轮转动的力矩平衡方程:转动惯量涡轮响应敏感程度涡轮响应敏感程度启动排量启动排量迟滞效应迟滞效应转动惯量转动惯量涡轮质量影响USTC2024/8/11 周日201、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响机械摩擦阻力矩理论计算结果机械阻力矩启动排量 方/天5.00E-061.341.00E-060.645.00E-070.461.00E-070.245.00E-080.18启动排量差别启动排量差别K K值差别(小于
10、值差别(小于5%5%)阻力矩/J相对差别小于5%流量5.00E-067.38方/天1.00E-063.16方/天5.00E-072.11方/天1.00E-070.75方/天机械摩擦阻力矩对k值影响较小,对启动排量影响较大。USTC2024/8/11 周日211、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响数值模拟结果数值模拟结果转速流速实验结果实验结果 在在层流条件下流条件下涡轮流量流量计具有具有较好的好的线性度且不受摩擦力矩的性度且不受摩擦力矩的影响,影响,轴承摩擦承摩擦仅仅影响的是启影响的是启动排量。排量。只要摩擦阻力矩相差不超只要摩擦阻力矩相差不超过一个数量一个数量级,对于于涡轮线性段的性段
11、的K值响响应就不会就不会产生影响。生影响。USTC2024/8/11 周日221、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响叶片个数影响理论计算不同叶片数涡轮流量计响应结果重叠度、叶片攻角保持不变重叠度、叶片攻角保持不变数值模拟不同叶片数涡轮流量计启动排量叶片长度、叶片攻角保持不变叶片长度、叶片攻角保持不变在不改在不改变叶片重叠度和螺旋角的条件下,叶叶片重叠度和螺旋角的条件下,叶片数目片数目对涡轮响响应情况并情况并无明无明显影响影响,属,属次次要因素要因素,叶片个数,叶片个数4-6个个为宜。宜。USTC2024/8/11 周日231、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响叶片顶端间隙影响理论计
12、算结果叶片顶端阻力矩叶片驱动力矩如果用于如果用于测量低流量,量低流量,则需将需将间隙做小一点,使隙做小一点,使涡轮容易启容易启动;如果需要如果需要测量高流量,量高流量,则可将可将间隙隙调大但此大但此间隙也不宜超隙也不宜超过2mm。USTC2024/8/11 周日241、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响数值模拟结果数值模拟结果不同间隙下单个叶片力矩流速图间隙与启动流速的关系对于19mm涡轮,叶片顶端间隙0.4mm适宜启动最佳叶片顶端间隙与动量边界层厚度一致USTC2024/8/11 周日251、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响实验结果实验结果不同叶片顶端间隙响应图u叶片叶片顶端端
13、间隙越大的隙越大的涡轮流量流量计,启,启动排量越大排量越大u叶片叶片顶端端间隙大小隙大小对线性段性段k值影响影响较小小u叶片叶片顶端端间隙隙对启启动排量是主要因素,排量是主要因素,对涡轮K值来来说是次要因素是次要因素USTC2024/8/11 周日261、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响轮毂半径影响涡轮转动惯量涡轮转动惯量叶片驱动力矩叶片驱动力矩轮毂表面摩擦阻力矩轮毂表面摩擦阻力矩轮毂轮毂半径半径USTC2024/8/11 周日271、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响数值模拟结果数值模拟结果综合理论和数值模拟分析结果,可知,随着轮毂半径综合理论和数值模拟分析结果,可知,随着轮毂
14、半径的增大,涡轮流量计的的增大,涡轮流量计的K值会增大,启动排量会减小,但值会增大,启动排量会减小,但由于转动惯量增大和偏心的影响,涡轮流量计的轮毂半径由于转动惯量增大和偏心的影响,涡轮流量计的轮毂半径不易过大,对于目前采用的不易过大,对于目前采用的20mm口径的涡轮流量计,轮口径的涡轮流量计,轮毂半径选取毂半径选取4-5.5mm为宜。为宜。属主要因素USTC2024/8/11 周日281、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响重叠度影响数值模拟结果数值模拟结果理论计算结果理论计算结果实验结果实验结果涡轮流量流量计的重叠度是的重叠度是次要因素次要因素,最佳的重叠度,最佳的重叠度为0.9。在重
15、叠度在重叠度0.8-1.2的范的范围内,重叠度的内,重叠度的变化化对涡轮流量流量计的启的启动和响和响应影响不大影响不大USTC2024/8/11 周日291、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响叶片攻角影响加工螺旋角叶片攻角均方根半径攻角USTC2024/8/11 周日301、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响数值模拟结果数值模拟结果涡轮流量计的螺旋角(实质上表现为叶栅的攻角)是影响涡轮流量计的启动和响应的重要因素重要因素。叶叶栅攻角攻角45度最佳,度最佳,均方根叶栅攻角越接近45度,涡轮流量计的K值越高,启动排量相应也会降低;较高的叶栅攻角也不利于涡轮的响应,所以涡轮流量计外缘半径
16、处叶叶栅攻角不攻角不宜超宜超过60度度。USTC2024/8/11 周日311、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响涡轮直径影响理论计算结果理论计算结果涡轮口径(mm)K值((r/s)/(方/天))109.2445125.4042143.4315162.3195181.6431201.2081直径与直径与k k值关系值关系几何相似的涡轮流量计几何相似的涡轮流量计K值与其几何尺度的立方呈反比。值与其几何尺度的立方呈反比。USTC2024/8/11 周日321、螺旋式涡轮流量计的数学模型和结构参数影响实验结果实验结果涡轮半径影响u涡轮口径是影响涡轮流量计启动和响应K值的主要因素。u随着涡轮流量
17、计半径的增加,启动排量升高,K值降低。u几何相似的涡轮流量计K值与其几何尺度的立方呈反比。USTC2024/8/11 周日332、螺旋式涡轮流量计的设计指导原则设计参数参数对启启动排量影响排量影响对涡轮K值影响影响 备注注涡轮质量次要因素次要因素影响响应敏感度轴承阻力主要因素次要因素低转速时不稳定叶片个数次要因素次要因素重叠度和攻角不变时叶片顶端间隙主要因素次要因素最小涡轮动量边界层相仿轮毂半径主要因素主要因素会影响涡轮转动惯量叶片重叠度次要因素次要因素在0.8-1.2范围内叶片攻角主要因素主要因素45度左右最佳涡轮口径主要因素主要因素K值与其几何尺度的立方呈反比各参数综合分析各参数综合分析U
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