汽油渦輪流量計應用

汽車用渦輪流量計葉片造型的優化方案，軸向型渦輪流量計因其諸多優點，不僅被廣泛地應用于源水和供水系統凈水流量的測量中，而且在石油，有機液體，無機液，液化氣，天然氣和低溫流體等測量對象中也獲得廣泛應用[1]。汽車用渦輪流量計的流體工作流速小，工作口徑小，因此渦輪葉片的尺寸造型參數的變化會引起流量計的性能高低發生較大的變化，亦即關系到流量計的計量精度。本文提出的是對渦輪流量計的造型參數進行多組有限元仿真后，得到的渦輪造型的過程，以流體對葉片產生的轉矩仿真結果為依據，提出渦輪葉片造型的優化方案，提高車用流量計的計量精度。

2 流體力學有限元分析法概述

2.1 連續方程

在直角坐標系（x，y，z）中，連續方程為：

上式中的項密度變化可用壓力變化替代

式中：β—大數（如1015）。該式說明在不可壓流中壓力波以無窮大速度傳播；流體模型為不可壓縮流，其流體方程的基本形式如上。

2.2 ANSYS軟件的采用

利用美國ANSYS股份有限公司開發的計算流體動力學有限元分析軟件ANSYSCFX能夠計算該渦輪流量計的內流場，對葉片表面壓力積分就能得到渦輪葉片所受到的液力和扭矩。

3 流量計葉輪及管道的有限元仿真

3.1 有限元模型的建立

對于渦輪流量計的ansys建模：由于要分析管道內的流體，以及流體對于渦輪葉片的作用力以及產生的轉矩，所以把流量計建模為一道長直圓柱管道，渦輪葉片的位置處于前后連接管中間的殼體中點處；整個模型的建立對象為流量計中的流體，網格面為流體流經的端面，基于此模型便可進入CFX進行計算，得到的結果就是流量計中流體的運動場與壓力云圖等相關數據。在Catia軟件中進行模型的初步建立，而后導入Ansys中進行進一步處理完成，如圖2所示。

3.2 流體域的創建

在流體CFD分析過程中，首先要創建流體的流進，流出以及壁的域；針對此模型，需要創建inlet域，位于前連接管的端面；還有outlet域，位于后連接管的端面；管道的壁劃為一個wall域，另外流體經過渦輪的葉片，所以渦輪葉片也劃分為一個wall域。具體劃分情況，如圖3所示。

3.3 CFX網格的劃分

劃分流體網格之前要經過很多設置，在ANSYSWorkBench之中打開已導入的模型，并劃分完畢流體域之后，就要開始對網格的劃分進行設置：結合渦輪葉片的外徑為12mm的尺寸要求，在Mesh的下拉菜單里，點SPACing的DefaultBodySpacing，并設置MaximumSpacing的數值為1.35，采用的是金字塔形的單元格劃分，如圖4所示。接著對DefaultFaceSpacing的相關詳細參數等分別進行設置，設置完畢后，生成cfx體網格。

3.4 邊界條件的設置

按照流體有限元分析的一般方法，須設置入流參數，出流參數，以及流體壁的參數等。對于此模型，共有4個邊界條件需要設置，入口處的in域設為inlet，出口的out域設為outlet，流體的壁設為wall，渦輪葉片表面也設為wall，流體從in處流入，從out處流出，如圖5所示。Inlet處流體速度設置為流量計要求的一般油速，公共汽車汽油流速平均為0.0369m/s，區域為整個入流端面“in”。Outlet處設置成wall，區域為整個流出端面“out”。再限制模型的圓柱體管道壁和渦輪葉片壁為wall即可。

進入quicksetup設定各個邊界條件的詳細參數，流體屬性在此采取簡單流體，并采取油的密度和黏度屬性，模擬油的流動過程；入口處邊界參數設置，如圖6所示。

3.5 分析結果

以上設置完畢后，進入CFX-Solver得到有限元分析的結果，可以得到流體的流動速度圖，并計算出流體對葉片造成的轉矩，如圖7、8所示。

在綜合各個葉片加工角度以及葉片數目的仿真結果后發現6葉片的轉矩普遍較大并且適合口徑要求，因此得出以下的6葉片葉輪轉矩曲線圖8，粗略的以5度為單位從10°計算到50°，以此圖來看，（15～25）°之間屬于轉矩較大值的分布區間，我們考慮到液體工作狀況下渦輪葉片傾角25°以下葉片重疊度太大，相應葉輪表面積增大，粘性摩擦阻力矩影響增大，造成渦輪葉片容易受損，因此理想的加工傾角取25°附近。

圖8 各種角度下的轉矩數值

由于螺旋葉輪的結構參數是與多種因素縱橫相關的，測量管道中流體的流動狀態又極其復雜，要從理論計算上找出參數值是非常困難的；根據汽車用渦輪流量計的流量小，管道直徑小的特殊工況要求，在前人對渦輪流量計精度研究的基礎上，提出了一套利用有限元仿真來幫助改進流量計精度和性能的方法，較為簡便直接，從而有針對性的提高了此類流量計的計量精度。

完成的工作有兩點：（1）完成對流量計中流體的有限元建模過程。（2）完成流體的有限元仿真，計算得出葉片工作時受到的轉矩值大小。

通過多組仿真數據的綜合對比，最后取25度附近的加工角度為加工角度，為汽車用渦輪流量計最關鍵部分--渦輪葉片的造型參數提供了寶貴的參考。