车用涡轮流量计叶轮的有限元分析

中图分类号：TH12，U463.33 文献标识码：A
1 前言
轴向型涡轮流量计因其诸多优点，不仅被广泛地应用于源水 和供水系统净水流量的测量中，而且在石油，有机液体，无机液，液 化气，天然气和低温流体等测量对象中也获得广泛应用[1]。汽车用涡 轮流量计的流体工作流速小，工作口径小，因此涡轮叶片的尺寸造 型参数的变化会引起流量计的性能高低发生较大的变化，亦即关系 到流量计的计量精度。本文提出的是对涡轮流量计的造型参数进行 多组有限元仿真后，得到最佳的涡轮造型的过程，以流体对叶片产 生的转矩仿真结果为依据，提出涡轮叶片造型的优化方案，提高 车用流量计的计量精度。涡轮流量计特性曲线，如图 1 所示。
完成的工作有两点：（1）完成对流量计中流体的有限元建模 过程。（2）完成流体的有限元仿真，计算得出叶片工作时受到的转 矩值大小。
通过多组仿真数据的综合对比，最后取 25 度附近的加工角 度为最佳加工角度，为汽车用涡轮流量计最关键部分--涡轮叶片 的造型参数提供了宝贵的参考。
参考文献
1 范志华，刘枫. 涡轮流量计在流量测量中的应用. 气象水文海洋仪器，2007 2 石书喜，董浩，王铁成，路小燕. 涡轮流量计对液体流量的计量. 测量与设
Beijing 100124，China）
【摘 要】主要阐明了对车用涡轮流量计的机械结构进行有限元分析的过程，结合分析结果对涡轮 流量计的叶片造型参数提出改进方案。首先使用 Catia 软件对流量计机械结构和管道中的流体进行建模， 然后导入 ANSYS CFX 进行流体分析，得出仿真结果后，经过对比确定叶片的造型参数，使得流量计计量 精度提高。
3.5 分析结果
以上设置完毕后，进入CFX-Solver 得到有限元分析的结果， 可以得到流体的流动速度图，并计算出流体对叶片造成的转矩， 如图 7、8 所示。
图 2 整体的流体网格
图 6 入口处边界参数设置
图 7 转矩的计算结果
在综合各个叶片加工角度以及叶片数目的仿真结果后发现
6 叶片的转矩普遍较大并且适合口径要求，因此得出以下的 6 叶
备，2001 3 张新平. 涡轮流量计精度与直管段长度之关系. 油气田地面工程，2004 4 杨和余，李武，戴建立，石晟. 液力制动器叶轮三维流体力学有限元优化. 煤
矿机械，2002
图 1 涡轮流量计特性曲线
2 流体力学有限元分析法概述
2.1 连续方程
在直角坐标系（x，y，z）中，连续方程为：
坠ρ + 坠（ρV）x + 坠（ρV）y + 坠（ρV）z =0
坠t 坠x
坠y
坠z
（1）
＊来稿日期：2009-01-06
上式中的第一项密度变化可用压力变化替代
坠ρ 坠t
＝
坠ρ 坠P
·坠坠Pt
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文章编号：1001-3997（2009）11-0022-02
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
车用涡轮流量计叶轮的有限元分析
第 11 期 2009 年 11 月
杨文通 王 威 赵永胜 安国平 王 哲 （北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）
（2）
对于不可压缩流
坠ρ 坠t
＝
1 β
（3）
式中：β—大数（如 101）5 。该式说明在不可压流中压力波以无穷大速
度传播；流体模型为不可压缩流，其流体方程的基本形式如上。
2.2 ANSYS 软件的采用
利用美国ANSYS 股份有限公司开发的计算流体动力学有限
元分析软件 ANSYS CFX 能够计算该涡轮流量计的内流场，对叶
杨文通等：车用涡轮流量计叶轮的有限元分析
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壁的域；针对此模型，需要创建 inlet 域，位于前连接管的端面；还 有 outlet 域，位于后连接管的端面；管道的壁划为一个 wall 域，另 外流体经过涡轮的叶片，所以涡轮叶片也划分为一个 wall 域。具 体划分情况，如图 3 所示。
过程；入口处边界参数设置，如图 6 所示。
片表面压力积分就能得到涡轮叶片所受到的液力和扭矩。
3 流量计叶轮及管道的有限元仿真
3.1 有限元模型的建立
对于涡轮流量计的ansys 建模：由于要分析管道内的流体，以
及流体对于涡轮叶片的作用力以及产生的转矩，所以把流量计建
模为一道长直圆柱管道，涡轮叶片的位置处于前后连接管中间的
壳体中点处；整个模型的建立对象为流量计中的流体，网格面为
片叶轮转矩曲线图 8，粗略的以 5 度为单位从 10°计算到 50°，以
此图来看，（15～25）°之间属于转矩较大值的分布区间，我们考虑
到液体工作状况下涡轮叶片倾角 25°以下叶片重叠度太大，相应
叶轮表面积增大，粘性摩擦阻力矩影响增大，造成涡轮叶片容易
受损，因此理想的加工倾角取 25°附近。
图 3 模型流体域的划分
关键词：涡轮流量计；ANSYS；Catia；CFD（Computational Fluid Dynamics） 【Abstract】It analyses the Turbine Flowmeter which used by buses with Ansys software. Referring to the analysis result，a better scheme of the lamina measure parameter has been given. The configuration modeling of this Turbine Flowmeter and liquid in which are finished by Catia software，then be inserted into Ansys CFX，at last we will have a simulation result which can be compared and improved，then the precision of this Turbine Flowmeter will be increased. Key words：Turbine flowmeter；Ansys；Catia；CFD（Computational Fluid Dynamics）
Finite elements analysis of the turbine flowmeter used by bus
YANG Wen-tong，WANG Wei，ZHAO Yong-sheng，AN Guo-ping，WANG Zhe （College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，
流体流经的端面，基于此模型便可进入 CFX 进行计算，得到的结
果就是流量计中流体的运动场与压力云图等相关数据。在 Catia
软件中进行模型的初步建立，而后导入 Ansys 中进行进一步处理
完成，如图 2 所示。
3.2 流体域的创建
在流体 CFD 分析过程中，首先要创建流体的流进，流出以及
第Leabharlann Baidu11 期
图 4 网格划分设置参数
图 5 边界条件设置
进入 quick setup 设定各个边界条件的详细参数，流体属性
在此采取简单流体，并采取油的密度和黏度属性，模拟油的流动
图 8 各种角度下的转矩数值
4 小结
由于螺旋叶轮的结构参数是与多种因素纵横相关的，测量管 道中流体的流动状态又极其复杂，要从理论计算上找出最佳参数 值是非常困难的；根据汽车用涡轮流量计的流量小，管道直径小 的特殊工况要求，在前人对涡轮流量计精度研究的基础上，提出了 一套利用有限元仿真来帮助改进流量计精度和性能的方法，较为 简便直接，从而有针对性的提高了此类流量计的计量精度。
3.4 边界条件的设置
按照流体有限元分析的一般方法，须设置入流参数，出流参 数，以及流体壁的参数等。对于此模型，共有 4 个边界条件需要设 置，入口处的 in 域设为 inlet，出口的 out 域设为 outlet，流体的壁 设为 wall，涡轮叶片表面也设为 wall，流体从 in 处流入，从 out 处 流出，如图 5 所示。Inlet 处流体速度设置为流量计要求的一般油 速，公共汽车汽油流速平均为 0.0369m/s，区域为整个入流端面 “in”。Outlet 处设置成 wall，区域为整个流出端面“out”。再限制模 型的圆柱体管道壁和涡轮叶片壁为 wall 即可。
3.3 CFX 网格的划分
划分流体网格之前要经过很多设置，在 ANSYS WorkBench 之中打开已导入的模型，并划分完毕流体域之后，就要开始对网 格的划分进行设置：结合涡轮叶片的最大外径为 12mm 的尺寸要 求，在 Mesh 的下拉菜单里，点 Spacing 的 Default Body Spacing，并 设置 Maximum Spacing 的数值为 1.35，采用的是金字塔形的单元 格划分，如图 4 所示。接着对 Default Face Spacing 的相关详细参 数等分别进行设置，设置完毕后，生成 cfx 体网格。