（流体机械及工程专业论文）dn25新型户用热量表基表性能的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着国内住房建筑面积的扩大以及低温地面辐射采暖形式的广泛使用，室内 供热量相应地增加，d n 2 5 供热管道大量的应用于现代住房中，在这种形势下迫 切需要对d n 2 5 新型户用热量表进行研究。对我国主要研发的机械式热量表，影 响其测量精度的最主要参数为热流体的温度和流量，在已具备较为精确的温度测 量方式的基础上，为提高热量表的流量测量水平本课题展开了对d n 2 5 热量表基 表性能的研究，通过提高基表的性能从而达到了提高热量表整体性能的目的。 本文采用了理论分析、数值模拟计算与实验研究相结合的方法开展了课题的 研究。应用计算流体力学理论并借鉴已有的数值模拟经验，对基表的内部流场进 行了三维数值模拟计算。一方面研究了d n 2 5 圆柱式户用热量表基表的性能，通 过计算基表内部流场分布以及流经基表的压损、仪表系数等热量表的关键性能参 数，分析了基表内部叶轮与叶轮室上下间隙、叶尖间隙以及基表内径的改变对热 量表性能的影响，研究得出增大叶轮与叶轮室上下间隙及叶尖间隙，扩大基表内 径可以有效地降低热量表的压损，并依据上面的研究总结出满足国家标准要求的 圆柱式基表的结构优化方案；另一方面以结构优化的圆柱式基表作为参考，研究 了d n 2 5 圆台式基表的性能，分析了叶轮室开口形状、导流片以及底肋对圆台式 热量表性能的影响，研究得出圆台式基表中叶轮室的合理开口形状为梯形，开设 导流槽可以对进出口的水流起到有效的导向作用，导流片悬空、减小底肋高度是 降低热量表压损的有效手段，改变底肋角度会影响到叶轮旋转的稳定性，并依据 以上的分析给出了合理的d n 2 5 圆台式基表的设计方案；最后本文对d n 2 5 圆台 式热量表进行了实验，研究发现d n 2 5 圆台式热量表具有较好的重复性及稳定 性，并通过圆柱式与圆台式热量表的实验及数值计算结果的对比，综合分析了基 表外形改变对热量表性能的影响，得出圆台式基表具有相对较优的性能。 本文的研究方法正确且结果准确，总结出的圆柱式热量表基表的结构优化方 案以及圆台式热量表基表的设计方案，可以为目前国内需求不断扩大的d n 2 5 新 型热量表的生产提供科学的理论依据和指导。 关键词：d n 2 5 热量表圆柱式圆台式数值模拟压损仪表系数 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ei n d o o rh e a t i n gi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n ga r e ao ft h ei n t e r n a lh o u s e b u i l d i n ga n dt h ee x t e n s i v eu s i n go ft h er a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m ，t h ed n 2 5h e a t i n g p i p e l i n e sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h em o d e mh o u s e s i nt h i sc a s ei ti s u r g e n t l yt or e s e a r c ha n do p e no u tt h en e wh e a t m e t e rw i t hd n 2 5 t ot h er o t a r yw i n g h e a tm e t e r ，t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r et h et e m p e r a t u r ea n dt h ef l u x o nt h eb a s eo f p o s s e s s i n ga c c u r a t et e m p e r a t u r es e n s o r s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e d n 2 5b a s i cm e t e ri no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h ef l u xs e n s o r s m e t h o d sm a i n l y a d o p t e di n t h i st e x t i n c l u d e ：t h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t 。b a s e do nt h ee x i s t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i e n c e ， v a l u es i m u l a t i o ni sm a d et ot h eh e a tm e t e rw i t ht h eh y d r o - m e c h a n i c a ls o f t w a r e 。f i r s t t h i sp a p e rs t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ed n 2 5c o l u m nf o r mh e a t m e t e r , a n da n a l y z e s t h ei n f l u e n c e so ft h eu pa n dd o w nc l e a r a n c e ，t h er i g h ta n dl e f tc l e a r a n c ea n da l s ot h e d i a m e t e ro ft h eb a s i cm e t e rt ot h em e t e r sp e r f o r m a n c e ，i ti sf o u n dt h a tt h ea b o v e m e a s u r e sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep r e s s u r el o s i n g ，f i n a l l yt h i sp a p e ro p t i m i z e st h e c o l u m nf o r mh e a t m e t e rb a s i n go nt h ea b o v ea n a l y s e s ；s e c o n d l yt h i sp a p e rs t u d i e st h e p e r f o r m a n c eo ft h en e wc i r c l ed a i sd n 2 5h e a t - m e t e rb a s i n go nt h er e c o n s t r u c t i v e d n 2 5c o l u m nf o r mh e a t m e t e r ，a n da n a l y z e st h ei n f l u e n c e so ft h eh a t c hf i g u r e ，t h e s p l i t t e ro nt h ec h a m b e r , a n dt h eb o t t o mr i bt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wc i r c l ed a i s b a s i cm e t e r ，i ti sf o u n dt h a tl o g i c a lh a t c hi se c h e l o n ，t h es p l i t t e rt r o u g hc a nl e a dt h e c u r r e n tf l o w i n gw e l l ，t h es p l i t t e rh a n g i n gi nt h ea i ra n dr e d u c i n gt h eb o t t o mr i bc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ep r e s s u r el o s i n g ，c h a n g i n gt h ea n g l eo ft h eb o t t o mr i bc a l l i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo ft h eh e a tm e t e r ，f i n a l l yt h i sp a p e rd e s i g n san e wc i r c l ed a i s d n 2 5h e a t m e t e rg u i d i n gb yt h ea b o v ea n a l y s e s ；i nt h ee n dt h i sp a p e rs t u d i e st h e p e r f o r m a n c eo ft h ed n 2 5c i r c l ed a i sb a s i cm e t e ra n dt h er e c o n s t r u c t i v ed n 2 5c o l u m n f o r mm e t e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h em e t h o db yt h ee x p e r i m e n t s ，a n d p r i m a r i l ys t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c l ed a i sb a s i cm e t e ga l s ot h ei n f l u e n c eo f t h eb a s i cm e t e rf o r mi ss t u d i e db yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h ee x p e r i m e n t ，i ti sf o u n dt h a tt h ec i r c l ed a i sm e t e rh a sb e t t e rs t a b i l i t y t t 山东大学硕士学位论文 - _ _ - _ _ l - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ l - i l _ - _ _ 一 _ 一 一_ 一_ t h em e t h o d so ft h i sp a p e ra r e r i g h ta n dt h er e s u l t sa r ee x a c t ，t h i sp a p e rg i v e st h e o p t i m i z i n gp r o j e c to ft h ec o l u m nf o r mm e t e ra n dt h ed e v i s i n gp r o j e c to ft h ec i r c l ed a i s m e t e rw i t hd n 2 5 t h i ss t u d yi sq u i t ev a l u a b l et ot h ei n t e r n a lh e a tm e t e r i n d u s t r ya n d h a sq u i t eal o to fd e v e l o p m e n t a lf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：d n 2 5h e a tm e t e r , c o l u m nf o r m ，c i r c l ed a i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r e s s u r e l o s i n g ，m e t e rc o e f f i c i e n t i i i 山东大学硕士学位论文 彳面积，m ? c l f ，c ：，g ；常系数 c p d d d n e p f g q g r h r 乃 死， h 增 a h h i j k i v 主要符号 比热容，j ( k g k ) 管道直径，m q ， r e r e d 热量，l 【j 半径，m 雷诺数 圆形管路雷诺数 公称直径，m s 置，&自定义源项 水力直径，mf ，丁时间，s 残差 力，n 重力加速度，m $ 2 i r 哆 i 。 浮力所产生的紊流动能吒 置均速度梯度所产生紊流动甜 能 ” 沿程能量损失，k j 订 局部能量损失，u 比焓，k j k g 机械能损失，l 【j 比焓差，k j k g 水头，m 紊流强度 叶轮的转动惯量，k g m 2 热量系数，j ( m 3 k ) 驱动力矩，n m 粘性摩擦阻力矩，n m 机械摩擦阻力矩，n m 电磁阻力矩，n m 瞬时速度，m s 时均速度，m s u 7 脉动速度，m s 1 ， 比容，m 3 k g v ，a v体积，m 3 z k 占 孝 位置水头，m 紊流脉动动能 紊流脉动动能的耗散率 局部损失系数 铭，温度，k 或 山东大学硕士学位论文 脉冲当量，脉冲升 长度，m 力矩，n m 瞬时压强，p a 时均压强，p a 脉动压强，p a 温差，k 或 沿程损失系数 动力粘度，p a s 紊流粘性系数，p a s 运动粘度，m z s 密度，k g m 3 压强损失，p a 仃r ，o e普朗特数 质量流量，k g s 体积流量，n 1 3 s f 彩 剪切应力，p a 旋转角速度，r a d s v 9 ， 旯 儿 y p k 三 m p p 卸 知 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：量蕉盟日期：理! 皇：鉴二 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝导师签 日期： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 供暖作为城镇居民的冬季基本生活需求，事关广大群众的切身利益，体现着政 府对民生的关注。我国的集中供热形式是作为生活在寒冷地区的国有企业职工的 一项福利措施开始的【。在过去的近三十年中供热设施迅速的增长，社会经济和 制度发生了巨大的变化，但是旧的运行和管理机制没有发生改变。热量消费仍然 按照传统落后的建筑面积结算收费，使得单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候 条件下发达国家的3 倍1 2 i ，这种制度己与市场经济经营机制越来越不适应，我国 迫切需要进行供热改革。为此国家采取了系列的改革措施。 2 0 0 0 年2 月1 8 日建设部第7 6 号令颁布的民用建筑节能管理规定中 第五条规定：新建居住建筑的集中供暖系统应采用双管系统，并推行温度调节和 户用热量计量装置，实行热量计量收费；鼓励发展分户热量计量技术与装置。此 规定自2 0 0 0 年1 0 月1 日起施行。规定中所指的户用热量计量装置就是热量表， 由此开始了我国的热量计量收费改革。实施建筑采暖计量收费的改革是节约能 源、提高用户用热舒适度、改善大气质量和生态环境的重要途径。 2 0 0 3 年7 月2 4 日，建设部、国家发改委等八个部委又印发了关于城镇供 热体制改革试点工作的指导意见。随后，全国1 5 个省、区的4 7 个城市在集中 供暖的新建居住建筑系统中，推行温度调节和户用热量计量装置即现在已经开始 推行试用户用热量表。并于2 0 0 6 年6 月2 8 日，建设部发布了关于推进供热计 量的实施意见，提出：“要把十一五建筑节能指标细化到供热节能方面，并 落到实处；要从政府机关和公共建筑做起，全面实施供热计量工作，建立和完善 供热计量收费机制”，并明确提出要求：”2 0 0 6 年采暖季前各地应选择一定数量的 政府机构办公楼等建筑进行供热计量改造；2 0 0 8 年采暖季前，政府机构办公楼等 建筑原则上应全部完成供热计量改造，达到热计量的要求。1 3 1 ” 2 0 0 8 年4 月，建设部供热计量改革示范工作已正式启动，北京、天津、长 春、大连、兰州、呼和浩特、包头、唐山、承德、威海、德州、招远等1 2 个城 市成为第一批供热计量改革示范城市。建设部在日前下发的关于组织开展供热 计量改革示范城市工作的通知中要求：立即把城镇供热体制改革工作重点转移 山东大学硕士学位论文 到供热计量改革上来，开展供热计量改革示范城市工作，通过试点取得经验，用 先进典型引路，指导各地全面推进供热计量改革。 国家推出的供热改革措施推动了国内利用热量表进行热计量收费的步伐，目 前我国已有推行热计量收费节能1 0 的报道1 4 j ，而根据发达国家的经验，分户计 量用热的节能率可高达2 0 3 0 i s l ，供热改革使热用户既节约了能源又降低 了热消费，供热单位节省了资金，国家节约了资源，从而真正达到了节能减排的 目的，有利于国家的可持续发展战略。 1 2 国内外热量表的发展及研究现状 从2 0 世纪7 0 年代能源危机以来，欧洲等发达国家十分重视建筑节能工作， 并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。计量供热在西欧、北欧及北美 等地区己经实施多年，施工技术和运行管理也已成熟。 欧洲的“分户控制，分户计量 起源于丹麦和法国，热量表最早的生产和应 用也是在这两个国家1 6 1 。分户热计量在丹麦有悠久的历史，1 9 2 4 年丹麦人就已发 明了最早的热分配表。1 9 9 2 年以前，分户热计量属于市场的自发行为，1 9 9 2 年 1 2 月，丹麦成立了第一个热计量收费委员会，负责制定热计量的基本规程，研 究按热量收费的可能性。法国在热计量收费法规中，明确规定每栋楼必须安装热 计量表，不允许按面积收费，而且在供热管网中热力站的一次网系统和用户的二 次网系统中都分别装有热量表。 德国于上世纪六十年代开始研制热量表，从七十年代初开始用于热能计量， 八十年代初将热量表纳入法制计量管理轨道1 7 1 。1 9 7 6 年德国通过了节能法， 1 9 8 1 年公布了采暖和热水供应计量收费条例，1 9 8 4 年和1 9 8 9 年对此条例进行了 修改。东西德合并后此条例补充规定：前东德地区应在1 9 9 5 年1 2 月3 1 日前实 施热计量收费，它规定每栋楼必须安装热量表，每组换热器必须安装温控阀和热 计量装置。 9 0 年代户用热量表标准定型，设计趋于一致。1 9 9 7 年4 月，欧洲共同体正 式通过的统一热量表标准，代号e n l 4 3 4 1 8 1 ，由此国际上采暖计费制度计费方法 得到了完善，热量计量技术也已基本成熟。 欧洲国家对热量表开展的工作为我国的热计量事业做出了历史性的贡献，为 2 山东大学硕士学位论文 我国热量表行业的发展提供了宝贵的经验及专业指导，我国热量表的自行研制开 始于上世纪九十年代，1 9 9 0 年有关单位作为国家“七五 科技攻关课题，研究仿 制国外热量表。1 9 9 7 - - 2 0 0 0 年，欧洲 标准( e n 1 4 3 4 ) 逐渐被一些企 业单位所了解和重视，包括中国科学院、清华大学、航天部、兵器部等直属的科 研院所、高等学校，先后都以多种形式积极参与到热计量仪表装置的研制开发工 作中来( 9 - 1 们。 我国的热量表行业在经历多年的研究探索后取得了较为显著的成果，对户用 热量表流量计的选用，大致经历了改进热水表结构到改进流量数据远传技术再到 独立或合作开发专用热量表流量计这样一个过程i 加i ，国内热量表行业目前主要研 发的热量表采用的是机械式流量计。由于研发初期国内住房户型较小并且室内以 暖气片供热方式为主，供热管道多为d n 2 0 。因此为配合管道国内有关机械式热 量表的研究也主要集中在d n 2 0 上，并且几乎都是把热量积分计算器作为自主研 发的主要工作，国产热量表在流量测量方面的技术仍比较薄弱。 随着国内建筑住房面积的扩大以及低温地面辐射采暖形式的广泛使用i n l ，室 内的供热量也相应地增加，供热的管道也不仅仅是单一的d n 2 0 管径，d n 2 5 的 供热管道大量的应用于现代住房中。在这种形势下仍然采用d n 2 0 的户用热量表 或者仅仅扩大热量表的开口至d n 2 5 而对其内部各组件不做变动已经不能满足 户用热量测量的要求，因此迫切需要对d n 2 5 新型的户用热量表的基表进行研 究。 1 3 热量表原理与性能分析 1 3 1 热量表的工作原理 国际法制计量组织o i m l r 7 5 规程中，对热量表的定义为：适用于测量在热 交换环路中载热液体所吸收或转换热能的仪器1 1 2 l 。热量表主要由流量传感器、配 对温度传感器和积算仪三部分组成。其工作原理如图1 1 所示： 山东大学硕士学位论文 图1 1 热量表工作原理图 热量表的基本工作原理是：将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的 上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上，流量计发出与流量成正比 的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温差的信号，热量表采集来自三路传感器的 信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。 按照热力学理论其基本热量计量公式1 5 1 为： 一- q = i ，l q m a h d t ( 1 1 ) 式中：q 释放或吸收的热量，u 或k w h ； g 卅流体质量流量，堙办 卜_ 时间，h 幽热循环系统进出口比焓差，灯堙 实际应用中上述的焓差法不被使用，因为比焓差不是直接测量的量。研究所 用热量表在测量时采用的是k 系数法，它实现了热交换系数在温度和压力上的补 偿从而大幅度地提高了热量计量的精度，o i m l r 7 5 国际规程和e n l 4 3 4 欧洲 标准都对热系数k 如何计算有明确的说明蜘捌。应用k 系数法测量热量的计算 公式为： q = k a v a 0( 1 2 ) 式中：后热量系数，热介质( 水) 成分的参数，是热介质在实际温度 的函数，可由温度查表得到，k w h ( m 3 k ) 4 山东大学硕士学位论文 a v 流量传感器测量热介质流过热循环系统体积值，7 1 3 a o - - 热电阻对测量热循环系统进、出口温差值，k 1 3 2 热量表的性能分析 由热量计量公式( 1 2 ) 可知，决定热量表热量测量精度的两个基本参数是 流过热量表的体积流量a v 以及配对温度传感器所传递的温差a 0 。 ( 1 )流量信号的采集 对户用热量表来说，国内外应用比较广泛的流量计为机械式和超声波式两 种。机械式流量计这种流量传感方式可以无需外部电源供电即可完成流量信号的 传递，另外由于机械式流量计还具有启动流速比较低、压损小、量程大、安装拆 卸维护方便，特别是测量原理和结构简单、价格低等优点，使其在国内热量表行 业中得到了普遍的应用0 2 们1 i ，本课题所研究的热量表采用机械式流量计中的旋翼 式测量方式，我们称之为旋翼式基表。旋翼式基表主要分为：单流束，多流束和 双流束。由于在经过多次计算及实验验证之后1 2 2 - 7 3 1 发现双流柬基表的优势突出， 能够克服单流束基表流量测量的精度较差和多流束基表压损大，易于堵塞等缺 点。因此在对基表进行研究时采用的为双流束旋翼式基表，图1 2 为双流束旋 翼式基表的示意图。 双流束基表在流道入口处设置分流片，将整个流道分成一个扩张通道和一个 收缩通道。由流体的连续性方程可知，经收缩通道进入腔体的水流速度增大压强 减小，而由扩张通道进入腔体的水流则速度减小压强增大。这样腔体内部的压强 差将推动水流向压强小的方向流动，从而推动叶轮逆向转动。分流片能使冲击叶 片的水流速度增大，并且改变冲击角度使水流近乎垂直冲击叶片，与单通道相比， 能以更大的力度更准确的角度冲击叶轮。 5 山东大学硕士学位论文 图l2 取流柬基表示意图 基表测量流量的原理是：通过结构设计使水流以一定角度冲击叶轮，驱动叶 轮旋转，在一定的范围内，流过流量计的体积流量与流量计叶轮旋转的圈数成正 比。在热量表内流量信号的采集采用的是无磁式流量传感器方案，具体电路方 案为t m s 3 7 2 3 b 方案i 川。实际上在热量表中使用t m s 3 7 2 3 b 主要是读取1 ，4 旋转寄存器和电感状态寄存器中的内容。其脉冲采集实现方式如下： 在叶轮的上方安装一个圆形塑料膜片，如 图13 所示，塑料膜片上压有半圆形的阻尼材 料( 铜片) 。在塑料膜片上方设置间隔9 0 0 分 布的三个电感l 1 、l 2 、l 3 ，每个电感均和电 容组成l c 振荡电路，如图1 3 所示。当叶轮 旋转时，带动上面的半圆膜片一起转动，膜 片上方的三个电感就会依次在有阻尼和无阻 图13 叶轮上方的圆膜片 尼两种状态下转换，流量芯片t m s 3 7 2 3 b 判别各个电感的状态，写入相应的状 态寄存嚣中，叶轮每旋转一圈，t m s 3 7 2 3 b 内的1 4 旋转寄存器加4 ，当1 4 旋转寄存器中的数据读出后可自动清零。只要定期读出1 4 旋转寄存器中的内 容，就可以计算出在这一段时间间隔内的叶轮转速、叶轮的旋转角速度以及通 过基表的流量。叶轮旋转一圈可采集4 个脉冲，根据一段时间a t ( m i n ) 内所 采集到的脉冲数n ( 脉冲升) ，可计算出叶轮的转速n ( r m i n ) 、叶轮的旋转角 山东大学硕士学位论文 速度w ( r a d s ) 以及通过基表的流量q ( l h ) 。 n = u | 吣| & ( r m i n ) ；w = n x 3 0 ( r a d s ) q = ( 警 枷c 因此，考= 丽( n 砸4 ) a , 整理上式得： 力= 等q ( m 或，l = 嘉q ( r m i n ) ( 1 - 3 ) 其中k 为热量表的仪表系数。由上式可以看出只要确定了热量表的仪表系数 k 就可以根据叶轮的转速刀得到体积流量q ，因此基表的仪表系数k 是影响流量 测量精度的一个重要因素。热量表仪表系数k 的大小反应了热量表测量的分辨 率即影响到流量测量的精度，仪表系数高则流量测量的分辨率高，因此较大的仪 表系数可以保证较高的热量表性能，仪表系数k 是检验热量表性能的一个重要 参数。 ( 2 )温度信号的采集 在现阶段的温度测量领域中，应用最广泛的就是热电阻和热电偶。对热量表 而言，由于它对温度传感器的性能指标要求非常高，热电偶的测量精度、重复性 以及稳定性等都比铂电阻传感器低，所以使用铂电阻温度传感器作为热量表温度 传感器。热量表的温度传感器一般为两支工业铂热电阻温度计，热量表使用的工 业铂电阻温度计有其特殊性，不仅需要分别测量管路进e l 温度，而且还需要测量管 路进出e l 的温差，因此温度传感器需要进行配对才能满足热能表测量的准确度要 求。目前国内热量表研制单位为提高温度测量精度采用的传感器也采用配对铂 热电阻，本课题研究的热量表采用p t l 0 0 0 热电阻作为热量表的温度传感器，它 可以实现o 1 的温度分辨率1 2 6 1 。 1 4 课题研究内容及研究方法 对于旋翼式热量表，影响其测量精度的最主要参数为热流体的温度和流量。 目前有关热量表的研究大多集中在电学部分，即温度测量、流量信号采集、低功 7 山东大学硕士学位论文 耗及数据远传等方面，对旋翼式基表的外形以及内部构造结构尺寸改变对其性能 影响的研究相对较少，在已具备较为精确的流量测量技术的基础上，本课题为提 高流量测量水平展开对d n 2 5 新型户用热量表基表性能的研究。 课题首先对d n 2 5 圆柱式户用热量表基表的性能进行研究，分析基表内部叶 轮与叶轮室上下间隙、叶尖间隙以及基表内径的改变对热量表性能的影响，并以 此作为理论依据和指导对d n 2 5 圆柱式基表进行结构优化，提高其性能以使其符 合国家鉴定标准要求。然后以结构优化后的圆柱式基表作为基础，研究d n 2 5 圆 台式基表的性能，分析叶轮室开口形状、进出口导流片形状高度、底肋角度及高 度变化等对热量表性能的影响，并以此为依据给出合理的d n 2 5 圆台式基表设计 方案。最后通过实验着重分析圆台式热量表的性能，并通过圆柱式基表与圆台式 基表的实验以及数值计算结果的比较，分析基表外形改变对热量表性能的影响。 本文采用了理论分析、数值模拟计算与实验研究相结合的方法开展了课题的 研究。其中，理论分析渗透于数值模拟及实验过程中，并对计算和实验起指导和 补充作用。应用计算流体力学借鉴已有的数值模拟经验，对旋翼式基表的内部流 场进行了三维数值模拟计算。依据数值模拟计算结果中压损、仪表系数等热量表 的关键性能参数的变化规律，分析基表内部主要部件结构尺寸的改变对热量表性 能的影响，从而确定出最佳的d n 2 5 圆柱式基表结构优化方案及圆台式基表的设 计方案。并且通过热量表实验来验证数值计算方法的正确性以及结果的准确性。 通过以上三种方法确保整个课题研究过程的合理性以及研究结果的可靠性， 从而为国内正在迅速发展的热量表行业提供科学的理论依据和指导。 8 山东大学硕士学位论文 2 热量表基表内部流场数值模拟理论 2 1c f d 简介1 2 7 3 0 l c f d 是c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体力学) 的简称。是应用计 算流体力学理论与方法，利用具有超强数值运算能力的电脑，编制计算机运行 程序，数值求解满足不同种类流体的运动及传热传质规律的三大守恒定律及附 加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组，得到确定边界条件下的数值 解。简单地说，c f d 相当于”虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的 流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流 体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题 的完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰 可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求 对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解，对于非线性情况，只有少数 流动才能给出解析结果。实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分 析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而实验往往受到模型尺寸、流动扰 动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。此外， 实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。c f d 方 法恰好克服了前两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计 算机上做一次物理实验。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么 区别。 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括以下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反 映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。 没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分 9 山东大学硕士学位论文 方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立、边界条件的处理等。这 些内容，可以说是c f d 的核心。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解 的问题比较复杂，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加 以验证。正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值实验。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分 析质量和结果有重要参考意义。 2 2 基表内部流场数值模拟软件介绍【3 1 1 2 2 1 网格生成软件g a m b i t g a m b i t 是专用的前处理软件包，用来为c f d 模拟生成网格模型。由它所 生成的网格，可供多种c f d 或商用c f d 软件所使用。其主要功能包括三个方面： 构造几何模型、划分网格和指定边界。 g a m b i t 本身提供了几何建模功能，只要模型不太复杂，一般可以直接在 g a m b i i t 中完成几何建模，课题研究中所用的基表内部结构比较复杂，因此主 要利用p r o e n g i n e e r 软件完成基表的几何模型，然后导入b i t 进行网格 划分。网格是c f d 模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体，网格划分是 c f d 模拟过程中最为耗时的环节，网格的质量也是直接一个内向模拟精度和效 率的关键因素之一，划分网格是g a m b i t 的主要功能。在网格生成之后可在 g a m b i t 中指定边界，指定边界的目的是为后续进行c f d 模拟时输入边界条件。 最终生成包含有边界信息的网格文件。 2 2 2 数值模拟求解软件f l u e n t f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最多的c f d 软件之一， 广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。f l u e n t 提供了 灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行 网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维 1 0 山东大学硕士学位论文 问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥及杂交网格等。f l u e n t 还允 许用户根据求解规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化。 对于具有较大梯度的流动区域，f l u e n t 提供的网格自适应特性可让用户在很高 的精度下得到流场的解。f l u e n t 从本质上讲是一个求解器，在使用这一软件对 基表内部进行求解之前，首先针对所要求解的物理问题制订比较详细的求解方 案。在解决了c f d 模型目标，计算模型，物理模型及求解过程之后，就可以开 始进行c f d 的建模和求解。 本文的数值模拟计算就是利用f l u e n t 计算软件进行的。 2 3 数值模拟方法1 2 6 1 【3 2 】 热量表基表内部的流动为湍流流动，湍流流动是一种高度非线性的复杂流 动，但人们已经能够通过某些数值方法对湍流进行模拟，取得与实际比较吻合的 结果。目前对湍流问题的求解主要有以下几种方法： 2 3 1 直接数值模拟法( d n s ) 直接数值模拟法( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 就是直接求解 n a v i e r - s t o k e s 方程，对紊流的瞬时运动进行数值模拟。d n s 可给出每一瞬间所 有流动量在流场上的全部信息，且方程组本身精确，仅有由数值方法所引入的误 差。随着计算机性能的不断的提升d n s 法得到了研究者的重视。但对于工程计 算由于d n s 对内存空间以及计算速度的要求非常高，目前的计算机还很难满足 要求，因此这种方法无法用于真正的工程实例。 2 3 2 大涡模拟法( l e s ) 大涡模拟法( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 的基本思想是：放弃对全尺度 范围上涡的运动模拟，而把湍流运动通过滤波分解成大尺度和小尺度两部分，对 大尺度的大涡运动进行数值模拟通过n s 方程直接计算出来，不直接模拟小涡运 动，而小涡对大涡的影响则通过近似的模拟来考虑。在l e s 方法中，流动中的 大部分质量、动量或能量的输运主要来自大涡运动，可以直接通过数值计算得到。 山东大学硕士学位论文 小尺度涡具有各向同性，受边界条件和大尺度涡的影响较小，可以找出一个通用 模型来模拟。l e s 法的计算量介于d n s 法和采用湍流模型之间。对于工程问题， 采用l e s 法的计算量还是太大，不具备实用性。但随着计算机性能的迅速提升， 今后有望成为湍流运动计算的主要方法。 2 3 3 雷诺时均法( r a n s ) 雷诺时均法是把湍流变量分解为时均值和脉动量，例如，速度和压力的瞬态 值分解成： u = 订+ u ( 2 1 ) p = 歹+ p ( 2 2 ) 上面两式中，万和歹分别代表速度和压力的时均值，u 和p 表示速度和压力 的脉动量。引入时均值和脉动量之后，将其带入连续性方程和动量方程，经过处 理后就可以得到雷诺时均方程( r e y n o l d s - a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，简称为r a n s ) ， 雷诺时均方程的形式是： 望+ 塑立：o 8 t a x t ( 2 - 3 ) 塑+ 塑型：毒+ ( 弓一尸而+ e (2-4)8t i gx ia x i a xi 、 l ”l 相应的时均粘性应力张量形式变成： 。r g = 2 肾筝瓮乱 ( 2 5 ) r a n s 方程中的p “，u ，称为雷诺应力项，代表了湍流效应。为使方程组 封闭，必须做出假设，建立相关模型。目前被广泛使用的多种湍流模型都是建立 在b o u s s i n e s q 假设的基础上，b o u s s i n e s q 假设认为湍流脉动的影响可以用物理粘 性来比拟，把雷诺应力项表示成湍流粘性系数的函数，它的表达式是： 一丽钢( 善+ 挈一吾( 肚争 ( 2 - 6 ) 上式中，胁为湍流粘度，k 为单位质量流体湍流脉动动能。 1 2 山东大学硕士学位论文 到目前为止，研究者依靠理论和实验的结合，引入一系列模型假设，主要湍 流模型如下：零方程模型；一方程模型；双方程模型。在紊流的计算中双方程模 型在工程中使用最为广泛，最基本的双方程模型是标准扣8 模型，即分别引入关 于湍流动能k 和湍流脉动动能耗散率p 的方程。 湍流动能| j 的定义： 后= 圭萨+ 矿+ 羽 ( 2 - 7 ) 耗散率s 的定义是：g ：丝( 譬码( 些) pe x , e x , 确定湍流动能k 的微分方程是： ：c 。_ - k 2 ( 2 - 8 ) 2 c d 了 o z 。8 三 掣+ ，摹= 毒眦+ 聋+ 肛鼍c 善+ 善嘞夕竽 c 2 确定耗散率s 的微分方程是： 挈+ p u ，若= 毒+ 拿鲁+ 等鸬善c 善+ 善，1 p 譬c 2 枷， 运用标准尼啦模型求解湍流问题时，控制方程包含连续性方程、动量方程、 k 方程和s 方程，方程组封闭，可以求解。与直接数值模拟( d n s ) 和大涡模拟 ( l e s ) 相比，标准良一s 模型的计算量小，计算精度也可以满足要求，因此，标 准七一s 模型在工程上得到了大量应用，取得了很多成功算例。 对于热量表基表内部流动的数值模拟计算采用的就是雷诺时均法中的标准 七一模型算法。 2 4 控制方程 ( 1 ) 连续性方程 对于热量表基表内部为三维不可压缩恒定流，属于湍流流动，其连续性方程 可表示为： 塑：o 蹴j ( 2 1 1 ) ( 2 )动量方程可表示成： 塑o：一互+旦卜摹一丽、ixj o x j o x jl 。缸一。j ( 2 1 2 ) 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 湍流粘度： 一k 2 以2p c u _ 6 ( 2 1 3 ) 式中，p 为水的密度；“为水流速度；上标“一”表示时均量；f ，k = 1 , 2 ，3 ； p 为压强；为层流粘性系数；以为紊流粘性系数；k 为湍流脉动动能；沩湍流 脉动动能的耗散率。 为求解湍流粘度方程中引入的湍流脉动动能k 和湍流脉动动能的耗散率g ， 根据2 3 节内容引入方程( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ，这样由方程2 9 2 1 3 就组成了一个闭合 方程组，即可求得基表内部流动过程中各个参数的数值解。 2 5 边界条件1 2 6 i 边界条件是指求解域的边界上的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规 律。基本的边界条件包括流动进口边界、流动出口边界、给定压力边界、壁面边 界、对称边界、周期性边界。只有将这些边界条件给定为合理的边界条件，才有 可能计算出流场的解。对于旋翼式热量表内部的数值模拟计算，其边界条件设置 如下： 进口边界设定为质量入口( m a s s f l o w - i n l e t ) 条件，即给出入口边界上的质 量流量；出口边界设定为压力出口( p r e s s u r e o u t l e t ) 条件，即给定流动出口边界 条件上的静压，根据实验数据指定出口压力为4 8 5x1 0 5 p a ；壁面边界条件用于 限定流体和固体区域，本文在计算时采用壁面函数法，其基本思想是：对于紊流 核心区的流动使用k s 模型求解，而在壁面区不进行求解，直接使用半经验公 式将壁面上的物理量与紊流核心区内的求解变量联系起来。 1 4 山东大学硕士学位论文 3d n 2 5 户用热量表圆柱式基表的性能研究 圈31d n 2 5 户用热量表圆柱式基表 d n 2 5 户用热量表圆柱式基表如图3 1 所示，主要由底座、叶轮室、叶轮、 上盖等部分组成。对d n 2 5 圆柱式基表的性能研究从其内