（工程热物理专业论文）双流束旋翼式户用热量表的性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 双流束旋翼式户用热量表的性能研究 摘要 针对目前国家热计量收费改革对热量表的迫切需求的现状，本文对国内外 各种热量表的发展及生产状况做了简单介绍，并分析了热量表的工作原理。在 传统的单流束基表的基础上，经过设计改进，在其流道入口处设置分流片，有 效的降低了始动流量，改善流动状况，提高流量检测精度，形成了一种新型的 双流束旋翼式户用热量表。 本文采用理论分析、数值模拟与实验验证的方法对改进的双流束户用热量 表的性能进行了研究。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。借鉴已有的旋转机械的数值模拟经验，应用计算 流体力学软件，对双流束基表的内部流场进行了三维数值模拟。通过计算及 结果分析，模拟显示基表的内部流场；比较在基表的叶轮室底座上添加分流片 前后的流场差异；确定流经基表的流量与叶轮转速以及基表前后压损的关系； 比较不同的紊流模型的适用性，找出合理的紊流模型；分析叶轮的受力情况以 及流动参数、基表内部的关键部件对表内流动的影响，找出相关规律。最后， 通过实验及理论分析来验证数值模拟的计算结果。 通过对计算所得的大量图谱及实验结果的综合分析发现，设置在基表的 叶轮室底座上的分流片很好的起到了导向和增大叶轮转速的作用，有效的改 善了基表内部的流动状况，提高了流量检测的精度；使用r n gk e 紊流模型 对多套不同的网格划分形式都没有得到收敛的解，标准k e 紊流模型的计算结 果与实验吻合较好；根据模拟计算的结果，分析旋转叶轮所受到的力矩，得出 通过基表的流量与叶轮转速之间的正比关系，实验结果也证明了这一关系另 外，模拟计算以及实验均表明基表前后的压强损失与流量的平方成正比关系。 本文针对改进的双流束热量表基表的数值模拟及实验研究工作为基表的设 计、提高基表的检测精度等方面提供了相关依据和指导，填补了目前国内在 该领域的空白，有一定的创新。 关键词：热量表旋翼式双流柬分流片数值模拟 山东大学硕士学位论文 af l u i dc h a r a c t e r i s t i cs t u d yo nr o t a r yw i n gh e a tm e t e r w i t ht w 0 s t r e a m a b s t r a c t i nt h i sp a p e r as h o r ti n t r o d u c t i o no fa l lk i n d so fh e a tm e t e r si nd o m e s t i ca n d o v e r s e a sw a sm a d eb e c a u s eo fi t sh i g hd e m a n da f t e rt h er e f o r m a t i o no ft h ec h a r g e f o rh e a tc o n s u m p t i o ni no u rc o u n t r y a n dt h ew o r kp r i n c i p l ew a sa l s oa n a l y s e d b a s eo nt h et r a d i t i o n a ls i n g l es t r e a mm e t e r i na d d i t i o n ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei s a l s oa n a l y z e d b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a ls i n g l e s t r e a mb a s i cm e t e r , as p l i t t e rh a s b e e ns e tu po nt h er u n n e re n t r a n c es oa st or e d u c et h ep r i m i n gf l u x ，i m p r o v et h e f l o ws i t u a t i o na n di n c r e a s et h ef l u xt e s t a c c u r a c y a n d a sar e s u l t ，an e w t w o s t r e a ma n dr o t a r y w i n gh e a tm e t e rw a sd e v e l o p e d t h i sp a p e rm a k e sas t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fi m p r o v e dt w o s t r e a mh e a t m e t e rt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tv a l i d a t i o n a n d t h e o r ya n a l y s i sr u n st h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s ，a n di ta l s o g i v e sd i r e c t i o na n ds u p p l e m e n tt ot h e m b e s i d e s ，at h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rt h ei n s i d ef l o wf i e l dw a sm a d eb yt h ef l u e n ts o f t w a r ew i t hr o t a r y m e c h a n i c a l sn 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 ef o rr e f e r e n c e i na d d i t i o n ，t h ei n s i d e f l o wf i e l do f b a s i cm e t e rh a sb e e ns , i n u l a t e dt h r o u 曲c o m p u t a t i o na n dr e s u l ta n a l y s i s ， t h ef l o w - f i e l dd i f f e r e n c eb e f o r ea n da f t e rt h es e t u po ft h es p l i t t e ro nt h ei m p e l l e rb a s e h a sb e e nc o m p a r e d ，a n dt h ef l u xt h r o u g hj o a s em e t e r , i m p e l l e r sr o t a t i o n a ls p e e da n d p r e s s u r el o s sc o r r e l a t i o no ff r o n t a n db a c k b a s i cm e t e rh a v eb e e nc o n f i r m e d a tt h e s a m et i m e ，t h ea p p l i c a t i o no f d i f f e r e n tt u r b u l e n tf l o wm o d e l sh a sb e e nc o m p a r e d ，t h e i d e a lt u r b u l e n tf l o wm o d e l sh a sb e e nf o u n d ，a n df o r c ea n a l y s i so ft h ei m p e l l e r , t h e i n f l u e n c eo f f l o wp a r a m e t e r , k e ye l e m e n t si n s i d et h eb a s i cm e t e ro ni n m e t e rf l o w , a n dt h ec o r r e l a t i n gl a wh a v e b e e np r e s e n t e d a tl a s t ，r e s u l t so ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a v eb e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t sa n d p r i n c i p l ea n a l y s i s t h r o u g ht h eo v e r a l la n a l y s i s o nt h ea t l a s e sf r o mt h ec a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h es p l i t t e ro nt h ei m p e l l e rb a s eh a sg o o dd i r e c t i n g 山东大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c ea n di tc a ni n c r e a s er o t a t i o n a ls p e e do ft h ei m p e l l e r ，i m p r o v et h ei n t u b e f l o wa n df l u xt e s ta c c u r a c ye f f e c t i v e l y , a n dt h es t a n d a r dk - t u r b u l e n tf l o wm o d e l s e r r o rt oe x p e r i m e n tr e s u l ti sl e s st h a nr n gk - t u r b u l e n tf l o w m o d e l 。b a s e do nt h e s i m u l a t i o n sr e s u l t s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r c em o m e n ts u f f e r e db yt h ei m p e l l e r a n dd r a w st h ec o n c l u s i o nt h a tf l u xt h r o u g ht h eb a s i cm e t e ri sp r o p o r t i o n a lt ot h e i m p e l l e r sr o t a t i o n a ls p e e dt h a ti sa l s op r o v e db yt h ee x p e r i m e n t b e s i d e s ，s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t sh a v ea l ls h o w nt h a tp r e s s u r el o s sb e t w e e nf r o n t a n d b a c k b a s i cm e t e ri sp r o p o r t i o n a lt of l u x s q u a r e t ot h ei m p r o v e dt w o s t r e a mh e a tm e t e r , t h i sp a p e rh a sd o n et h en 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 a lr e s e a r c ht h a tc a np r o v i d eb a s ea n dd i r e c t i o nf o rt h e d e s i g no ft h eb a s i cm e t e ra n dt h ei m p r o v e m e n t o ft h et e s ta c c u r a c yi th a sm a k eu p f o rt h ev a c a n c yo f d o m e s t i ca n df o r e i g nf i e l da n di th a ss o m ei n n o v a t i o nt oad e g r e e k e yw o r d s ：h e a t m e t e r ，r o t o rw i n g ，t w o - s t r e a n l ，o r i e n t e df l a k e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i l 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：日期：冱虹! 。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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： 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景 1 绪论 供暖系统是人们冬天正常生活的必要设施，在节约能源、减少环境污染、 改善人民质量等方面的优点早已成为社会共识。 在西方国家，热量是以商品进入市场的。特别是1 9 7 0 年代末出现的能源 危机及能源消耗加大环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大 事，并促进了发达国家供热计量技术的长足发展【l , 2 1 。目前，欧洲的热计量法 规虽然各有差异，但基本上每个热用户都安装有热计量仪表，并按实际用热 多少收费。每个热用户都有可以单独控制和计量的供热系统，可以根据自身 需求单独计量，也就是现在所提倡的“分户控制、分户计量”【2 1 。西方国家的 热计量经验表明：热量表作为热力公司向用户计价收费的依据，不仅广泛被 用户接受，而且节能达到2 0 3 0 i lj 。 据不完全统计，我国用于住宅供暖的小型锅炉有几百万台，能源消耗巨 大，每年供暖收费高达几千亿元【l 】因此，热量的准确计量、科学合理收费和 节省能源，是关系到千家万户和国计民生的大事。但长期以来我国的集中供 热都是采用计划经济体制下的包费制 3 1 ，在采暖、供热等方面的按面积计费不 合理方式，不仅造成了资源的严重浪费，而且产、供、需三方面的矛盾也日 益突出，严重影响了企业的生产和人民的日常生活。因此，热量计量的改革 势在必行。 建设部建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划的发展目标中确定：对 集中供暖的民用建筑安装热表及有关调节设备并按表计量收费的工作，1 9 9 8 年通过试点取得成效，开始推广，2 0 0 0 年在重点城市成片推行，到2 0 1 0 年基 本完成。热量表作为与老百姓生活密切相关的计量器具，已经被国家质量监 督检验检疫总局纳入首次强制检定范围。2 0 0 3 年7 月国家八部委联合下发的 关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见，已在我国“三北”地区、山东、 河南等1 5 个省市自治区展开这些政策的实施，为热量表产业的发展提供了 广阔的空间和市场。 山东大学硕士学位论文 随着新建城乡住宅的日益增加，再加上原有的住宅供暖系统的改造，热 量表的需求量将日益增加。事实上，随着人民生活水平的提高，集中供热、 采暖、空调早已发展到黄河流域和长江流域，南方炎热地区已经实行集中供 冷，特别是沿海开放城市，计量收费的意识更为明确，这将进一步增大热量 表的需求。热量表包括户用表、楼用表以及热力站总表。同时，热量表所需 的配套的基础产品( 如流量计、测温头等) 、配件( 如阀门、过滤器) 的生产 也将有很大的需求。此外，实施热计量必然要发展热力系统平衡调控设备及 其相关产品，因此，热计量仪表将在近几年发展成为一个产值巨大的新型产 业。而且，它的持续发展期显然在1 0 年以上。发展热计量仪表，必将在节约 能源消耗、改善人居环境的同时，给投资者以巨大回报。 建设部主持的国家重点技术创新项目“供热采暖控制计量收费系统” 联合承担的5 个单位分别进行的可行性研究，其成本效益分析1 4 1 为： 投资利润率：1 3 7 - - 9 8 平均为8 0 i 利税率：2 0 2 1 6 0 平均为6 0 2 投资回收期：1 2 年4 年平均为2 1 5 年 尽管这几个企业单位的基础条件不同，但结论一致：这是一个高效益的 投资项目。3 年前，欧洲出口到中国的户用热量表，每只价格为3 0 0 0 元以上。 现在已降到1 0 0 0 多元。这差价当然隐含着相当成分的利润空间，也说明了热 量表产业属高效益投资的特点：中国的热量表市场比欧洲广阔得多。中国的 生产成本消耗，在引进了先进的管理体制后，肯定要比欧洲低。所以，势必 产生良好的投资效益。 市场就是动力。近年来，国外厂商一直拭目以待，蓄势抢占中国市场， 而国内一些厂家也欲抢占先机，纷纷研制出了各具特色的热量表，其有的开 发出了样机，有的已经批量生产或在采暖系统上调试。 但我国的热量表行业 与国外相比还仅仅处于起步阶段。国外的热量表产品无论在测量精度还是 可靠性上都明显优于我国的有关产品。由于技术上的专有，我国在热量表的 技术上还难以直接借鉴国外的先进技术。因此，目前我国的有关产品的技术 水平还相当低，测试精度和国外产品还有相当大的差距，在可靠性上的差距 就更大国内生产的热量表故障较多、检测精度低，其原因除供热水质较差 山东大学硕士学位论文 就更大。国内生产的热量表故障较多、检测精度低，其原因除供热水质较差 之外，大部分故障是由于产品自身技术上的原因。再者，国产热量表的流量 检测用基表多采用原有热水表，其精度难以满足热量表在流量测量精度上的 要求，因此，目前国产热量表在测量精度上还少有2 级表，一般为3 级测量 精度。 因此，要发展国产热量表产业，使其与国外产品相抗衡，必需提高国产 热量表的整体技术水平。目前，国内设计生产的热量表大多以试验和仿制为 主，自主丌发的能力比较薄弱，还没有个人或者企业对热量表的性能从基础 理论方面进行系统深入的应用研究，热量表的设计与生产缺乏相应的理论依 据和指导。有鉴于此，开展提高国产热量表性能的应用研究工作势在必行。 1 2 热量表国内外发展与研究状况 5 - 3 0 热计量技术起源于欧洲，早在2 0 世纪2 0 年代欧洲就开始进行按户计量 采暖费用，尤其是经历了7 0 年代初期的能源危机后，如何在保持经济发展的 同时节省有限的能源成了各国的研究课题，相应的“热表”经历了从机械式、 电子模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的发展过 程。在8 0 年代初期，采暖计费制度已经在欧美国家普及了，计费方法也逐步 得到完善，热量计量技术也已基本成熟。1 9 8 8 年，国际法制计量组织公布了 世界上第一个国际性的标准文件：“o i n l r 7 5 号国际建议( i n t e r n a t i o n a l r e c o m m e n d a t i o n ) 热量表( h e a tm e t e r s ) ”。直到1 9 9 0 年代，户用热量表基本 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 。 欧洲一些发达国家及相关专业公司，为中国的热计量事业作出了历史性 的贡献，如丹麦的丹佛斯公司，法国的斯伦贝谢公司，德国的费特拉公司、 兰吉尔驷法公司等等。是他们首先在中国引进了热计量收费的概念，传授 了欧洲的经验，提供了热量表、温控阀及配套系统，在中国进行了计量节能 效果的试点实验，建成了生产温控阀等相关设备的专业生产公司。他们在促 进中国建筑节能计量收费事业的启动和发展中发挥了重要的作用。现在中国 市场上宣传、销售热量表的外国公司已有9 家以上。 山东大学硕士学位论文 我国热量表的自行研制开始于上世纪的1 9 9 0 年代，当时欧洲已有热表样 表进入中国，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。 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丌发工作中 来。2 0 0 0 年2 月1 8 日，建设部发布了“7 6 号令”一( 民用建筑节能管理规 定) ，明确了“鼓励发展分户热量计量技术与装置”和“推行温度调节和户用 热量计量装置”，也进一步鼓励了中国热计量仪器仪表产业的热情。继建设部 2 0 0 1 年2 月5 日发布的规定于6 月1 日起实施的 标准( c j l 2 8 2 0 0 0 ) 之后，2 0 0 1 年1 2 月4 日，国家质量监督检验疫总局发布了“中华人们共和国 国家计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 一热能表”，并规定2 0 0 2 年3 月1 日起实 施。中国的热量表从法制概念上建立了关于生产标准和技术检定的完善的质 量保汪和监督的体系。 目前，国内已有多家单位已经或正在开发、生产、经营热量表，总数已 经超过了6 3 家( 据2 0 0 2 年6 月不完全统计) 。地区分布包括：北京、上海、 天津、山东、辽宁、河北、江苏、浙江、广东、吉林、黑龙江、陕西、甘肃、 宁夏、内蒙、深圳等1 6 个省、市、自治区。其中分布比较集中的北京、天津、 山东三地超过了3 2 家，约占总数的5 0 。中国的热量表生产企业大部分是民 办中小企业。在热量表的开发上投资已达2 0 0 万元人民币有2 家企业：江苏 环能工程有限公司和大连天正热能自动化设备有限公司。清华同方股份有限 公司也在1 9 9 9 年开始了热量表的研制开发工作，并且很快开发出了“一体化家 用暖气表”。天津赛恩电子公司投资5 0 0 万研制开发了户型热量表，并已进行 小批量生产。 中国热量表的研发、生产过程中，一方面学习借鉴了国外成熟的先进技 术，另一方面针对中国国情做了大量自主开发的努力。但中国的热量表产业 与国外相比还仅仅处于起步阶段，市场尚未形成规模，品牌形象亦未树立， 产品技术水平还相当低，钡4 试精度和可靠性与国外产品还有相当大的差距。 再者，国产热量表其流量测量用基表多采用原有热水表，其精度难以满足热 量表在流量测量精度上的要求，因此目前国产热量表在测量精度上还少有2 山东大学硕士学位论文 级表，一般为3 级测量精度。 1 3 课题研究内容及方法 为了节约能源，国家有关部门正在大力推广取暖分户计量的改革措施， 热量表是实现采暖按表计量收费的核心设备，这必将早就一个拉动国民经济增 长的新型行业热量表产业。但由于我国的热量表行业起步较晚，技术水平 落后。国产热量表多沿用原有热水表作为热量表基表，或模仿国外产品设计， 技术上缺乏相应的基础性研究，测试精度及可靠性低，使用过程中故障率高， 还难以与国外产品相竞争。因此，迫切需要丌展提高国产热量表性能的应用研 究工作。 热量表是通过精确检测供热系统瞬时进回水温差和流量、经计算仪积分 计算并储存有关数据的机电一体化高科技产品，其研究领域涉及机械、电子、 工程热物理、材料、和控制学科。决定其测量精度的两个基本参数是热流体 的流量和温度，影响其寿命、检测精度和可靠性的关键部件是流量传感器和 温度检测电路及传感器。 在流量测量方面，国产热量表目前多采用原有热水表作为流量检测的基 表，这种旋翼式基表本身的测量精度为5 ，难以达到热量表流量检测精度的 要求，其中水流形式多为单流束，这种流动方式下水流对旋转叶片冲击不对 称，容易使叶轮产生轴向和径向运动，从而造成叶轮轴和轴承的不对称摩擦， 使叶轮转动阻力增大、基表始动流量增大、过快的磨损，影响了基表的寿命 和检测精度。目前，国内还没有流量基表设计的理论模型，其设计完全采用 试验的方法，设计周期长，准确度较低。因此，必须开展有关热量表的基表 性能的研究工作。 对于三维的旋转机械内流问题的数值计算，就目前已有的文献来看，主要 是以水泵、风机、汽轮机等机械为主，其中又以离心水泵的数值研究居多其 数值计算的模型基本上都是采用标准的k e 双方程模型，近壁面处采用标准壁 面函数进行处理。旋翼式户用热量表的内部空间狭小，结构比较复杂，基表内 的流动受壁面影响较大，其中又存在着旋转部件，其数值模拟计算有一定的难 度。 山东大学硕士学位论文 本文将借鉴已有的旋转机械的数值计算经验，通过理论分析，建立基表内 部叶轮及流道的数学模型，并根据实验所得数据简化模型，确定边界条件， 应用现有的计算流体力学( c f d ) 软件，对改进的单流束，即双流束旋翼式户 用热量表的基表内部流场进行数值模拟计算，并通过实验数据进行比较验证。 通过计算，模拟显示基表的内部流场，确定流经基表的流量与叶轮转速之间的 关系，比较不同的紊流模型的适用性，找出合理的紊流模型，分析叶轮的受力情 况以及流动参数、基表内部的关键部件对表内流动的影响，找出相关规律， 为基辰的砹汁提供理论依据和指导，以提高基表的检测精度，填补该领域的 空白。 6 山东大学硕士学位论文 2 热量表基表设计方案 2 1 热量表原理分析【3 1 3 5 】 2 1 1 热量表的定义 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，被称作载热液体的液体所吸收或转换热能的仪器。 热量表( 热表) 又称热能表、热能积算仪，它用法定的计量单位显示热 量，既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统的吸热量。目前所使用的 热量表绝大多数只能测量供热量。 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。 流量传感器 流量传感器安装在管路系统上，用于计量流过供热回路的水的体积并发 出流量信号，该信号是载热液体体积或质量的函数，也可是体积流量或质量 流量的函数。主要分为叶轮式、超声波式和电磁式三种形式。 配对温度传感器 配对温度传感器是指对同一个热量表，分别用来测量管路系统的入口和出 口温度的两支温度传感器，分别安装在管路系统的入口和出口，采集系统内 介质的温度并发出温度信号。 积算仪 积算仪是整个热量表的核心，积算仪根据流量计与配对温度传感器提供的 流量和温度信号计算温度与流量，并且计算供暖系统消耗的热量和其他统计 参数，显示记录输出。 2 1 2 热量表的工作原理 将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上，将流 量传感器安装在入口或出口管上流量传感器发出流量信号，配对温度传感 器给出入口和出口的温度信号，积算仪采集流量信号和温度信号，按与温度 山东大学硕士学位论文 相关的热量系数和体积、温差一起计算出采暖系统所消耗的热能值，显示出 载热液体从入口至出口所释放的热量值。 热量计算方法 国内外热量表普遍采用焓差法或者k 系数法来计算热量。 ( 1 ) 焓差法 按照热力学理论，热量q 由流过该处流体的质量、比热容和温度变化等 因素决定。对热量表来说，进出口的焓值还与时间成比例。因此，用焓差法 计算热量的公式为： q = “，a h d t 式中， q 一释放的热量【k j 】； 叮流经热量表中载热流体的质量流量 k g ，s ( 2 1 ) 一热交换回路中出口温度与入口温度下载热流体的比焓差 k j k g 因为g 。= p q ，则： q = f 。p q ，b h d t = r p a h d v 其中，p 为流体的密度【k m 3 】，q ，为体积流量e m 3 s 。 ( 2 2 ) 口和 是热水温度的函数，因为热量表实际工作时大部分处在稳定状态， 进回水温度变化很小，可近似认为测量时进回水温度保持不变，因此积分计 算可由累加和求得。 q = 幺一+ 见 ( 2 3 ) 不同温度下水的密度、焓值可以通过查标准表及线性差分计算获得，其 中密度取回水温度的函数。因此只要测量出一定时间内水的体积流量和相应 山东大学硕士学位论文 的进回水温度，就能计算出对应的耗用热量以及累积耗用热量。 l2 ) k 系数法 热焓差不是直接测量的量，实际上热焓值主要与介质的成分温度有关， 因为流体的不可压缩性，压力影响可以忽略不计。 将q 。，= p ( a h 。，h , h = c 。a o 代入公式( 2 1 ) ，可以得出： q = j l q ，p ( 目) - c ，a o d t ( 2 4 ) 式中，c 。为进出口平均介质比热 j “蝇，) 】：p p ) 为流体密度【k g ，m 3 】：a 0 是 热交换回路中载热液体进出i z l 出的温差【 。 将p p ) c 。组合为新值，称为热量系数k ，因此实际应用的热量计算公式 为： q = k a o d v ( 2 5 ) 即： q = k - a v a 0 ( 2 6 ) 式中，k 为热量系数 j ( m 3 ) 】；矿n - - g 昏t n 内流量传感器测量热介 质流过热循环系统体积值【m 3 。 热系数k 的确定口5 1 在载热介质一定的热交换回路中，热系数是压力、温度以及进出口温差 的函数，如下式所示： t c p ，印，只) 2 订葡网1 l f c ，仃净 ( 2 7 ) 式中，y ) 表示入口) 或o r ) 者出口状态。 引入比参数以化简匕式， 器= “斟 眨s ， 式中，“= o l o c 为比温度：b = p ，只为比压力；9 0 ，6 ) 为比自由焓，即吉布斯 函数( g i b b sf u n c t i o n ) ； 眈l ，只i ，分别为载热介质为水时选取的参考温 山东大学硕士学位论文 度、参考压力和参考容积的数值。 由上两式并引入相应的比参数，热系数k 可由下式得出： 啦卅= 盟v ( 6 ) 上( e ，- o r ) h 踟 ( 2 ，) 或 啦2 为南。，一“o u j b u t 一刊 根据吉布斯函数9 0 ，6 ) 及相应的导数关系由上两式通过数值计算即可得 到不同进出口温度、不同温差和不同压力等情况下热系数的数值。 2 2 基表设计方案 流量检测基表是热量表的关键部件，其工作是否可靠，将直接影响热量表 的检测精度，一般情况下，用于热量表的旋翼式流量检测基表根据检测原理的 不同可分为多流束和单流束两种，单流束基表水流形式如图2 1 所示，水流从 进水口进入基表，冲击叶片转动，在基表出口流出基表，由于其流束形式决 定了水流在基表内部有比较大的流动空间，不易被污水所堵塞，所以适合目 前我国国情，其产品目前还有一定的生存空间。但是，从另一方面看，其缺点 也是显而易见的，由于水流对叶片的冲击不对称，叶轮的受力载荷容易产生波 动，使叶轮在转动过程中产生周向和径向振动，从而影响流量检测精度。 缁恭 趔 0 图2 1单流束基表水流示意图 山东大学硕士学位论文 确 丸诵 7 粳鄹 出水口 图2 3 分流片及水流示意图 为了克服单流束和多流束固有缺点，继承两者的优点，本设计中采用改进 的单流束基表，即双流柬基表如图2 3 所示，在流道入口设一分流片，将整 个流道分成两个，一个扩张通道，一个收缩通道。收缩通道入口处截面积要 大于扩张通道入口截面积。由流体的连续性方程可知，经由收缩流道进入腔 体的水流速度增大，压强减小，而经由扩张流道进入腔体的水流则正好相反， 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地方流 动，从而推动叶轮逆时针旋转。 山东大学硕士学位论文 分流片能起到改变水流速度和方向的作用，与单通道相比，能以更大的 力更准确的角度冲击叶轮，使其逆时针旋转。 热量表工作时，水流从基表进水口经整流隔栅进入基表，在叶轮室底座 入1 ：3 处由分流片分流成两股，分别从两个通道进入叶轮室。水流在叶轮室内 产生旋转运动，推动叶轮沿逆时针旋转，之后依次经叶轮室出口、基表出口 流出，基表的结构示意图如图2 4 所示。 3 4 3 o 、 l 、 、- 图2 4 新型双流束基表结构示意图 l 一表壳底座 3 一整流隔栅 5 一i f 轮室上盖 7 一挡块 9 一刚玉 2 一叶轮室底座 4 - 叶轮 6 一表壳盖 8 一半圆膜片 10 一轴套 山东大学硕士学位论文 3c f d 数值模拟 3 1 数值模拟的特点及意义1 3 6 - 5 0 l 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ) 简称c f d 。国内一般称 之为计算流体力学。它是一门多领域交叉的具有强大生命力的边缘科学，涉及 计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等学 科。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类 问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。其发展是 伴随着计算机技术和数值计算技术的发展而前进的。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。可以认为c f d 是现代模拟仿真 技术的一种。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物 理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研 究和工程技术中产生巨大的影响。 数值模拟是流体力学发展和工程应用的重要工具。但计算流体力学分支 的形成和发展绝不是流体力学发展的全部。数值模拟方法不能完全代替实验， 也不能代替理论分析方法。确切的说，各种研究手段和方法必须互相配合、 补充，互相促进，共同推进流体力学的发展和解决各种工程实际问题。 理论分析方法在研究流体运动规律的基础上提出各种简化流动模型，建 立各类型主控方程。在一定假设和条件下，经过系列的解析推导和运算，得 到问题的解析解。其最大特点是能够给出带普遍性的信息，在很多情况下可 得到封闭的、简单的公式，因此可以用最小的代价和时间给出规律性的结果 或变化趋势理论分析的很多方法仍是目前解决实际问题，主要是在初步设 计阶段中，常常采用的方法但理论分析方法常常无法用于研究复杂的、以 非线性为主的流动现象。 数值模拟方法的特点是可以给出流体运动区域内的离散解，而非解析解， 山东大学硕士学位论文 从次数值解中无法看出来流参数变化引起的变化趋势，这是其与理论分析 方法的一个重要区别。但它可以以比地面实验所需的花费少得多地给出流场 内细节地定量描述，而且若数值模拟方法的数学提法( 包括主控方程和边界 条件) 是正确的，则可在较广泛地流动参数范围内较快地给出流场的定量结 梁，而不受实验中固有的约束条件的影响，这是其与实验研究的一个重要差 异。当然要建立正确的数学提法必须和实验研究相结合。此外，实际问题中 抽象出来的数学提法往往是十分复杂的多维非线性偏微分方程组，其数值解 的数学理论尚研究得不够充分，如严格的稳定性分析、误差估计、收敛性和 唯一性等理论得发展还跟不上数值模拟的进展，因而也往往需要进行数值实 验，并与地面实验、物理分析相结合来验证数值解得可靠性。 3 2 数值模拟计算的基本步骤【3 7 】 ( 1 ) 建立物理与数学模型 首先对所研究的问题作出一定简化假设，以确立其物理模型。例如，当 物理过程中流体的物性变化不大时可作常物性的假定；物理量的场在某一方 向上变化相对于其它两个方向很小时可作二维的假定，等等。根据所确定的 物理模型写出该过程的控制方程及相应的定解条件( 初始条件及边界条件) ， 是其数学模型。建立物理模型时一般应考虑以下诸方面的因素：空间维数( 二 维或三维) ；时间因素( 定常或非定常) ；流动形态( 层流或紊流，对于紊流， 要选定紊流模型) ：物性参数( 常物性或变物性，可压缩或不可压缩) ：边界 条件( 常规边界条件还是耦合边界条件) 等等。 ( 2 ) 选择坐标及速度分量基矢量 进行物理问题的数值计算时，最佳的坐标系是坐标轴与计算区域的边界 帽适应的坐标系。根据在空间上任一点上三个坐标面是否互相垂直，可区分 为正交曲线坐标系和非正交曲线坐标系两大类。对某一些特殊的计算区域， 如果能在相应的正交坐标系中进行数值计算，有利于简化计算过程并提高数 值计算结果的精度。由于能用解析形式表示的坐标系数量有限，为适应工程 技术问题中多样计算区域形状的需要，最近1 0 余年中应用数值方法生成的适 山东大学硕士学位论文 体坐标系( 又称贴体坐标、附体坐标) 技术得到了很大发展。 基矢量是坐标系中用来确定矢量、张量的分量的一组基准矢量。一般来 说，坐标系的基矢量有两种选择，即协变基及逆变基。在正交坐标系中二者 是重叠的，而且在笛卡儿坐标系中，基矢量的方向是固定的。 ( 3 ) 建立网格 数值计算中用离散的网格来代替原物理问题中的连续空间，网格中的节 点则是所求解物理量的几何位置。网格的划分直接关系到数值计算的成败。 ( 4 ) 确定建立离散方程的方法 物理问题的过程控制方程是一组偏微分方程，为了能利用计算机进行求 解，需要将这一组微分方程转化成每一个节点上的一组代数方程，该方程组 中包含有该节点及附近节点上所求函数之值，这就是离散方程。建立离散方 程的方法很多，主要有有限差分法、有限容积法、有限元法等。 本文计算所采用的数值方法是介于有限差分法和有限元法两者之间的有限 容积法，它与有限差分法的不同在于后者多采用泰勒级数展开法，与有限元法 的不同在于离散化的数学工具和网格形式不同，但它几乎具有两者的一切优点， 就其本质来说，它更接近于有限差分法。 有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 从描写流动与传热问题的守 恒型控制方程出发，对它在控制容积上作积分，在积分过程中需要对界面上 被求函数( 对流通量) 及其一阶导数( 扩散通量) 构成方式作出假设，这就 形成了不同的格式。由于扩散项多是采用相当于二阶精度的线性插值，因而 格式的区别主要表现在对流项上用有限容积法导出的离散方程可以保证具 有守恒性( 只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的即 可) ，对区域形状的适应性也比有限差分法要好，是目前应用最普遍的一种数 值方法。 ( 5 ) 对流项与扩散项的离散格式 在控制方程对控制容积作积分的过程中，需要对所求解的变量在两个节 点之问的变化特性作出假设，而不同的假设就导致不同的离散格式。其中代 表扩散作用的二阶导数项多采用具有二阶截差的差分格式，如中心差分或迎 山东大学硕士学位论文 风差分。 ( 6 ) 边界条件的离散化处理 对于一般性的开口计算区域，边界的类型有进口边界、固体边界、对称 边界及出口边界四种。 ( 7 ) 求解代数方程 将控制方程在所求解的网格上离散后形成一组庞大的代数方程，除了常 物性、无内热源( 或具有恒定内热源) 的导热问题外，代数方程组本身各项 的系数就与所求解的变量有关，因而在这个意义上说，代数方程组是“非线 性”。在结构化网格上生成的代数方程组，其系数矩阵中非零元素都集中在主 对角元附近的一个很窄的带宽内，利用这一特性对一维问题发展出了三对角 阵算法( t d m a ) ，将其应用于二维及三维问题，就形成了交替方向线迭代方 法( s l u r ) 。在非结构化网格上所形成的代数方程组的系数矩阵不像结构化 网格的那样有规则，代数方程组的求解一般采用点迭代法或共轭梯度法。 ( 8 ) 解的分析及数值计算不确定度的估计 对数值计算的结果从物理过程的角度进行分析是发挥数值计算作用的一个 重要环节，这也是近年内c f d n h t 学术界普遍关注的议题。 3 3c f d 数值模拟软件介绍 3 7 3 9 l 自从1 9 8 1 年英国的c h a m 公司推出求解流动与传热闯题的商业软件 p h o e n i c s 以后，迅速在国际软件产业中形成了通称为c f d 的软件产业市场， f l u e n t 、s t a r - c d 、f l o w 3 d 、c f x 等相继问世。目前，全世界已经约有5 0 余种这样的流动与传热计算的商业软件。这些软件大都具有灵活、完善的前后 处理及输入系统，其方便的模块接1 2 1 ，使用户可以根据自身研究设计的需要加 入自己开发的模块。 一个完整的数值模拟过程从建立模型到计算结果的分析处理一般需要用到 以下相关软件： ( 1 ) 建模( 物理空间到计算空间的映射) 二维：a u t o c a d ：三维：u g 、i - d e a s 、s o l i d w o r k s 、p r o e 等 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 网格划分( 连续空间的离散化) i c e m c f d 、g r i d e n 、g a m 旧i t 、h y p e r m 匣s h 等 ( 3 ) 求解器( 差分方程的求解) p h o e n i c s 、f l u e n t 、s t a r - c d 、c f x 、f i r e 、a n s y s 等 ( 4 ) 后处理( 计算结果的可视化与整理) t e c p l o t 、f i e l d v ! w 、m a t l a b 、e x c e l 等 国际上数值模拟软件的发展趋势可以综合为以下几个方面：( 1 ) 由二维扩 展为三维；( 2 ) 从单纯的结构力学计算发展到