单向旋转式流量换向器研究.doc

1 单向旋转式流量换向器研究单向旋转式流量换向器研究 摘要 通过对流量换向器的流体动力分析和喷口速度场计算 找到传统流量换向器 产生误差的原因 针对误差源找到了减小误差的方法 设计出了单向旋转式流量换向器 理论分析 单向旋转式换向器可以消除由于流量标准装置喷口流速畸变造成的误差 试 验证明 误差比传统换向器减小一个数量级 噪音减小30 50dB 体积减小1 3 动力减 小1 2 关键词 换向器 单向换向器 单向旋转式换向器 流量换向器 0 引言 流量换向器是流量标准装置中影响性能的一个关键部件 其误差是构成标准装置误 差的主要成分之一 随着流量标准装置性能的提高 设计误差小的换向器是建立标准流 量装置需要 在泉州日新流量仪表公司最新建设的 DN20 DN300 的质量法水流量标准装 置中设计使用了一种单向旋转式流量换向器 此换向器不同于传统的双向运动换向器 单向旋转式换向器使换向器 A 类不确定度达到了 0 005 B 类不确定度达到了 0 0005 标准装置的扩展不确定度优于 0 05 减小了对称重传感器的准确度要求 单 向换向器此前美国和日本有研究和使用 但美国的换向方式是直线式 2 3 体积庞大而机 构复杂 日本换向器虽然是旋转式 4 但结构复杂且口径和流量都小 本文所介绍的单 向旋转式换向器 用数值计算分析了换向器产生误差的原因 结构上有新的改进 适合 于各种口径的流量标准装置 误差小 噪音小 体积小 驱动力小 1对双向换向器的性能分析 1 1 传统双向换向器的误差分析 流量标准装置的工作管道末端通常是一个长宽比较大的矩形喷口 液流经过此喷口后 到达换向器然后流到称量箱或水池 换向器误差主要源自喷口流速分布及驱动机构换入 换出时间 以及喷口和摆斗间动作的配合 喷口中流速分布又是上游管道中管道内表面 状态和阻流件几何形状以及流动状态造成 传统的换向器由于喷口流速畸变 流体出口 流量重心对摆斗几何中心失去对称 驱动机构难以完全使换向器换入 换出均匀和对称 因而产生误差 该过程用图 1 说明 换向器换入动作使液体从 A 点开始流入称量箱 B 点换入完毕 BC 保持流入 C 点开始换出 D 点换出结束 Q Q EF t B AD C Q1 G H I J K t2 LM t1 N OP t Q2 t 1 t2 图 1 双向换向器特性 ABCD 所包含的面积是流入称量箱的流量 t1和 t2是换入和换出时间 二者并不相 等 ABF 拟称 换入流量三角 是 Q1 面积代表的是换入流量 CDE 拟称 换出流 量三角 是 Q2 面积代表的是换出流量 Q1和 Q2一般并不相等 OM 线把 Q1分为两部 2 分 使 AHM OHB PK 线把 Q2分为两部分 使 KJD CPJ Q ABCD MOPK Q 是全 部流量 Q FBCE Q Q1 Q2 Q 这是理想状态 t 是 H 点到 J 点的时间 如果测到 t 则可以得到准确的流量 不含误差 但实际很难 t1 t2表示时间测量误差 各自 有三部分误差构成 一部分是时间仪表误差 另部分是由于喷口出口流场分布不均匀带 来的误差 第三部分是由其他因素组成 如驱动机构驱动力的均匀度 摆斗中心挡板安 装误差 机械运动加速度引起的机械三维跳动等 我们总是设法确定 OM 和 PK 线的位置 亦即 H J 两点的位置 使面积 AMH HOB KDJ JPC 但是总难如愿 一般是用喷口矩形短边的中心位置代替 因而产 生误差 ehr LLtt t z t z t y t y t x t x w w w w y v y v x u x u wwvvuufehr 式中 u v w u v w 分别是换入换出流场速度向量 是换 w w y v x u w w y v x u 入换出速度对位置的变化 分别是换向器换入换出分水板位置 t z t z t y t y t x t x 对时间的变化 是换向器换入换出时间测量对换向器误差影响 是喷口及换向 tt LL 器分水板几何形状不规则误差对换向器误差的影响 喷口出口的流速分布是被管道及串联其中的阻流件造成喷口流速不均匀和不对称 为减小此误差的影响 ISO4185 1980 E 规定 1 喷口形状是矩形的 长宽比为 15 50 为分析此问题 对喷口速度场做 CFD 计算 以 DN200 管道换向器喷口为例 用连 续方程和 N S Navier Stokes equations 方程的数字模拟计算求解喷口流场 不计热量交换 设置喷口前有两个 90 圆形截面弯头 两弯头轴线所在平面成 90 弯头曲率半径 2 5D 弯头后接着是一个过渡到矩形截面的喷口 在稳定流情况下 弯头和喷口璧面固 定 弯头入口 y 方向平均流速为 5m s x 方向流速为 0 z 方向流速为 0 喷口出口截面 矩形长宽比取 15 矩形长边和弯头进口轴线垂直 喷口出口为大气 坐标取为 xyz 对 应 uvw 控制方程取 不可压缩稳定流体连续方程 1 0 z w y v x u 动量方程 N S 方程 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z w y w x w z p g z w w z v y v x v y p g y v v z u y u x u x p g x u u z y x 三维紊流 k 输运方程 k jk t j i G x k xt ku t k 3 vk CEc xxx u t j t ji i 2 21 1 2 3 式中符号含意参看有关计算流体力学书 由于壁面处紊流未能充分发展 所给流动模型带来的问题在近壁区用 k 标准壁面 3 函数法处理 边界条件 弯头及喷口壁面为第一类边界问题 u 0 v 0 z 0 弯头入口为第二边类界问题 u x 0 0 v x 0 5m s w x 0 0 喷口出口为第二边类界问题 p 101325Pa N S 方程是三维二阶非线性偏微分方程 难以求得解析解 用有限体积法求得数 字解 可以得到弯头及喷口的流场 图 2 为弯头及喷口网格图 图 3 为弯头及喷口内部 速度场 喷口出口截面上的速度等值云图如图 4 图 5 图显示速度场是不均匀不对称的 用一条直线确定 H J 的位置是困难的 如果用喷口的矩形短边的等分线确定 必然产生 误差 一般误差可达到 0 01 0 02 左右 图 2 弯头及喷口网格图图 3 内部流速 图 4 喷口截面左半部流速等值云图局部放大图 5 喷口截面右半部流速等值云图局部放大 1 2 换向器动作速度及噪声 仍以 DN200 管道的换向器为例 喷口矩形截面长边 0 6m 长宽比为 15 换入时间按 0 020s 计 换入速度是 1 5m s 在 0 01s 内从 0 速加到 1 5m s 又从 1 5m s 减速到 0 完成 一次换入 大约要产生 3g 的加速度 机械运动开停使换向器产生大约 90dB 的噪声 换向器摆斗与动力机构重量为 50kg 以 1 5m s 的速度 加速 3g 运动 大约是 1472N 的动力 加上克服流体产生的冲力才能完成所需要的动作 动力需要很大 为保证换向器在换向时流体不向外溅出 流体在高速冲向管壁时不向上涌出 液流方 向需要缓变 加大换向器的高度尺寸 致使换向器体积很大 上述是传统双向换向器的缺点 为了克服这些缺点需要研制新的换向器 单向旋转式 换向器就应运而生 2单向旋转换向器 2 1 工作原理 传统的双向换向器由于换入 换出流量三角不相等 等分流量点难以确定 而产生 误差 如果使换入 换出流量三角相等 流量等分点能够确定 就减小或者消除了此项 误差 如图 6 所示 换向器按 AB 线换入 时间 t1 经过一段时间后再按 EC 线换出 时间 4 是 t2 Q1 ABF Q2 ECD t1 t2 Q FBCD ABCE MOPK MAH HOB KEJ JPC 由于换入和换出 是单向的 AB 曲线和 EC 曲线平行 时间 t 可以在曲线 AB 及 EC 间任何对应点测量 此法消除了喷口流速分布不均匀造成的误差 而时间仪表的误差 t1 t2依然存在 选 择合适的计时器此误差可以控制的很小甚至可以被忽略 Q F B A C Q1 G H M t1 N I J L K E t Q2 t2 t D O P Q t 1 t 2 图 6 单向旋转式流量换向器特性 从原理上控制了流量三角的相等并且不需要确定流量等分点 减小了误差 且派生 了另外两个好处 一个是喷口不需要大长宽比的矩形 第二是换向动作不需要那样的高 速 因而大大减小了噪音 只要旋转速度是均匀的 换向动作在数十毫秒到数百毫秒间 都能达到非常小的误差的要求 2 2 向旋转式换向器结构示意图 图 7 换向器结构示意图 1 信号盘和旋转轴 2 减速箱及电机组件 3 出口管及喷口 4 半圆桶 5 旋 转及密封组件 6 出口分叉管 结构示意如图 7 所示 液流从喷口 3 喷出 经过半圆桶直边分流到半圆桶下流到称 量箱 沿旋转轴 1 旋转 180 度 经过半圆桶直边分流后到下水管到水池 半圆桶按照同 一方向旋转 再旋转 180 度 又经过半圆桶分流到出口分叉管 6 的右边 液流到称量箱 每次换向都是一个方向 产生了图 6 的流量 时间特性曲线 半圆桶的底部是空的 液流总是经过上边流到下面达到称量箱的一方 其他时间液流总是流到出口分叉管的左 边管 半圆桶的旋转动作是由旋转轴 1 带动的 旋转轴上端有信号盘 接收和发出旋转 信号 控制电机和减速箱运转 旋转及密封组件 5 的作用是使半圆桶旋转并且保证液流 不从半圆桶流到分叉管的另边 换向后分叉管左边的液体也不能流到右边 5 2 3 单向旋转式换向器误差分析 喷口出来的液流速度分布和传统换向器喷口相同 但是由于单向换向器换向总是一 个方向 换入和换出造成的流量三角是相同或相似的 如图 6 所示 流场计算 圆形管道 两个 90 度弯头 出口管斜切为扁圆形 喷口如图 8 介质 水 流场方程 连续方程同方程 1 动量方程同方程 2 k 输运方程同方程 3 边界条件 管壁为第一类边界条件 u 0 v 0 z 0 弯头入口为第二类边界条件 u x 0 1m s v x 0 5m s w x 0 0 喷口出口为第二类边界条件 p 101325Pa 流场计算结果如图 8 图 9 图 10 图 11 所示 图 8 喷口前管道速度分布图 9 喷口及管道内速度分布 图 10 喷口出口截面速度等值图 图 11 喷口出口截面沿 x 轴速度值 速度场计算中其他参数 DN200 管道入口横截面积 0 0314m2 平均流速 5 00m s 最大流速 5 05m s 最小流速 4 87m s 出口喷口面积 0 02 m2 平均流 速 6 13m s 最大流速 8 18m s 最小流速 6 88m s 从流速分布图 10 可以看出 喷口出口截面的速度等值云图是不对称的 重心偏下右 方 速度分布的不对称性反映上游造成的流速畸变 如果用双向运动换向器由于流速不 对称带来的误差构成换向器的主要误差 用单向旋转式换向器 每次旋转总是一个方向 虽然流速不对称但流量三角是相等或相似的 抵消了换入 换出造成的误差 误差只是 时间测量的影响 即 ttfehr 2 4 单向旋转式流量换向器试验 换向器不确定度如表 1 所示 表 1 6 口径换入时间 t1 s 换向器不确定 度 DN500 320 A 类 3 69E 05 B 类 2 50E 06 DN1500 819 A 类 3 55E 05 B 类 4 94E 06 DN3000 803 A 类 4 88E 05 B 类 7 77E 08 3 结论 本文论述了双向运动换向器产生误差的原因 计算流场使用了三维连续方程和 N S 方程的有限体积法 用流速分布云图结合换向历程图说明流场不对称性是产生误差 的主要原因 由此得出使用单向旋转式流量换向器的理由和方法 单向旋转式换向器本 质上解决了换入 换出流量三角不相等及等分流量点难以确定的问题 彻底消除了换向 器产生误差的根源 并且由此建造的换向器首次在泉州日新流量仪表公司新建的流量标 准装置上使用得到了完全成功 换向器误差减小了一个数量级 噪声减小了 50dB 体积 减小了 1 3 动力减少了 1 2 这是对换向器的创新 为换向器设计开辟了一个新途径 参考文献 1 ISO4185 1980 Measurement of liquid flow in closed conduits Weighing method 2 Tsyh Tyan Yeh Nhlanhla P Yende Pedro I Espina Theoretical self Error Cancelling Diverters for Liquid Flow Calibration Facilities 2000 FLOMEKO 3 Vikram