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水龍頭流量計;水龍頭流量測試;儀器測水龍頭流量;

渦輪流量計是吸取了國內外流量儀表先進技術經過優化設計，具有結構簡單、輕巧、精度高、復現性好、反應靈敏，安裝維護使用方便等特點的新一代渦輪流量計，廣泛用于測量封閉管道中與不銹鋼1Cr18Ni9Ti、2Cr13及剛玉Al2O3、硬質合金不起腐蝕作用，且無纖維、顆粒等雜質，工作溫度下運動粘度小于5×10-6m2/s的液體，對于運動粘度大于5×10-6m2/s的液體，可對流量計進行實液標定后使用，若與具有特殊功能的顯示儀表配套，還可以進行定量控制、超量報警等，是流量計量和節能的理想儀表。       

工作原理：

圖所示為渦輪流量傳感結構簡圖，由圖可見，當被測流體流 過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值，檢測線圖中的磁通隨之發生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈沖信號，經放大器放大后，送至顯示儀表顯示，渦輪流量計的流量方程可分為兩種：實用流量方程和理論流量方程。

實用流量方程  qv=f/k 公式1    qm=qvp 公式2

式中qv,qm……分別為體積流量，m3/s；質量流量，kg/s

f……流量計輸出信號的頻率Hz；K……流量計的儀表系數，P/m3

結構：

渦輪流量計主體、前支撐、渦輪、前置放大器、后支撐、導流器、軸承等組成，前置放大器內設置有磁鐵，感應線圈和放大單元，當被測流體經過流量計時，推動渦輪旋轉，渦輪周期性地改變磁路的磁阻值，使通過線圈的磁通量發生周期性變化，從而在線圈內感應出脈動電信號，經放大和處理后傳送至二次儀表，或就地現場顯示，以實現流量積算。

產品特點：

1.高精確度，一般可達±1%R、±0.5%R，高精度型可達±0.2%R；
2.重復性好，短期重復性可達0.05%~0.2%；
3.就地顯示，瞬時流量和累積流量；
4.輸出脈沖頻率信號，4-20mA，485通訊
5.可獲得很高的頻率信號，信號分辨力強；
6.范圍度寬，中大口徑可達1：20，小口徑為1：10；
7.結構緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大；
8.適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表；
9.專用型傳感器類型多，可根據用戶特殊需要設計為各類專用型傳感器；
10.可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護方便。

技術參數：

流量范圍：

測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響研究，柴油機缸體上水孔流量測量時, 由渦輪流量計和測量板組成的測量模塊會對冷卻水流動產生壓力損失, 從而影響上水孔流量測量結果的準確性, 為研究測量模塊對缸體上水孔流量測量的影響, 本文中進行了試驗和仿真研究。首先采用渦輪流量計和某一測量板結構對缸體上水孔進行流量測量試驗;接著采用數值方法對冷卻系統流動開展三維仿真。經對比分析, 發現上述測量模塊對上水孔流量測量結果的影響較大, *大相對誤差超過25%。在此基礎上, 對測量模塊中渦輪流量計的內徑和長度、測量板水孔結構、水孔深度和出水孔徑的影響進行了分析, 得到優化匹配的測量模塊, 即內徑為15 mm和長度為55 mm的渦輪流量計匹配水孔深度為20 mm、出水孔徑為15 mm和圓柱形水孔結構的測量板。結果表明:改進后的測量模塊有效地提高了測量結果的準確性, *大相對誤差只有3.60%。

隨著國家排放法規的日益嚴格, 市場對柴油機節能減排和可靠性的要求愈加嚴苛。柴油機冷卻系統的工作能力直接影響受熱零部件的熱負荷和相關摩擦副的潤滑條件, 進而關系發動機的燃油消耗、污染物排放和可靠性。因此, 冷卻系統的精細化設計和控制技術成為柴油機研究中的重要環節。

長期以來, 數值仿真方法, 尤其是三維CFD技術的發展, 為柴油機冷卻系統優化設計提供了有效的手段[1,2,3,4,5,6,7,8], 然而, 由于冷卻系統流道結構復雜, 其實際流動狀態不僅與設計有關, 還受到制造工藝的顯著影響, 這種工藝因素目前尚不能采用數值方法準確計算。因此, 工程上還是采用試驗測量的方法檢驗冷卻水道的流動情況, 以之檢驗設計與制造綜合質量水平。其中各上水孔的流量常被作為內部流動情況的重要表征, 渦輪流量計則是常用的傳感器。上述測試過程中, 渦輪流量計在安裝和固定等使用過程中須采用測量板, 上水孔流量測量結果受到由渦輪流量計和測量板組成的測量模塊的流動阻力的影響, 準確掌握這種影響, 對于測量板結構優化設計、提高流量測量精確度具有重要意義。

鑒于目前相關研究較少, 本文中采用試驗測量與模擬計算相結合的方法深入研究渦輪流量計和測量板組成的測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響, 為測量板結構的優化設計和提高流量測量精確度提供理論依據。

1 柴油機上水孔流量測量試驗

1.1 試驗裝置和試驗方法

圖1 柴油機上水孔流量測量試驗裝置示意圖 

整個試驗臺示意圖如圖1所示, 流量計安裝如圖2所示, 測量板結構如圖3所示。試驗裝置為閉式系統, 試驗介質為清水, 溫度為室溫。總流量使用高精度電磁流量計進行測量, 布置在水泵進口前。在柴油機進出水口各布置1個水壓傳感器來測量壓差和1個PT100熱電阻來測量溫度。變頻電機和水泵布置在發動機進水口前, 渦輪流量計選用LWGY-10, 上下兩塊測量板固定和安裝24個渦輪流量計測量各上水孔流量, 試驗方法按某發動機冷卻系統規范進行。試驗儀器如表1所示, 某六缸柴油機技術參數如表2所示。

圖2 流量計安裝示意圖 

圖3 測量板結構 

表1 試驗儀器表

1.2 試驗結果

由于試驗數據較多, 現只選1組試驗數據對后面的仿真計算進行校驗, 其中試驗邊界條件為:入口流量8.37 kg/s、入口水溫311 K和出水壓力11 837 Pa。各上水孔的編號如圖4所示, 由于試驗過程中第2, 5和11上水孔的渦輪流量計損壞, 故將這3個上水孔流量數據剔除。試驗所測得數據如圖5所示。

表2 某六缸柴油機技術參數 

圖4 各上水孔編號  

圖5 缸體上水孔流量試驗值

2 柴油機冷卻水流動CFD分析

為研究渦輪流量計和測量板組成的測量模塊對缸體上水孔流量測量的影響, 采用CFD對引入測量模塊前后各上水孔流量的變化進行對比分析。

2.1 幾何模型的建立

本文中研究對象為某直列六缸柴油機冷卻系統, 由于整體結構十分復雜, 完全按照其實體建立計算模型非常困難, 在保證對數值模擬計算結果不產生很大影響的前提下, 對實際的實體結構進行一些簡化處理, 如略去某些過渡圓角、倒角等次要細節, 對一些關鍵位置 (如缸蓋水套“鼻梁”區) 不作任何簡化。利用三維CAD軟件建立六缸冷卻系統的幾何模型。

圖6 渦輪流量計 簡化模型  

為研究測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響, 對渦輪流量計和測量板進行三維建模。由于渦輪流量計的實物結構復雜, 建模難度很大, 而流量計中葉輪對上水孔流量的影響體現在冷卻水通過葉輪時會產生一定的壓力損失, 所以可將流量計簡化成圓柱筒, 葉輪對冷卻水的影響可用一個加有流量-壓損曲線的inerior面來代替, 如圖6所示。

對LWGY-10渦輪流量計中葉輪的流量-壓損關系進行了測量, 結果見表3。

表3 葉輪的流量-壓損數據表 

將流量-壓損關系擬合為二次多項式, 其表達式為

Δp=11414q2v+1185qv+149.46 (1)

而葉輪的壓力損失的理論計算公式[7]為

Δp=8aq 2 v ρπ 2 d 4   (2) Δp=8aqv2ρπ2d4 (2)

式中:Δp為壓力損失, Pa;a為壓力損失系數;qv為通過流量計的質量流量, kg/s;ρ為液體密度, kg/m3;d為流量計內徑, m。

對比式 (1) 和式 (2) 可見, 兩者趨勢相符, 均為二次函數。

2.2 流體動力學模型的建立

冷卻水假設為不可壓縮流體, 控制方程采用無滑移壁面假設, 其質量和動量守恒方程為

?ρ?t +?(ρU)=0 (3)?(ρU)?t =ρF??p+μΔU (4)  ?ρ?t+?(ρU)=0 (3)?(ρU)?t=ρF-?p+μΔU (4)

式中:ρ為流體的密度;U為流體的速度矢量;F為作用在流體上的質量力;p為流體壓力;μ為流體的動力學黏度;t為時間變量。

根據基于雷諾時均法的數值計算方法, 引入標準k-ε雙方程湍流模型, 如式 (5) 和式 (6) 所示。

湍能能量方程:

ρ?k?t +ρu i ?k?x i  =??x i  [(μ+μ t σ k  )?k?x i  ]+G k +G b ?ρε (5) ρ?k?t+ρui?k?xi=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+Gk+Gb-ρε (5)

湍能耗散率方程:

ρ?ε?t +??x i  (ρεu i )=??x [(μ+u t σ ε  )?ε?x ]+ C 1ε εk (G k +C 3ε G b )?C 2ε ρε 2 k  (6)  ρ?ε?t+??xi(ρεui)=??x[(μ+utσε)?ε?x]+ C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k (6)

其中μt=ρCμk2/ε

式中:k為湍動能;ui為U在i方向上的速度分量;μt為湍流黏度;ε為湍流耗散率;Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產生項;Gb為由浮力產生的湍流動能;σk, σε為湍流普朗特數;C1ε, C2ε, C3ε, Cμ為經驗常數。

2.3 計算網格模型的建立

圖7 柴油機冷卻系統網格 

分別對所建帶與不帶測量模塊的柴油機冷卻水流動模型劃分網格, 根據文獻并結合實際冷卻系統的設計特點, 計算網格采用六面體網格, 網格尺寸為2 mm, 為改善模型的收斂性, 對流體進出口進行了適當的延長。兩種模型的網格分別如圖7和圖8所示。模型的總網格數量分別為936 310和1 018 135。

圖8 增加測量模塊后冷卻系統網格 

2.4 計算模型的邊界條件和物性參數

本文中針對該六缸柴油機的額定工況進行計算, 入口采用質量流量入口邊界條件, 總流量為6.67 kg/s, 入口水溫為353 K, 出口采用自由流出邊界條件, 其余邊界默認為壁面。通過Starccm+的壓降模型將式 (1) 編入算例測量段中建立的inerior面, 達到模擬真實渦輪流量計葉輪壓損的目的。*后得到原機和增加測量模塊后各缸總流量和各上水孔流量, 并對比前后差異, 分析出測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響。

3 計算模型的試驗校驗

為了保證計算模型的準確性, 本文中使用柴油機上水孔流量測量試驗臺測得的上水孔流量試驗數據 (見圖5) , 對增加相應測量模塊后的計算模擬結果進行校驗, 計算模擬與試驗結果對比見圖9。由圖可見, 計算模擬結果的*大相對誤差為4.92%, 表明計算模擬結果具有足夠的精度。

圖9 試驗結果與計算模擬結果比較