气体罗茨流量计压力损失的数值模拟探讨

摘 要：在本次研究中应用Pump Linx软件针对气体罗茨流量计，在实际运行工况下的压力损失数值展开了模拟分析，探讨了在多种差异化的流量条件下气体罗茨流量计内部压力与速度的分布状况。并针对数值模拟所获得压力损失数值与实验测试结果进行了对比分析，结果表明此两者在变化情况上完全相同，误差几乎可忽略不计。据此表明，采用Pump Linx软件针对气体罗茨流量计压力损失模拟所得到的结果可信度较高。

关键词：气体罗茨流量计 压力 速度 数值模拟

中图分类号：TH14 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0112-02

气体罗茨流量计的构成具体包含了计量腔和计数读数单元两部分内容，是一种容积式计量设备。在被测量气体通过流量计时，其前后将会由于气体压力改变而产生出差压变化，并由此促进罗茨转子的运动。在转子中心轴内预装有驱动齿轮，通过转子交替来实现对齿轮的驱动旋转，并在运动过程当中将压力气体逐渐排向外部，驱动齿轮也将持续转动并最终获得计量结果。下文探讨了采用Pump Linx软件对气体罗茨流量计开展数值模拟，分析了流量计内部的流畅速度与压力分布情况以及压力差的受损状况。

1 计算模型

1.1 数学模型

假定计量设备是以空气作为流动介质，其具体的流动过程长期处于湍流状态，是一种非稳态结构形式。鉴于气流流动速度迟缓，因此便可将实际的计算过程假定为非压缩流体。现将流体动力学特征概括为以下方程：

连续性方程：

动量方程：

在上述方程式当中，代表气体密度；t代表时间；代表不同分项流体的速度值；v代表流体运动粘度；xi代表不同坐标的方向；代表压力。

1.2 流体区域网格划分

借助于减速设备来把腰轮组件的实际运动状况通过数字化的方式表示在表头之上，并由此来发挥出计数效果。在测试系统内导进气体罗茨流量计各个构成零部件，进一步采取组装处理，精简外部螺丝孔洞，将罗茨转子轴和加油孔等对于气体流体区域不会产生严重影响的部分有机连接起来。在对各功能部件进行组建合并之时，可采用布尔运算来计算几何模型，并由此来获得气体罗茨流量计的流体面积大小。为了能够确保最终的计算结果能够达到更好的精准性，便需在来流及出口位置新增设适当的直管区域段落。在流体得到全方位的发展后，便可把初始区域段长度采取无量纲化处理，并进一步获取到与之相对应的雷诺数函数值，相应的流层即刻表述为：

管道中若为湍流情况，则初始区段长度即可被表述为：

在上述计算公式当中，代表直管区段的长度值，D则代表管道内径大小。

本次仿真测试是以空气作为介质气体，流动雷诺数Re=puD/μ=45026.3>2350，通过计算处理后便可了解到 /D=24，因此需在流量计前端新增24倍口径直管段，于流量计后端新增14倍口径直管段，并以此来确保进口流动能够顺利转换为湍流，相应的出口流动则始终保持平缓改变。在全流体区域内部主要就包含了进出口位置的直管段，罗茨流量计腰轮转子和外壁所共同构成的区域可采用SolidWorks来将流体区域分为前后两端直管段落，以及相应的流量计楔形及转子区域，之后将其依次导进Pump Linx软件内以便生成网络系统架构，在此之中的前后直管区段以及流量计楔形区域通常选用常规网络结构。

在本次研究当中开展数值模拟所选用的流量计模型即为RM系列气体罗茨流量计。其口径大小为50mm。结构示意详见图1，其中左侧为显示模块，右侧为计数模块。

2 流动模拟与结果分析

2.1 流动模拟

假定以空气作为流体介质，温度设置为300K，则流体介质在达到300K之时的密度P即为1.207m3/kg，动力粘度为μ1.82×10-3N·s/m2，假定流体具备可压缩性特征，弹性模量为101275Pa，则剩余部分即为默认配置。

假定区域管道入口位置及速度入口，对于具体速度值的大小确定则必须要依据与之所相对的流量值来予以确定，在出口位置确定出压力出口，整体压力值可被确定为标准大气压。转子转动区域依据外齿轮泵模型来予以布设，并确定出主、从动轮的圆心点，确定旋转轴相向值，确定出旋转速度及方向。针对接触部位均通过Interface边界条件来确定出与之所相对的分界面。

2.2 结果分析

位于气体罗茨流量計的标准流量范围区域内确定出65、85、95、100m3/h共点，将其完全置于同等工作状况下开展数值模拟分析，进而也便可获得气体罗茨流量计内部流场压力分布状况。位于流量计入口、出口部位分别布设压力监测设备，基于对进出口部位的压力差计算来获取相应的流量计压力受损数值。在研究气体罗茨流量计的内部流场分布状况之时，压力与速度是其中的绝对核心内容。在本次研究中就采用了Pump Linx软件来对气体罗茨流量计开展了模拟分析，并据此获得在流量数值完全不同的条件下与之所对应的压力及速度云图，并借助于对压力与速度的特征分析，来对气体罗茨流量计优化完善指出具有建设性的修改建议。

（1）压力分布。通过转子被分为2、3部分，其所对应的压力数值大致相当，所产生出的改变形态也并不巨大。在θ为0°之时，因受制于气体侵入影响，使得前端压力要明显高于后端案例之，特别是在转子由逆时针方向转动超过45°以后，前后两处气体并未能够得到有效连通，这也将使得后端气体尽管会流出但是却无法获得气体补充，气体压力下降，前端气体持续渗入，将会导致前端压力持续扩大。相应地在转子转动角度扩大到90°之时，后端气体将会留出并造成该处位置的压力下降，而前端气体的压力将会扩大，且部分气体将会产生下计量腔。并同时会伴随着气体的持续性流通，气体罗茨流量计内部流程也将会持续发生改变，然而和先前的改变情况则基本相同。

（2）速度分布。气体罗茨流量计的速度分布状况表现的十分显著，在接近于外部位置的区域因壁面粘性阻力因素影响，其相应的速度值会明显略小一些，而在接近于转子边缘壁区域则会因为受到转子影响，促使接近于转子位置的流动速度要显著更大一些，并促进流体的大规模流动。位于0°情况下进入一端因转子对气流的阻挡效应将会使得速度减缓，而出口一端的气压值则会相对略小，所产生出的压力差也将会导致后端速度明显加快，并产生出接近于转子位置的速度异常升高区。在气体流动之时，因中间缝隙并非气体通道，仅有少部分气体可通过，流速相对较小。而伴随着转子的转动角度不断增大，气体将会伴随下端转子发生方向变化，流动速度也将明显扩大，上端气体因受到转子阻挡影响，流速并不会明显升高。

3 结语

综上所述，通过本文关于气体罗茨流量计压力损失的数值仿真模拟研究，实践检验表明，通过Pump Linx软件所模拟出的流场分布完全满足于该流量计在真实运行环境下的压力与速度特征。借助于流体数值模拟方法来开展关于气体罗茨流量计的研究，能够实现对流量计性能的进一步优化与完善，最终所得到的数值模拟结果和实验改变情况完全相同。

参考文献

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