[發明專利]基于CFD的渦輪流量計的仿真方法

在審

• 申請號: 202110053684.1
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112818478A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 郭素娜;劉旭;鄭鑫;楊子航;李光;王帆
• 申請（專利權）人: 河北大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 石家莊國域專利商標事務所有限公司 13112
• 代理人: 胡澎

1.一種基于CFD的渦輪流量計的仿真方法，其特征是，包括以下步驟：

a、根據渦輪流量計機芯的實際尺寸，利用機械繪圖軟件進行機芯部分的幾何模型的繪制，再根據渦輪流量計的口徑和所繪制的機芯幾何模型，利用布爾運算，建立機芯部分的仿真模型；

b、利用仿真前處理軟件，對所建立的機芯仿真模型進行識別，再對其進行流體區域劃分和網格繪制；對機芯仿真模型的各部分進行網格剖分，并對機芯仿真模型的各個表面的類型進行設置，保存機芯仿真模型的mesh文件；

c、利用機械繪圖軟件設置機芯仿真模型中葉輪的仿真模型的材料屬性，再查詢葉輪的質量屬性信息，或是根據葉輪的材料屬性計算出葉輪的質量屬性信息；利用仿真軟件Fluent中的UDF接口，將葉輪的質量屬性信息附加到葉輪的仿真模型上，利用編程軟件對葉輪的質量屬性進行編程，保存編制的6DOF程序；

d、將步驟b中得到的mesh文件導入仿真軟件Fluent中，利用仿真軟件Fluent的UDF接口，將步驟c中得到的6DOF程序附加到葉輪的仿真模型中，利用仿真軟件Fluent中的Solves求解器進行求解，設置邊界條件，在滿足預設殘差后仿真收斂，滿足條件步數后仿真結束，同時輸出葉輪轉動位置的信息文件；

e、根據步驟d所輸出的葉輪轉動位置的信息文件，求解葉輪轉速，根據葉輪轉速與渦輪流量計的輸入流量，求解渦輪流量計的儀表系數。

2.根據權利要求1所述的基于CFD的渦輪流量計的仿真方法，其特征是，步驟a中的機芯部分的幾何模型的繪制方式是：在機械繪圖軟件中，先建立基準面，然后利用“拉伸”功能得到機芯體，以此方法繪制出包括葉片、管道和導流件在內的各部分零件，再將各部分零件組裝到一起，即得到渦輪流量計的機芯部分的組裝體幾何模型。

3.根據權利要求1所述的基于CFD的渦輪流量計的仿真方法，其特征是，步驟d中的Solves求解器的求解過程是：首先導入劃分好的網格以及編寫好的6DOF程序，選擇實驗中所需的流體材料，并按實際粘度和密度改變材料特性，前、后導流件以及葉輪均選用此流體材料，葉輪旋轉方向選用流體的流動方向；選用湍流模型進行計算。

4.根據權利要求1所述的基于CFD的渦輪流量計的仿真方法，其特征是，步驟d中的設置邊界條件的方式是：入口選擇速度入口，入口仿真流量點分別是1m³/h、2.5m³/h、4m³/h、7m³/h和10m³/h；出口選擇自由流動出口；前、后導流件流體和葉輪流體之間采用interface面進行連接，葉輪流場壁選擇移動網格，且移動方向選擇流體流動方向，轉動速度為零；動態網格中選用平滑處理以及重新嚙合方式；平滑處理中選擇擴散模式，重新嚙合選用最小網格尺寸方式；選件中選擇葉輪壁作為輸出位置面，將葉輪轉動位置輸出用于后期數據處理；在動態網格區域中，所有葉輪流體部分附加6DOF程序，葉輪壁選用剛體類型，interface面以及葉輪流場壁面采用剛體被動類型，而葉輪流體內部網格采用變形類型。

5.根據權利要求1所述的基于CFD的渦輪流量計的仿真方法，其特征是，步驟e中的葉輪轉速求解方式是：

首先依據公式(1)計算出相鄰兩步之間葉輪的角位移Δθ_i；

△θ_i＝θ_i-θ_i-1 (1)

其中，θ_i為仿真第i步葉輪的角度；θ_i-1為仿真第i-1步葉輪的角度；

再將計算得到的葉輪的角位移△θ_i代入公式(2)，計算得到每一步葉輪旋轉角速度ω_i；

其中，Δt為單位時間步長；Δθ_i為單位時間步長內葉輪的角位移。

6.根據權利要求5所述的基于CFD的渦輪流量計的仿真方法，其特征是，步驟e中的渦輪流量計的儀表系數求解方式是：

先取一個周期內葉輪轉速的平均值作為葉輪在此流量點下對應的轉速值；

其中：n是一個周期內仿真的步數；

再利用葉輪轉速的平均值代入公式(4)，計算得到葉輪旋轉頻率f；

其中：N是葉輪的葉片個數；

由葉輪旋轉頻率f和流量點q_v代入公式(5)，計算得到渦輪流量傳感器的儀表系數K_S；

其中：f是葉輪旋轉頻率；q_v是入口處的體積流量，單位為m³/h。