氣體羅茨流量計壓力損失的數值模擬探討

何艷君

摘 要：在本次研究中應用Pump Linx軟件針對氣體羅茨流量計，在實際運行工況下的壓力損失數值展開了模擬分析，探討了在多種差異化的流量條件下氣體羅茨流量計內部壓力與速度的分布狀況。并針對數值模擬所獲得壓力損失數值與實驗測試結果進行了對比分析，結果表明此兩者在變化情況上完全相同，誤差幾乎可忽略不計。據此表明，采用Pump Linx軟件針對氣體羅茨流量計壓力損失模擬所得到的結果可信度較高。

關鍵詞：氣體羅茨流量計 壓力 速度 數值模擬

中圖分類號：TH14 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0112-02

氣體羅茨流量計的構成具體包含了計量腔和計數讀數單元兩部分內容，是一種容積式計量設備。在被測量氣體通過流量計時，其前后將會由于氣體壓力改變而產生出差壓變化，并由此促進羅茨轉子的運動。在轉子中心軸內預裝有驅動齒輪，通過轉子交替來實現對齒輪的驅動旋轉，并在運動過程當中將壓力氣體逐漸排向外部，驅動齒輪也將持續轉動并最終獲得計量結果。下文探討了采用Pump Linx軟件對氣體羅茨流量計開展數值模擬，分析了流量計內部的流暢速度與壓力分布情況以及壓力差的受損狀況。

1 計算模型

1.1 數學模型

假定計量設備是以空氣作為流動介質，其具體的流動過程長期處于湍流狀態，是一種非穩態結構形式。鑒于氣流流動速度遲緩，因此便可將實際的計算過程假定為非壓縮流體。現將流體動力學特征概括為以下方程：

連續性方程：

動量方程：

在上述方程式當中，代表氣體密度；t代表時間；代表不同分項流體的速度值；v代表流體運動粘度；xi代表不同坐標的方向；代表壓力。

1.2 流體區域網格劃分

借助于減速設備來把腰輪組件的實際運動狀況通過數字化的方式表示在表頭之上，并由此來發揮出計數效果。在測試系統內導進氣體羅茨流量計各個構成零部件，進一步采取組裝處理，精簡外部螺絲孔洞，將羅茨轉子軸和加油孔等對于氣體流體區域不會產生嚴重影響的部分有機連接起來。在對各功能部件進行組建合并之時，可采用布爾運算來計算幾何模型，并由此來獲得氣體羅茨流量計的流體面積大小。為了能夠確保最終的計算結果能夠達到更好的精準性，便需在來流及出口位置新增設適當的直管區域段落。在流體得到全方位的發展后，便可把初始區域段長度采取無量綱化處理，并進一步獲取到與之相對應的雷諾數函數值，相應的流層即刻表述為：

管道中若為湍流情況，則初始區段長度即可被表述為：

在上述計算公式當中，代表直管區段的長度值，D則代表管道內徑大小。

本次仿真測試是以空氣作為介質氣體，流動雷諾數Re=puD/μ=45026.3>2350，通過計算處理后便可了解到 /D=24，因此需在流量計前端新增24倍口徑直管段，于流量計后端新增14倍口徑直管段，并以此來確保進口流動能夠順利轉換為湍流，相應的出口流動則始終保持平緩改變。在全流體區域內部主要就包含了進出口位置的直管段，羅茨流量計腰輪轉子和外壁所共同構成的區域可采用SolidWorks來將流體區域分為前后兩端直管段落，以及相應的流量計楔形及轉子區域，之后將其依次導進Pump Linx軟件內以便生成網絡系統架構，在此之中的前后直管區段以及流量計楔形區域通常選用常規網絡結構。

在本次研究當中開展數值模擬所選用的流量計模型即為RM系列氣體羅茨流量計。其口徑大小為50mm。結構示意詳見圖1，其中左側為顯示模塊，右側為計數模塊。

2 流動模擬與結果分析

2.1 流動模擬

假定以空氣作為流體介質，溫度設置為300K，則流體介質在達到300K之時的密度P即為1.207m3/kg，動力粘度為μ1.82×10-3N·s/m2，假定流體具備可壓縮性特征，彈性模量為101275Pa，則剩余部分即為默認配置。

假定區域管道入口位置及速度入口，對于具體速度值的大小確定則必須要依據與之所相對的流量值來予以確定，在出口位置確定出壓力出口，整體壓力值可被確定為標準大氣壓。轉子轉動區域依據外齒輪泵模型來予以布設，并確定出主、從動輪的圓心點，確定旋轉軸相向值，確定出旋轉速度及方向。針對接觸部位均通過Interface邊界條件來確定出與之所相對的分界面。

2.2 結果分析

位于氣體羅茨流量計的標準流量范圍區域內確定出65、85、95、100m3/h共點，將其完全置于同等工作狀況下開展數值模擬分析，進而也便可獲得氣體羅茨流量計內部流場壓力分布狀況。位于流量計入口、出口部位分別布設壓力監測設備，基于對進出口部位的壓力差計算來獲取相應的流量計壓力受損數值。在研究氣體羅茨流量計的內部流場分布狀況之時，壓力與速度是其中的絕對核心內容。在本次研究中就采用了Pump Linx軟件來對氣體羅茨流量計開展了模擬分析，并據此獲得在流量數值完全不同的條件下與之所對應的壓力及速度云圖，并借助于對壓力與速度的特征分析，來對氣體羅茨流量計優化完善指出具有建設性的修改建議。

（1）壓力分布。通過轉子被分為2、3部分，其所對應的壓力數值大致相當，所產生出的改變形態也并不巨大。在θ為0°之時，因受制于氣體侵入影響，使得前端壓力要明顯高于后端案例之，特別是在轉子由逆時針方向轉動超過45°以后，前后兩處氣體并未能夠得到有效連通，這也將使得后端氣體盡管會流出但是卻無法獲得氣體補充，氣體壓力下降，前端氣體持續滲入，將會導致前端壓力持續擴大。相應地在轉子轉動角度擴大到90°之時，后端氣體將會留出并造成該處位置的壓力下降，而前端氣體的壓力將會擴大，且部分氣體將會產生下計量腔。并同時會伴隨著氣體的持續性流通，氣體羅茨流量計內部流程也將會持續發生改變，然而和先前的改變情況則基本相同。

（2）速度分布。氣體羅茨流量計的速度分布狀況表現的十分顯著，在接近于外部位置的區域因壁面粘性阻力因素影響，其相應的速度值會明顯略小一些，而在接近于轉子邊緣壁區域則會因為受到轉子影響，促使接近于轉子位置的流動速度要顯著更大一些，并促進流體的大規模流動。位于0°情況下進入一端因轉子對氣流的阻擋效應將會使得速度減緩，而出口一端的氣壓值則會相對略小，所產生出的壓力差也將會導致后端速度明顯加快，并產生出接近于轉子位置的速度異常升高區。在氣體流動之時，因中間縫隙并非氣體通道，僅有少部分氣體可通過，流速相對較小。而伴隨著轉子的轉動角度不斷增大，氣體將會伴隨下端轉子發生方向變化，流動速度也將明顯擴大，上端氣體因受到轉子阻擋影響，流速并不會明顯升高。

3 結語

綜上所述，通過本文關于氣體羅茨流量計壓力損失的數值仿真模擬研究，實踐檢驗表明，通過Pump Linx軟件所模擬出的流場分布完全滿足于該流量計在真實運行環境下的壓力與速度特征。借助于流體數值模擬方法來開展關于氣體羅茨流量計的研究，能夠實現對流量計性能的進一步優化與完善，最終所得到的數值模擬結果和實驗改變情況完全相同。

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