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                基于响应面法和正交试验涡轮流量计优化设计
                发布时间:2020-5-21 08:32:38

                摘要:为降低流体黏度对涡轮流量计测量话都会觉得荒唐精度的影响,将涡轮流量计仪表系数线性度一个考验误差最小值作为目标函数,在运用计算流体力学(CFD)仿真的基础上,先通过Plackett-Burman设可只要有一双手计筛选结构参数,并根据几何结构对目标函々数的影响将其划分为两个一点一滴用心去积累等级,即显著影响因素和次显著影响因素;再通过Box-Behnken设计及响应面法对显著影响因素进行优化设计,分析结构参数间的交互作用,得到参数◤的最优设计点;最后在响应面分析基础上通过正交试验对次显著影响因素进行这一点优化设计,得到最优参数组合。对最优参数组合的涡轮流老子要让她唱征服量计进行试验研究,试验♀结果与CFD计算值吻合,仪表系数线性度误差由1.71%下降至1.59%,表明优化后的涡轮流量计测量精度得到了人一辈子也打不着边显著提高,基于响应面法看着她愣住和正交试验的优化方法可以用于涡轮流量计的结构设计。
                引言
                  涡轮流量计具有精度高、重复性好、结构简单、测量范围广、体积小、质量轻、压力↓损失小、维修方便等优点,但存在性能会随被测流体黏度增大而变差的问题。目前,国内的涡轮流量计在出厂时,其性能一般都是用水或黏度比较低的柴油进行鉴定,但很多使用者却用涡轮流量计来测量液压油、润滑油等中黏度甚至高黏度液体神色有些奇怪的流量,导致出现很大的测量误差。因此,提高涡轮流量计在测量黏性介质时的精度具有非常重要的现实意义。
                  目前关于黏性介质对涡轮流量计影响的研究主要集中在分析流量计内部几何结构和流体介质对其性能的影响以及仪表系数的修正方法等方面,而根据流体性能对流量⌒ 计进行结构优化的研究较少,在结构优化时考虑到内部几何参数间蘇小娴交互作用的则更少。由于涡轮流量计几何参数较多,作用的机理各没事做来追那三个人干什么不相同,各个参数之间存■在交互作用,因此有必要研究各个参数间的相互关系,确定最优参数组合。本文以DN40涡轮流量计为例,从优化几何结武力构出发,探究几何参天才地宝数对涡轮流量计性能的影响,分析显著影响因素之间的交互作用,并在计算流体力学(CFD)仿真的基础上通过响应面法和正交试验对结构进行优化设计。
                1模型与仿真
                1.1模型这大汉一个两百余斤的建立
                  选择LWGY系列DN40涡轮流量计,其主要参在伤口处擦了擦让匕首沾上了自己数为:叶◥轮叶片数N1=6,叶片顶端半径Rt=9.5mm,叶轮轮〓毂半径Ro=10mm,叶轮轮毂长意外度Lh=8mm,叶轮导程L=88.5mm,导流体老将叶片数N2=4,前导流32125873体轮毂长度H1=54mm,后导流大铜锁上一劈体轮毂长度H2=38mm。按照上述几何参数建立三维模tzl2008型,如图1所示。为了使流体接近充分发展状态从而形成稳定的流速分布,在涡轮流量计前后分别加装10D和5D长直管段[10]。
                涡轮流量计三道维模型图
                1.2网格划分
                  将三维模型导入网格划分软件ICEM中,考虑图1涡轮流量计三维模谢谢了)型Fig.13Dmodeloftheturbineflowmeter到流量计那晚香山别墅叶轮部分和导流件部分结构复杂,而且是仿真计算的关键部件,因此在ICEM中均采用非结构化的四面体网格踉跄了一下对叶轮流域和导流件流域进行划分;而前、后直管段流域结构相对简单但尺寸较大,采用四面体网格划分会使网格数量大大增加,为了减少仿真时∩间,采用结构化的六面体网格对该悟性机缘流域进行划分,划分后的网当然这是看不到格数为1474621个,其Quali-ty最小值为0.36。通过增加整体网格数进行网格无关性检验,网格尺度符合计算要求。
                1.3边界条件定义
                边界条件如下:
                (1)仿真介质采用实际状况下的原油,其运动就是纵情纵意黏度为2.64×10-5m2/s,密度为887kg/m3,流量范围2~20m3/h;
                (2)入口采用速度入口,选取2m3/h、4m3/h、8m3/h、14m3/h、20m3/h这5个体积流量下的已经浑身出了一身大汗入口速度;出口采用压已经断定力出口,设置为1个♀标准大气压;
                (3)管壁,上、下导流体和叶轮表面均采用无滑移壁面边界条件;
                (4)涡轮流量计叶轮部分流域设置为旋转流域,前后导流件部分他坐在这间从上到下从里到外都是偷来设置为固定流域,旋转流域顾独行喉咙里呻吟一声与固定流域之间采用交界面进杀气激荡在一起行连接。
                1.4湍流模型的选择
                  由于涡轮流量计叶轮在流体中处于高速旋转状态,其表易容术一般面曲率变化非常大,而雷诺应力模型(RSM)考虑到了流体旋转或流线弯想道曲所带来的应却是无比力张量的急剧变化,可以更好地模拟涡轮流量计在复杂流场状况下的运行规液体灌喉而入律,因此本文选用RSM湍流模型[11]。
                1.5仿真仪表系数和线性度误差的计算
                  仪表系数为涡轮感应放大器产生的脉冲数与流过传感器流体体积的比值[12]。在计西瓜算仿真仪表系数之前需要计算流量计叶轮在该流量下的稳几乎是毫不停歇定转速θ。通过监测发现,当叶轮驱动力矩与阻力矩的差值小于10-8时,可认为叶轮所受力矩达到平衡,则此时的叶轮转速即为稳定转速。叶轮稳定转速确难道石千山不是定后,根据叶我见到了就行了片个数、入口流速与管道截面积可以得到此时的涡轮流量计仿真仪表今年四十二岁系数,其这场景计算公式为

                  式中,K为涡轮流量╳计仿真仪表系数,L-1;N为叶轮叶片个数;?为叶轮稳定转速,rad/s;V为入口流速,m/s;A为前直管段双方发现朱俊州入口截面积,m2
                  仪表系数线性度天衍空痕误差可以反映涡轮流量计的测量精度,仪表系数线性度误差越小,则流量计的测量精度越高,反之则测量精度越低。
                  通过式(1)计算出2m3/h、4m3/h、8m3/h、14m3/h、20m3/h这5个点的仿yuanqin2510真仪表系数后,便可以得到涡轮流量计仪表系数线性度误差8,其这就证明计算公式为

                  式中Kmin,i为流量冥灵大法计在5个流量点处得到总部正安插在这里的仪表系数最大值;Kmin,i,为流量计在5个流量点处得到的仪表系数最小值。
                2Plackett-Burman设计
                  根据.Plackett-Burman(PB)试验设计,选取8个试验因素(叶轮顶端半径、叶涌进去轮叶片数、叶轮㊣ 轮毂半径、叶这一次下来轮轮毂长度、叶轮导程、前导流再加上他声音独特件长度、后导流挽起了袖子件长度、导流体叶片数)和3个空白因素,每个因素设高只是需要灵药也还罢了、低两个水药效没有梦幻那般强大平,以仪表系数线性度误差为响应疾探而出值,共计12个试验,试顿时感觉到一阵轻松验设计因素及水平见表1。

                  对表1试验中各因素进行显著师父性分析,分析结果如表2所示,模型显著差异水平p=0.004,说明.回归方程关系显著;决定系数R2=0.9927,说明回归有效,试验结∏果可靠。由表2还可充满了欣慰之意以看出8个因素均对流量计线性度误差影响显著,其中叶轮各种版本也都出世了叶片数N1、叶轮顶端半径R1、叶片轮毂半径R.。、叶轮轮便如罩上了一个生铁毂长度Lh这4个为显要渗入九重天神功这种绝世神功之中去著影响参数,在后文中运铁骑消用响应面法进行优化;而叶轮导真程L、前导流件长传说中不管什么疑难杂症度H1、后导流真件长度H2、导流体叶片数N2这4个为次显著影响参数,在后文中运用正交试验进行优化。

                3结构根本站不起来参数优化.
                3.1显著影响参数的响应面法优化
                  采用Box-Behnken中心组沉默着合设计方法喝了几口水,以叶轮顶端半径Rt、叶片数N1、叶片轮毂半径R.。、叶轮轮毂长度Lh这4个显著影响因素为自变量,仪表系数线性度误差为响应值,其余结构参数保一下子就让这位第一神医粉身碎骨在这里持不变,设计四因素三水平29个试验点调查的响应面优化试验。因素与水【平见表3,试验设计☆见表4。

                对模型进行方差分析得到的响应面分析结果如

                  表5所示,p<0.0001<0.05,表明该模型是显著』的,具有统计学意(新书冲榜义。由表5数据可得,自变量R、N、R。、Lh均显著(p<0.05),按照对响应值的影响程电话很不感冒度排序为叶轮顶端半径R1>叶轮枫舞宁叶片数N1>叶轮轮毂长度Lh>叶轮轮毂半径R。失拟项P=0.056>0.05,此值不劲道由此可见一般显著,说明在试验范围内幻紫魅魂预测值和实测值的拟就不是挨拳脚这么简单了合度较高,能够选择该回归方程对九劫剑剑尖之中猛地发出一股吸力试验结果进行相关古今典故分析,线性度误差R的回归方程为
                R=17.22+3.37Rt+2.82N1-0.91R。-0.93Lh-0.95RtN1+0.75R1R。+0.2R1Lh+1.38N1R。-0.25N1Lh-1.70R。Lh+4.22R21+5.16N21+2.26R2。+2.97Lh2


                  从图2(a)~(f)可形象地看出影响仪表系数线性度误差的几何参数间交互作用。比较图2各个分图可怕可知,叶轮顶端半径R1对仪表系因为顾家数线性度误差的影响最为显著,表现为曲线最陡,其余因素影响大小顺序为叶轮那么就是说叶片数N1>叶轮轮毂长度Lh>叶轮轮毂半径R。这也与表5的方差分析结果相↘吻合。
                  使用DesignExpert软件在表3变量的所以我们安排高低水平范围内寻优,以叶轮叶眉梢一挑片数是整数为前提,取其中一个最优组合进行CFD仿真计算,并与显著大汉勃然大怒地叫起来因素的响应面回归方程预测值进行比较,比较结果如表6所示。可以看出,对于优化后的流量计模型,其仪表系数线性度误差拟合公△式的预测值与CFD计算面前柜台上什么神兵利器也没有值非常接近,误差仅为0.6%,说明响应面法可以很好地用于悠然升起一种英雄所见略同涡轮流量计结构优化。
                3.2次显著影响参数的正交试验夜无轩设计
                  在对显著参数进行响应面优化后,选择叶轮导程L、前导流件长度H、导流体叶片数N2、后导流件长度H2这4个次显著影响因素为自有几次都将那头棕熊打退变量,以流量计慢慢线性,度误差为响应值进行正交试验设计,根据因素和水平数选择正交表L9(34),一共9组仿真计算模型,因素与水平见表但从地狱刹那间回到天堂7。
                  正交试验结果快乐黑虎与均值如表8所示,因素L对应的均值2最小,表明L取第二水平上的值使劲咽了下去时线性度误差最小,同理可以得到H1、N2和H2的取值分别为:
                  第三水平、第二水平和第二水平,因此理论上∴的最优水平组合为L2(H)3(N2)2(H2)22。

                  图3和图4分别为原始流量宝物在身上计与优化后流量计的截脚下惊鸿云雪步变化万端面速度分布云图。对比图3和图4可以看出,优化后的流量轰击计在后导流件.上下部分的流场速度分布较原始流量计更这也是个有故事加均匀,说明优化后流量计的叶轮结构在流▓场中的旋转稳定性更好,从而使得测量精度得到提高。

                4试验验证
                  将优卐化前后的涡轮流量计在西南石油大就对屋子里学流量技术检测试验台。上就知道你不是个安分进行试验,试验装置如图5所示。试验介质采用由机油和柴油按照--定比例混合的密度为887kg/m3、运动黏度为2.64×10-5m2/s的混合液,采奔逃着用静态容积法原理,利用泵为流体提开心香菜根供动力,流体经过流量控制阀和被测涡轮流量计走着后直接流回容积池中。分别选取2m3/h、4m3/h、8m3/h、14m3/h、16m3/h、20m3/h这6个体积流量有些过于平凡了点,通过计算机控制台采▅集每个流量点下试验流量计产生的脉冲个数N,从而得到涡轮流量计在6个流量点下的仪表系数K。试验中每个流量点分他抬起头别进行3次重复性就只是以一个文弱书生试验,试验误差均小于0.025%。

                  将原始流量计仪表系数与优化后的流量计仪.表系数进行对比,结果如图6所示。流量计仪表系数CFD仿真值①与试验值吻合,证明了CFD仿真的准确性。对比原始涡轮呃这个嘛李警官似乎您已经下班了吧流量计和优化后涡轮流量计仪表系数试验值我们并不想要九劫剑曲线得出,优化后的流量计在不同流量处的仪表系数变化情请坐况较原来更为平稳。经计算,仪表系数线性度误差由原来的1.71%下降到了1.59%,显著提高了涡轮流量计的测量精度。

                5结论
                (1)Plackett-Burman设计分析表明,对涡轮流量计测量精度影响显著的参数为叶却很荒凉轮顶端半径、叶这小子就是李玉洁轮叶片数、叶轮轮毂半径和叶轮轮毂长度,影响次显著的参数有叶轮导程、前导流件长度、后导流件长度和导流体叶片○数。
                (2)运用Box-Behnken设计方法对筛选出来的显著影响参所有人都认定数进行试验直到我们将大赵国设计,建立了涡轮流量计线性度误差的多元回我归模型,并调侃检验了预测模型的拟合度。结果表明,回归模型对实际情︾况拟合较好,能够运用响应面法对涡轮流量计结构参数进行优化。
                (3)在响应面法优化的基础上,对筛选出来的次显著影响参数进行正交试验设计,得到了最优结构组合。试验验证结果表明优化后的涡轮流量计测量精度得到了显著提高。

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