доктор технических наук;
doctor of technical sciences;
С привлечением комплекса вычислительной гидродинамики Ansys Fluent 2020 R2 разработана методика расчета трехмерного поля скорости в турбинных расходомерах геликоидного типа, основанная на уравнении баланса моментов, т.е. равенстве крутящего момента тормозящим моментам, приложенным к турбинке, что достигается при равновесной скорости вращения для заданного постоянного объемного расхода (что выполняется при равенстве нулю углового ускорения). При постоянном расходе при изменении числа оборотов ротора определяется момент на лопасти ротора. Находится такое значение чисел оборотов, при котором момент меняет знак. Зависимость момента от числа оборотов наносится на график и определяется истинное число оборотов, при котором момент равен нулю для данного расхода. Основой математического описания турбулентного трехмерного течения в расходомерах является система дифференциальных уравнений сохранения массы (уравнение неразрывности), импульса и стандартная k-ω модель турбулентности (основанная на модели Уилкокса) с частными производными в цилиндрических координатах в трехмерной постановке задачи. Заложенный в вычислительный комплекс Ansys Fluent метод множества систем отсчета позволяет свести задачу, в которой присутствуют неподвижные и вращающиеся элементы, к стационарной. Численный расчет проводился при различных значениях расхода (от 354 до 1982 м3/ч) и кинематической вязкости (от 0,2 до 140 сСт). Определены основные характеристики турбинных расходомеров: коэффициент преобразования (или K-фактора), числа Струхаля и Рошко. Наибольшее расхождение численного расчета от экспериментальных данных по значению К-фактора получено при малых расходах и при наибольшей вязкости 140 сСт (которая выходит за область применения исследуемого расходомера) и составляет не более 5%.
Using the Ansys Fluent 2020 R2 computational fluid dynamics suite, a method for calculating the three-dimensional velocity field in helicoid-type turbine flowmeters has been developed, based on the torque balance equation, i.e. the equality of the driving and retarding torques on the turbine, which is achieved at an equilibrium rotation speed for a given constant volumetric flow rate (which is fulfilled when the angular acceleration is equal to zero). At constant flow rate, when the rotor speed changes, the moment on the rotor blade is determined. The value of the speed is found at which the moment changes sign. The dependence of the torque on the number of revolutions is plotted on a graph and the true number of revolutions is determined at which the torque is zero for a given flow rate. The basis for the mathematical description of turbulent three-dimensional flow in flow meters is a system of differential equations of conservation of mass (continuity equation), momentum and the standard k-ω turbulence model (based on the Wilcox model) with partial derivatives in cylindrical coordinates in a three-dimensional problem setting. The multiple reference frame method incorporated into the Ansys Fluent computing suite allows reducing a problem involving stationary and rotating elements to a stationary one. The numerical calculation was performed at various flow rates (from 354 to 1982 m3/h) and kinematic viscosity (from 0.2 to 140 cSt). The main characteristics of turbine flowmeters are determined: the specific meter factor (or K-factor), Strouhal and Roschko numbers. The greatest discrepancy between the numerical calculation and the experimental data on the K-factor value is obtained at low flow rates and at the highest viscosity of 140 cSt (which is beyond the scope of application of the researched flowmeter) and is no more than 5%.