设计用于使用多物理模拟的气流设备的智能解决方案

随着印度朝着化石燃料的依赖减少,预计将提供更多的城市房屋,而不是燃料或木材等燃料,这些天然气会散发出更多的温室气体。为了优化家用气体表的各种设计,Raychem RPG的研究人员转向多物理模拟。


作者:阿迪蒂·卡兰迪卡(Aditi Karandikar)
2021年6月

在20期Th世纪,印度的能源景观以化石燃料为主,柴油,石油和煤油用于大多数工业和家庭用途。在印度农村地区,大部分人口仍在使用煤炭,木材或粪便火进行烹饪。然而,过去几十年来,该国努力成为一种基于天然气的经济,并广泛使用液化石油气(LPG)和压缩天然气(CNG)进行烹饪甚至运输。最近,许多城市家庭也提供了管道的天然气,为消费者家庭提供了不间断的烹饪气体的舒适性。这一新开发要求气体公用事业提供商衡量消耗多少天然气。如何?在燃气表的帮助下。

煤气表背后的原理

气表(图1)是用于住宅,商业和工业建筑中的专门流量计,用于测量通过管道传递的燃料气体,例如CNG或LPG。气体高度可压缩,这使其比液体更难测量,因为它们对温度和压力的变化敏感。气体计测量定义的体积,无论流过电表的气体的加压数量或质量如何。因此,需要在温度,压力和加热值中进行调整,以准确测量通过仪表移动的气体的实际量。

几种不同的气体表设计很常见,具体取决于要测量的气体流量,预期的流量范围,测量的气体类型以及其他因素。一些主要类型的气体计包括隔膜仪表,旋转位移仪,涡轮机仪表,超声流量计和科里奥利仪表。

带有米色外壳,灰色和绿色陈列的燃气表以及两个黑色旋钮。
图1.燃气表。图片由Raychem RPG提供。

Raychem RPG是印度国内天然气收量表的主要提供商之一,占市场份额的近80%。在印度古吉拉特邦的Raychem Innovation Center(RIC),研究人员开发了四个新设计的气体流量计设计,这些设计是使用多物理模拟软件进行概念化,优化和验证的四个新设计。

气流仪的设计挑战

目前在印度可用的所有天然气表都有自己的局限性。例如,在隔膜仪表中,运动部件和隔膜的泄漏会导致测量误差。另一方面,旋转位移仪和涡轮机仪表接近35个组件,增加了机械故障和疲劳的可能性。此外,固定了任何燃气表的外壳尺寸,因此任何新的仪表设计都必须适合给定的外壳尺寸。因此,设备的尺寸是任何新的燃气表设计的另一个重要标准。所有这些不同的标准使这些设备在最终质量测试阶段获得批准是一个挑战。实际上,排斥率可能很高。

由Ishant Jain先生领导的Raychem团队着手最大程度地减少气体流量计组件的数量,并在质量测试阶段降低其拒绝率,从而降低这些设备的制造总成本。为此,Raychem团队在COMSOL多物理学中进行了仿真分析®软件。

通过模拟验证4个气表设计

Raychem团队根据使用TRIZ,解决问题的方法和客户需求的设计优化开发了四个气体计。他们首先验证传统气表设计的有限元模型。然后,团队扩展了他们的发现,以评估拟议的设计。

带有苏格兰 - Yoke机制的膜片计

新的燃气表设计中的第一个是对现有的隔膜系统的修改,在该系统中,电容仪组件被苏格兰 - Yoke机制替换为减少组件的数量。

从上方观看的隔膜仪表模型,彩虹中显示了位移。
从下面查看的隔膜仪表模型,彩虹中显示的位移。
图2.苏格兰 - 尤克设计的几何形状。

在达到优化的设计(图2)之后,Raychem团队还能够从原始设计中消除几个机械组件,此外还可以提高测量的准确性和灵敏度。仪表系统中的组件数量显着减少,从较早的隔膜设计的35个组件到5或6个组件,从而确保了系统的机械坚固性和完整性。

möbius带涡轮仪表

下一个设计由Möbius带涡轮机组成,其中使用涡轮机的旋转来测量气流。这些气体计通过确定穿过莫比乌斯带的气体的速度来测量气体体积。将莫比乌斯带状的转子放置在旋转轴的气流上方的方式中。将轴的输出转移到斜面齿轮系统中。涡轮机渗透了气体的速度,该气体是机械传输到电子或机械计数器的。Raychem团队使用了CFD模块和多体动力学模块,将产品附加到Comsol Multiphysics乐动体育app无法登录®,为了建模湍流(图3)以及涡轮机中发展的应力和扭矩。

从上方观看的彩虹中显示的彩虹中显示的莫比乌斯带流量计模型。
从侧面观看的彩虹中显示的彩虹中显示的莫比乌斯带流量计模型。
图3.Möbius带流量计中流动气的速度曲线,从两个不同的角度显示。

重要的是要注意,当气体流量高时,莫比乌斯带涡轮机电表的性能很好。由于气体体积取决于其流量,因此设备的功效受到限制,同时以低压下降测量流量。为了解决这个问题,Raychem团队基于众所周知的原理设计了另一个流量计:相同极性的磁铁相互排斥。

带有磁铁和球/光盘设计的涡轮计

在第三米设计中,一个通常是球或圆盘的物体在管道内部排列,以使磁力使其漂浮。物体通过管道中的气流抬起,并通过磁盘上升到的高度来测量气流。这种仪表非常敏感,甚至可以测量较小的压降。研究人员使用AC/DC模块和CFD模块研究了磁性和设备性能®,并达到了优化的设计(图4)。在这种情况下,该团队能够提出一种高度敏感的设备,即使气体流速的略有变化也是如此。

磁性球/盘流量计设计的插图,显示为U形灰色管。
流体的2D表面图在1秒钟以经过圆盘的流动,其中速度幅度在彩虹中显示。
图4.磁球/圆盘流量计的概念(左)和磁盘流体诱导运动的模拟(右)。

涡轮计

最终设计还基于涡轮机的旋转,但使用了不同的涡轮机设计。在这里,带有固定导板和跑步者叶片的涡轮组件作为阻塞元件放置在主通道中(图5)。旋转涡轮机捕获的能量用于为热传感器提供电力,从而使该设备成为自动化系统。导板充当喷嘴,将气体流向跑步者的叶片,旋转轴和斜面齿轮对。基于斜角齿轮对的旋转或使用热传感器测量温度下降来测量气流。Raychem团队使用COMSOL多物理学使用了CFD模块和多体动力学模块®最终确定设计。模拟研究使Raychem团队仅使用U形管和一个传感器设计一个智能能量气表,使其非常紧凑且易于安装。

带有15个叶片的涡轮仪表模型的灰色几何形状。
涡轮计米模型的彩虹片图在0.195秒时。
图5.在Comsol多物理学中进行的涡轮机(左)和设计验证研究的设计®(正确的)。

未来的研究计划

经过验证的仿真结果是Raychem的四个新燃气表设计的核心。Raychem团队对这些流量计的性能充满信心,以满足国内和工业应用的要求。这些设计已入围生产名单,并应很快向印度各地的城市消费者提供,直接安装在其房屋中安装的燃气表中。

致谢

Raychem团队要感谢Tito Kishan协助Triz Application和Ganesh Bhoye进行设计工程。