利用数值仿真对比两种阻尼装置的滤波性能.pdf

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1、第26卷第4期2013年7月机电产品开崖与钏新Development&InnovationofMachinery&ElectricalProductsV01.26.No.4July.,2013文章编号:1002—6673(2013)04—143-03利用数值仿真对比两种阻尼装置的滤波性能张嘉勋(广东省水利水电科学研究院广东省水动力学应用研究重点实验室,广东广州510610)摘要:为提高水力测量精度,需要合理使用阻尼滤波装置,如常用的空气阻尼装置和电子阻尼装置。由于缺少两者的对比资料,生产实践中常面临选择的困扰。利用CFD软件和电路仿真软件分别建立两种阻尼装置的仿真模型.根据仿真结果分

2、析输入输出特性,并进一步仿真了两者的模拟滤波效果,以及性能特点。结果显示两者具有相似的输入输出特性,但后者不但对水力干扰具有更优的滤波效果.而且在工程易用性、灵活性等方面性能突出。具有广泛的应用前景。关键词:空气阻尼;电子阻尼;低通滤波;数值仿真中图分类号:TH一39文献标识码:Adoi:10.3969/i.issn.1002—6673.2013.04.0590引言在水电站、泵站、供排水工程等通过水流产生能量转换的生产实践中.需要监测水流输送各阶段的水力过程参数,以掌握和调整水轮机、水泵等关键水力装置的工作状态.并保障安全运行和高效生产。这些水力参数包括压力、差压、流量等,其中压力是

3、最基本的测量参数,其它参数可由压力间接获得。实际压力测量中水流扰动、水力脉动会对测量数据产生较大的干扰,为提高测量精度,常需要合理使用阻尼滤波装置。传统水压力测量中常采用空气阻尼式稳压筒.其主体为一个底部连接测压管路的密闭容器。内部储有空气。空气在管路压力作用下被压缩,并且体积随压力变化而改变.形成空气调压室,与管路的细孔共同形成阻尼作用.可衰减部分中、高频的水压力扰动。这种稳压装置作为现有水力测量规范【1-2]推荐的滤波方式。常用于高精度稳态水力测量中,如水电站水力机组的水头测量。随着微电子技术的发展,传感器和信号变送器的集成度不断提高.并向一体化发展。目前的压力变送器已将传感元件

4、、信号转换、数据传输等模块整合其中,并能集成电子阻尼等辅助模块。电子阻尼装置通过电路或软件实现.可显著衰减信号中的高频干扰,而低频段的测量信号则正常通过,使测值保持准确和稳定。由于技术先进、自动化程度高,这种压力变送器已成为工程应用的主流。空气阻尼装置和电子阻尼装置均属于低通滤波器。修稿日期:2013—06—25作者简介:张嘉勋(1974一),男,硕士,工程师。从事自动控制技术研究、机电设备检测工作。前者滤波原理虽然直观形象,但内在规律基于复杂的粘性流体.滤波性能尚无法用解析方法准确分析.仅有经验性的描述囝。且缺少明确的工程应用标准,滤波效果常常不易满足需要。后者基于电子技术实现,其

5、数学模型准确,工作性能稳定。由于两者原理截然不同,同时缺乏具体的对比资料,生产实践往往会面临选择的困扰。本文运用计算流体力学(CFD)软件对空气阻尼装置进行数值仿真,初步分析其输入输出特性,并针对干扰信号模拟滤波效果:同时运用电路仿真软件模拟了电子阻尼装置的滤波效果,通过相互对比.初步分析两者的滤波性能,以供生产实践中参考。1空气阻尼装置1.1流体模型参考空气阻尼式稳压筒的常规结构,使用ADINA—F软件建立空气阻尼装置的2D流体模型。简体直径为500mm.筒高1000mm。压力人口简化至底板中央,孔口直径5.5mm。筒壁采用固定壁面(Wall)边界条件;筒内初始水深300mm,上部

6、为空气,之间为液一液边界。水近似为不可压缩流体.仅考虑空气的压缩性。桶内空气的初始压力为标准大气压。水的密度P水=lE3kg/m3、粘度斗水=1.3E一3Pa·s;空气密度P气=lkg/m3、粘度¨气=1.5E一5Pa·s、体积弹性模量K气=1.24E5Pa;重力加速度取g=10m/s2。网格划分在液面边界和中轴线附近加密,共生成2600个三角形单元。在底孔处施加Z方向的边界压力(NormalTraction)荷载。荷载分两阶段加载:第一阶段建立平衡状态,底孔压力由初始状态均匀增加至100mH20,并维持至液位稳定,计算时长为60s;第二阶段为施加阶跃输入,底孔压力在0.001s内由

7、100mH:O143·测试与控制·突变为105mH20,并维持至第70s计算过程结束。第一阶段计算步长设为O.02s,共计3000步;第二阶段步长为0.001s,共计10000步,开启自动步长(ATS)功能。使用sparse求解器进行瞬态模拟,得到模型在阶跃响应中的流场变化如图1所示。(a)018s(b)().58s(C)f).63s图1阶跃响应中的流场速度矢量图1.2输入输出特性跟踪仿真过程中筒壁固定点的压力变化可得到模型对于阶跃输入的输出响应,经归一化

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