Raychem RPG Designs Smart Solutions for Gas Flow Devices

通过多物理场仿真优化家用燃气表设计

随着逐渐减少对化石燃料的依赖，印度将为越来越多的城市家庭供应管道天然气，以替代煤或木材等排放更多温室气体的燃料。为了优化家用燃气表的各种设计，Raychem RPG 的研究人员将目光投向了多物理场仿真。

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作者 Aditi Karandikar
2021 年 6 月

20 世纪，印度的能源格局以化石燃料为主，柴油、石油和煤油被用于大部分工业和家庭应用中。在印度农村，很大一部分人口仍在使用煤、木材或粪火做饭。然而，在过去的几十年里，随着液化石油气和压缩天然气的在烹饪甚至交通运输中的广泛应用，印度致力于发展成为一个更多以气体燃料为基础的经济体。最近，印度已经为许多城市家庭供应管道天然气，为家庭用户直接提供不间断的烹饪气体燃料。这一新的发展要求天然气公用事业供应商能够测量天然气消耗量。那么，如何测量呢？答案是：借助燃气表（气体流量计）。

气体流量计的原理

气体流量计(图1)是一种专用于住宅、商业和工业建筑行业的流量计，，用于测量通过管道输送的燃气量，如天然气或液化石油气。气体是高度可压缩的，这使得其比液体更难测量，因为气体对温度和压力的变化很敏感。无论流经燃气表的加压气体的数量或质量如何，气体流量计都会测量一个确定的体积。因此，需要对温度、压力和热值进行调整，以精确测量通过仪表的实际气体量。

根据待测气体的体积流量、预期流量范围、待测气体类型以及其他因素，气体流量计有几种常见的不同设计。一些主要的气体流量计类型包括隔膜流量计、旋转位移流量计、涡轮流量计、超声流量计和科里奥利流量计。

Raychem RPG 是印度领先的家用气体流量计供应商之一，它几乎占据了印度 80% 的市场份额。在位于印度古吉拉特邦（Gujarat，India）的 Raychem 创新中心(Raychem Innovation Centre，RIC)，研究人员开发了 4 种新的气体流量计设计，并使用多物理仿真软件对其进行了概念设计、优化和验证。

气体流量计的设计挑战

目前，印度所有可用的气体流量计都有其自身的局限性。例如，在隔膜流量计中，移动部件和隔膜泄漏会导致测量误差。另一方面，旋转位移计和涡轮流量计有接近35个部件，增加了机械疲劳和故障的概率。此外，由于任何气体流量计的外壳尺寸都是固定的，因此任何新的气体流量计设计都必须符合给定的外壳尺寸。因而，设备的尺寸是任何新气量计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通过最终质量测试时成为一项挑战。事实上，不通过率可能非常高。

在质量测试阶段，由 Ishant Jain 领导的 Raychem 团队致力于最大限度地减少气流计中的组件数量并降低其不通过率，从而降低这些设备的总制造成本。为此，Raychem 团队使用 COMSOL Multiphysics^® 软件进行了模拟和分析。

通过仿真验证 4 种气体流量计设计

基于 TRIZ 设计优化和客户要求，Raychem 团队开发了 4 个气体流量计。团队首先验证了传统气体流量计设计的有限元模型，随后扩展了他们的发现以评估新的设计。

带曲柄移动导杆机构的隔膜流量计

第一个新的气体流量计设计对现有隔膜系统进行了修改，其中受电弓组件被曲柄移动导杆机构取代，以减少部件数量。

在完成优化设计(图 2)后，除了提高测量的准确度和灵敏度之外，Raychem 团队还消除了原始设计中的几个机械部件。仪表系统中的部件数量显著减少，从早期膜片设计的 35 个部件减少到 5 或 6 个部件，从而确保了系统的机械强度和完整性。

莫比乌斯带涡轮流量计

第二个设计包含一个莫比乌斯带涡轮机，其中涡轮机的旋转用于测量气体流量。这类气体流量计通过测定气体通过莫比乌斯带涡轮机的速度来测量气体体积。莫比乌斯带形转子被放置在气流通过它的路径上使轴旋转。轴的输出被转移至锥齿轮系统。涡轮机推断出气体的速度，然后以机械方式将其传输到电子或机械计数器。Raychem 团队使用了 COMSOL Multiphysics^® 的附加产品 —— CFD 模块和多体动力学模块，模拟了湍流气流(图3)以及涡轮机中产生的应力和扭矩。

需要注意的是，当气体流速较高时，莫比乌斯带涡轮气体流量计表现良好。由于气体体积由其流量决定，因此在低压降下测量流量时，设备的功效受到限制。为了解决这个问题，Raychem 团队根据“同极磁铁相互排斥”的原理设计了另一种流量计。

带磁铁和球/盘设计的涡轮流量计

在第三种流量计设计中，团队利用磁力以漂浮的方式将一个物体，通常是一个球或一个圆盘，安置在管道内。物体随着管道中气体的流动而上升，而气体流量通过磁性板上升的高度来测量。这种流量计灵敏度很高，甚至可以测量很小的压降。研究人员使用了 COMSOL 软件的 AC/DC 模块和 CFD 模块研究了磁性能和器件性能，并获得了优化的设计(图4)。这样，该团队设计出了一种高灵敏度的设备，即使在气体流速略有变化的情况下也能表现良好。

带叶片的涡轮流量计

最后一个设计也是基于涡轮机的旋转，但是使用了不同的涡轮机设计。在这个设计中，带有固定导向叶片和转轮叶片的涡轮机部件作为阻塞元件被放置在主通道中(图5)。旋转涡轮机捕获的能量用于热传感器供电，使该设备成为一个自供电系统。导向叶片起到喷嘴的作用，将气流导向转轮叶片，转轮叶片带动轴和锥齿轮副旋转。基于锥齿轮副的旋转或通过热传感器测量温度下降来测量气体流量。Raychem 团队使用 COMSOL Multiphysics^® 软件的 CFD 模块和多体动力学模块完成了设计。仿真研究使 Raychem 团队能够设计一种智能型气体流量计，其中，仅含一个U形管和一个传感器外壳使该设备非常紧凑，而且易于安装。

未来研究计划

经过仿真验证的结果是 Raychem 4 种新气体流量计设计的核心。Raychem 团队对这些能够满足国内和工业应用要求的流量计性能充满信心。这些设计已经入列生产序列，应该很快就会提供给印度各地的城市用户，将直接安装在他们家中的煤气表内。

致谢

Raychem 团队对协助 TRIZ 申请的 Tito Kishan，协助设计工程的 Ganesh Bhoye 表示感谢。