摘要(yao)：應用動量(liàng)定理研究(jiū) 渦輪流量(liang)計 的基本(běn)工作機理(li)及儀表系(xì)數模型。通(tōng)過數值仿(pang)真和🔞流動(dong)實驗，分析(xī)切向渦輪(lún)流量計葉(ye)片未轉動(dòng)及轉動時(shi)流體在🏃🏻‍♂️渦(wō)輪流量計(jì)的分布情(qíng)況，闡述切(qiē)向渦輪計(ji)💰葉片轉動(dong)機理。基于(yú)小流量實(shi)驗裝置，考(kao)察了渦輪(lún)流量計在(zài)單相水及(jí)單相油條(tiáo)件下的響(xiǎng)應⛹🏻‍♀️特性。渦(wō)輪流量計(jì)在純水與(yu)純油介質(zhì)中，啓動排(pái)量分别爲(wei)0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠(yuǎn)低于普通(tong)螺旋式渦(wo)輪流量計(jì)的0.5m3/d，證明渦(wo)輪流量計(ji)在低流量(liàng)測量中具(ju)有良好的(de)應用💁前景(jing)。
0、引言：
　　渦輪(lun)流量計廣(guang)泛應用于(yú)小流量測(ce)量中。與軸(zhou)向式渦輪(lun)流💁量傳感(gan)器相比，切(qie)向渦輪流(liu)量傳感器(qì)的啓動排(pái)量更低，測(ce)量靈敏度(du)更高，動态(tai)響應速度(dù)更快⭕［1］。随着(zhe)國内大部(bu)分油田進(jìn)入開發中(zhong)後期，低産(chan)井數量逐(zhú)年增多，大(dà)量油井的(de)日産量低(dī)于5m3/d，單層産(chǎn)量甚至低(dī)于1m3/d。低産液(ye)井對測井(jing)儀器提出(chū)了新的要(yào)求，傳統螺(luó)旋式渦輪(lún)流量計對(dui)低流量的(de)響應較差(cha)，啓動排量(liàng)較高，難以(yǐ)對低産井(jǐng)的井下流(liu)👈動進行有(yǒu)效監測。爲(wei)此，提出采(cǎi)用渦輪流(liu)量計測量(liàng)小🙇‍♀️流量。
1、渦(wo)輪流量計(ji)工作原理(li)：
? 渦輪流量(liang)計基本構(gòu)造見圖1。被(bei)測流體在(zài)流經葉輪(lún)之前流道(dào)會減縮，流(liu)速增加，流(liú)體經過葉(ye)輪後葉片(pian)旋轉，磁電(diàn)傳感器記(jì)錄葉片轉(zhuan)動頻率，得(de)到被測流(liu)體相對應(yīng)的流量。

　　渦輪(lun)在轉動時(shi)所受的力(li)矩大緻可(ke)分：流體對(duì)渦輪的推(tuī)動🏃‍♂️力矩Ｔｒ，機(ji)械摩擦力(lì)矩Ｔｒｍ，流體對(dui)渦輪産生(shēng)的流動阻(zǔ)力矩Ｔｒｆ和電(diàn)磁阻力矩(ju)Ｔｒｅ［２］。渦輪運動(dong)方程可以(yǐ)表示爲
　　式(shi)中，Ｊ爲渦輪(lún)轉動慣量(liang)；ω爲渦輪轉(zhuǎn)動角速度(dù)。渦輪正常(chang)☀️工作時，ω可(kě)🔴近似看作(zuò)定值（切向(xiàng)渦輪轉動(dong)時由于驅(qū)動👌力矩随(sui)着位置變(bian)化而變化(huà)，所以轉動(dong)角速度ω也(yě)是變化的(de)，這裏将ω看(kàn)作定值❓）。
　　如(rú)圖2所示，渦(wō)輪流量計(ji)流道收縮(suō)後面積爲(wèi)Ａ，從流道🏃🏻‍♂️流(liu)出的流體(ti)速度爲ｖ1，從(cong)渦輪流出(chū)的流體速(su)度爲ｖ2；ｖ1和ｖ2與(yǔ)渦輪葉片(pian)速✔️度方向(xiang)的夾角爲(wei)α1和α2，渦輪的(de)轉動角速(sù)度爲ω，假設(she)出口處流(liu)體相對運(yun)動速度的(de)方向平行(hang)于葉片方(fang)向。

在渦輪轉(zhuǎn)動時，隻有(you)垂直葉片(piàn)方向的力(li)對驅動力(li)矩有貢獻(xian)，因此隻考(kǎo)慮垂直葉(ye)片方向的(de)驅動力ｆ。

 式(shì)中，ｆＨｚ爲轉動(dong)頻率；Ｑ爲流(liú)量。
2、渦輪流(liú)量計流場(chǎng)分布特性(xìng)仿真分析(xī)：
　　Workbench是ANSYS公司開(kāi)發的協同(tong)仿真環境(jing)，大大簡化(hua)了仿真過(guo)🐪程中各模(mo)塊間的交(jiao)互操作。通(tong)過幾何建(jian)模、網格劃(huà)分、計🌈算求(qiu)解、後處理(lǐ)等過程，可(kě)以比較準(zhun)确地仿真(zhen)複雜機械(xie)模型的各(ge)個物理參(can)數的場分(fen)布［3］。
　　根據實(shi)際情況采(cǎi)用了二維(wéi)計算，并将(jiang)計算域劃(hua)分爲2個部(bù)分：葉輪轉(zhuǎn)動部分和(hé)入口出口(kǒu)部分（見圖(tú)3）。
　　在圖3中葉(ye)輪部分和(hé)入口出口(kǒu)部分均采(cai)用四邊形(xíng)網格，網格(gé)數各約2萬(wàn)，整個計算(suàn)域網格數(shu)爲4萬。入口(kǒu)出口部分(fèn)📱爲靜止網(wǎng)格采用參(can)考系，葉輪(lún)部分爲動(dòng)🤩網格，繞圓(yuán)心轉動，同(tóng)時采用相(xiàng)對參考系(xì)，參考系轉(zhuǎn)動速度與(yu)網格轉速(su)🌏相同。

　　渦輪(lún)流量計仿(páng)真模型見(jian)圖4。圖4中右(yòu)側入口和(hé)左側出🐆口(kǒu)均寬✂️20ｍｍ，在計(jì)算中分别(bié)設置爲速(su)度入口和(hé)速度出口(kou)，轉動部分(fèn)直徑（圖4中(zhōng)Ｄ1）爲18ｍｍ，葉片頂(ding)端半徑爲(wèi)8.5ｍｍ，轉動腔上(shàng)半部分直(zhi)徑（Ｄ3）爲20ｍｍ，轉動(dòng)腔下💚半部(bù)分直徑（Ｄ2）爲(wèi)19ｍｍ，轉動腔入(ru)口出口寬(kuān)度均爲4ｍｍ。

　　圖(tú)5、圖6中速度(dù)入口分别(bié)爲0.08m3/d及1m3/d。如圖(tú)5所示，當流(liu)速較低時(shí)，流體🔴在切(qie)向渦輪内(nèi)可以近似(si)看成繞角(jiǎo)流動，此時(shi)腔體内葉(yè)片壓強對(duì)稱分布，基(ji)本上不産(chǎn)生壓差🐪，無(wu)法驅動渦(wo)輪葉片轉(zhuǎn)動；随着流(liú)速增大，流(liu)體在流入(ru)靠近入口(kǒu)的腔體時(shi)，在腔體❓内(nèi)産生旋渦(wo)，旋渦的💃運(yun)動導緻葉(yè)片壁面壓(yā)強分布不(bú)均勻，從而(er)産生驅🆚動(dòng)矩，如圖6所(suo)🐕示🧡。可以看(kàn)出對驅🈲動(dòng)力矩有貢(gòng)獻的是靠(kào)近入口☂️的(de)腔體，其他(tā)腔體基本(ben)上不産生(sheng)壓差。

　　爲了(le)驗證仿真(zhen)的準确性(xing)，通過室内(nei)實驗對其(qi)驗證💋。切向(xiang)⛱️渦輪采㊙️用(yong)可視化研(yán)究平台，整(zheng)個渦輪的(de)結構👅都采(cǎi)用亞♊克力(li)闆雕刻組(zu)裝而成。如(rú)圖7所示，水(shuǐ)箱主要提(tí)供穩定水(shui)壓，水平🌐切(qie)向渦輪做(zuo)成🔱開口系(xi)統并🏃‍♀️放置(zhì)在實驗支(zhi)撐架上，前(qian)置閥門可(ke)控制水流(liú)，在需要更(gèng)換切向渦(wō)輪的零件(jian)時可關閉(bi)，控🌐制閥門(mén)主要是控(kòng)制流經切(qiē)向渦輪的(de)流量，流量(liàng)測量仍采(cai)用傳統可(ke)靠的容積(jī)時間法。實(shí)驗時以染(ran)色劑作爲(wei)示蹤劑，以(yǐ)觀察流場(chǎng)的分⁉️布情(qíng)況。


　　如圖8所(suǒ)示，記錄的(de)是未啓動(dong)時切向渦(wō)輪内的流(liú)場，水從圖(tu)8左側流入(rù)渦輪，從右(yòu)側流出，實(shí)驗時水的(de)流📧速很低(dī)（0.05m3/d），腔體1中的(de)流動可近(jìn)似看作不(bú)可壓縮無(wú)旋繞角流(liu)動，此時流(liu)體在腔體(ti)1中的速度(dù)可看成對(duì)稱分布，由(you)伯努利方(fang)程算得的(de)壓強也是(shi)對🌈稱分布(bu)，此⭐時2個壁(bì)面幾乎沒(mei)有壓強差(cha)，所以渦輪(lún)未啓動。
　　圖(tu)9記錄的是(shi)切向渦輪(lún)正常轉動(dong)時的流場(chang)，圖9中水從(cóng)🍓左向右📧流(liu)動，實驗時(shi)水速較快(kuai)（1m3/d），渦輪葉片(piàn)順時針轉(zhuǎn)動📱。水速變(bian)大後，擾動(dong)變大，不再(zai)是無旋繞(rào)角流動，腔(qiang)體1中流體(ti)形⛱️成一個(ge)運動的旋(xuan)渦，導緻腔(qiāng)内壓強分(fèn)布不再對(duì)稱，産生壓(yā)差，緻使渦(wo)輪葉片轉(zhuan)動，旋渦在(zài)随葉片運(yun)🤩動到腔體(ti)2中時逐漸(jiàn)耗散消失(shī)。數值仿真(zhen)的計算結(jie)🐉果☂️與物理(li)實驗的結(jié)果基本一(yī)緻。

3、切向渦(wō)輪在單相(xiàng)流體中響(xiang)應特性：
　　爲(wei)了驗證切(qie)向渦輪在(zài)單相流體(tǐ)中的響應(ying)情況，在全(quan)集流條件(jiàn)下對其在(zài)單相水及(jí)單相油介(jie)質中響應(ying)規律進行(hang)了研究🔞。對(dui)于單相水(shuǐ)的渦輪響(xiang)應情況，進(jin)行了在0～6m3/d流(liu)速範圍内(nèi)的渦輪響(xiang)應實驗，測(cè)得單相水(shuǐ)介質中渦(wō)輪的啓💯動(dòng)排量爲👈0.081m3/d，渦(wo)輪響應情(qíng)況見圖10。經(jīng)過拟合後(hou)的響應關(guān)系爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采用(yong)同樣的方(fāng)法，對單相(xiang)油條件下(xia)渦輪響應(yīng)規律進行(hang)研究（見圖(tu)11），測得單相(xiang)油的啓動(dòng)排量爲0.08m3/d。對(duì)單相油的(de)實驗結果(guǒ)進行🌈拟合(hé)，可得單相(xiang)油的響應(ying)曲線爲ω＝6.73Ｑ－6.72。與(yǔ)水對比而(ér)言，油的拟(nǐ)合曲線斜(xié)率更大，即(ji)随着✂️流量(liàng)增加轉速(su)增加得略(lue)快。
　　爲了深(shen)入分析渦(wō)輪流量計(jì)在單相低(dī)流量條件(jiàn)下的響應(yīng)特點🔆，将流(liu)量作爲橫(heng)坐标，儀表(biao)Ｋ值即轉速(sù)／流量作爲(wei)縱坐标，繪(hui)制單相水(shui)（見圖12）和單(dan)相油（見圖(tu)13）的渦輪流(liú)🏃量計特性(xing)曲線。

　　爲了(le)深入分析(xī)切向渦輪(lún)流量計在(zài)單相低流(liu)量條💯件下(xià)的響應特(te)點，将流量(liang)作爲橫坐(zuò)标，儀表K值(zhí)即轉速／流(liú)量作爲縱(zòng)㊙️坐标，繪制(zhì)單相水（見(jiàn)圖12）和單相(xiang)油（見圖13）的(de)切向渦輪(lún)流量計特(tè)性曲線。


　　可(ke)以看出，渦(wo)輪啓動後(hou)首先進入(rù)一個非線(xiàn)性段，在非(fei)線性相應(ying)段，Ｋ值随着(zhe)流量增加(jiā)而增大；當(dang)流量比較(jiao)大（單相水(shuǐ)超過0.5m3/d，單相(xiang)油超過1m3/d）時(shí)，渦輪進入(ru)線性段，在(zai)線性響應(yīng)段，Ｋ值達到(dao)峰值，有相(xiang)對較🐇小的(de)波動。
4、結論(lùn)：
（1）數值仿真(zhēn)結果與物(wù)理實驗結(jie)果基本一(yī)緻，當流速(sù)低于啓動(dong)排🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量，渦輪(lún)未啓動時(shi)，流體沿葉(ye)片做繞角(jiao)運動，葉片(pian)兩側壓力(li)相等，葉片(piàn)不轉動；當(dang)流速高于(yú)啓動排量(liang)，渦輪轉動(dòng)時，流體在(zài)腔内産生(sheng)旋渦，造成(chéng)葉片兩邊(bian)壓差，從而(ér)造成葉片(pian)轉動。
（2）渦輪(lun)流量計在(zài)純水與純(chun)油介質中(zhōng)，啓動排量(liàng)分别爲0.081m3/d與(yu)0.08m3/d，均遠遠低(di)于普通螺(luó)旋式渦輪(lun)流量計0.5m3/d的(de)啓動排量(liàng)，在低✨流量(liang)測量‼️具有(yǒu)良好的前(qián)景。
（3）渦輪流(liú)量計在未(wei)達到穩定(ding)轉動前，Ｋ值(zhí)不斷增大(da)，穩定轉動(dong)後 K值趨于(yu)一條直線(xiàn)，具有良好(hao)的線性關(guān)系。

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