[摘要] 渦輪(lun)流量計 性能(neng)會随着被測(ce)流體粘度的(de)增大而變差(cha)，爲了降低介(jiè)質粘度對渦(wo)輪性能的影(ying)響，采用計算(suan)流體力學CFD)仿(páng)🔱真的方法，通(tōng)過适當地增(zeng)大頂端間隙(xì)，實現了對液(ye)體渦輪流量(liang)計 參數的定(ding)量優化，并從(cóng)葉輪尾部流(liu)場、葉片表面(miàn)壓力場及⚽葉(ye)🤞輪受力情況(kuang)等方面分析(xi)了不同的葉(yè)輪頂端🍓問隙(xì)對葉輪性能(néng)産生影響的(de)機理。
　　液體渦(wo)輪流量計具(ju)有測量精度(du)高、量程寬、壓(yā)損小、輸🔅出脈(mo)沖信号、重複(fú)性和動态響(xiǎng)應好等多種(zhong)優點。在用于(yu)低🌈粘度👣液體(tǐ)流量測量時(shí)，在相當寬的(de)流量範圍内(nèi)，其測量精度(dù)可達0.5%~0.15%，重複性(xing)可達0.1%~0.05%。缺點在(zài)于儀表系數(shù)受被測流體(tǐ)粘度變化🐕的(de)影響較大。一(yī)般來🏃說，粘度(dù)變化對線性(xing).特性的影響(xiang)随着流量計(jì)口徑的減小(xiǎo)而增大。目前(qián)，國.内渦輪流(liu)量計出廠時(shi)，一般都是用(yong)水或粘度比(bi)較低㊙️的柴油(you)進行檢定，但(dan)很多使用者(zhě)卻用其來測(ce)量液壓油、潤(run)滑油等🧡中粘(zhan)度甚至高粘(zhan)度液體的流(liu)量。這就迫切(qie)要求提高渦(wo)😍輪流🌈量計在(zài)測量粘性介(jiè)質時的精度(du)。
　　通過改變葉(yè)輪葉片頂端(duān)間隙來實現(xian)渦輪的優化(huà)在.以往的文(wén)獻口.四中已(yi)有出現，但如(ru)何進行定量(liang)的優🌈化及改(gai)變頂端間隙(xì)會對渦輪的(de)性能造成多(duō)大的影響等(deng)，卻仍需作進(jìn)一步㊙️的研究(jiu)。
　　通過對不同(tong)葉輪頂隙的(de)渦輪流量計(jì)進行計算流(liú)體力學CFD)仿真(zhen)四，當流體粘(zhān)度爲9.1cSt時，渦輪(lún)的線性度誤(wu)差由0.987%減小至(zhì)0.014%;當流體粘度(du)爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差(chà)🌈由5.568%減小至3.693%。
1渦(wo)輪流量計CFD仿(pang)真方法
1.1三維(wei)仿真模型建(jian)立
　　以DN10渦輪流(liú)量傳感器爲(wèi)例進行研究(jiu)，按照實驗所(suǒ)用渦輪流量(liàng)傳感器的幾(jǐ)何結構參數(shu)建立仿真模(mó)型，如圖1所示(shì)。在渦輪前後(hou)分别增加10D的(de)直管段以模(mo)拟實流實驗(yan)中的🔴流動狀(zhuàng)♋态。

1.2網(wang)格劃分
　　對模(mó)型的網格劃(huà)分是仿真的(de)關鍵。網格質(zhì)量直接影響(xiǎng)仿真的🧡求解(jie)過程和結果(guǒ)，若所劃網格(ge)質量太差，在(zài)後續🔴的仿真(zhen)過程中會産(chǎn)生很多問題(tí)，減小收斂速(su)度，影響求解(jie)結果的準确(que)性。在既保證(zhèng)網格質🆚量又(yòu)控制⛱️網格數(shù)量的條件下(xià)，對網格進行(háng)如下的☔劃分(fen)。
　　葉輪處結構(gou)較爲複雜，所(suǒ)以在網格劃(huà)分時采用四(si)面體網💁格，其(qí)intervalsize爲0.12。在葉輪兩(liang)側定義了interface面(miàn)，以聯接葉輪(lun)轉動🌈區域🔞和(hé)其它靜止區(qu)城。網格質量(liang)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小(xiǎo)于0.82.
1.3參數設定(dìng)
　　選取SSTk-w湍流模(mó)型，對流體特(tè)性及邊界條(tiao)件等都嚴格(ge)按🌏照💃🏻實流實(shí)驗進行設置(zhi)，并采用多參(can)考坐标系的(de)方法解決轉(zhuǎn)動的流體區(qu)域流場變化(hua)問題。通過監(jiān)🈲測葉輪及輪(lún)毂的力矩，并(bing)根據驅動力(li)👨‍❤️‍👨矩與阻力.矩(ju)的差值對葉(yè)輪轉速大小(xiao)進行調節，當(dang)力矩系數Cm值(zhi)達到10-9時，認爲(wèi)葉輪所受力(li)矩達到平衡(héng)，則此時的葉(ye)💯輪轉速即爲(wei)合适的轉速(su)。.
2葉輪頂端間(jiān)隙影響的仿(páng)真
2.1頂端間隙(xì)影響的理論(lun)依據
　　當流體(tǐ)在管道内部(bu)流動時，渦輪(lun)流量計同時(shi)受到驅🐕動力(li)矩及阻力矩(ju)的作用。其中(zhōng)阻力矩主要(yào)包括粘性摩(mo)擦阻力矩、機(jī)械摩🔞擦阻力(li)矩和磁阻力(lì)矩等。而在測(cè)🙇‍♀️量粘性流體(ti)時機械摩擦(cā)阻力矩和磁(cí)阻力矩可以(yi)忽略不計。葉(ye)片邊緣與殼(ké)體内壁之間(jiān)充滿了流體(ti)，因此這一形(xíng)式的摩擦阻(zu)力實㊙️際上是(shi)由流✉️體與固(gu)體壁面之間(jian)由于存在着(zhe)相對運動而(ér)🌈引起的粘性(xing)摩擦阻力🤩。但(dan)是由于其間(jiān)隙相當小，因(yin)此流體在這(zhè)一狹小間隙(xi)中的流動始(shi)終認爲是處(chu)在層流流動(dong)狀😍态，從而可(ke)直接應用納(nà)維埃一斯托(tuo)克斯😄方程對(duì)流場求解。

　　式(shi)中:T1爲葉片頂(dǐng)端與傳感器(qi)外殼内壁之(zhī)間的粘性♍摩(mo)擦阻力矩，n·m;r,爲(wei)葉片頂端處(chù)半徑，m;r。爲流量(liàng)計殼體内壁(bì)半徑，m;C爲🔅葉片(pian)寬，m;ρ爲流體密(mi)度，kg/m';v爲流體運(yùn)動粘度，m2/s;0爲葉(yè)輪旋🙇‍♀️轉角速(su)度，rad/s。由(1)式可以(yǐ)看出，通過減(jiǎn)小r,即葉片頂(dǐng)端處半徑可(kě)以減🌈小粘性(xìng)摩擦阻力矩(jǔ)。
　　雖然葉片頂(dǐng)端間隙的增(zeng)大可以減小(xiao)T1的數值，增加(jia)🔞葉🔞輪㊙️轉🔞速♋，降(jiàng)低渦輪對流(liú)體粘性的敏(min)感程度，但是(shi)由于随着❤️頂(ding)隙的增大，漏(lou)🐅流也增大，這(zhe)會給測量的(de)精度帶來影(yǐng)響，因此要兼(jiān)顧兩者以達(dá)到平衡。
2.2仿真(zhēn)數據
通常采(cai)用葉片頂端(duan)間隙與管道(dào)半徑之比δ對(duì)頂端間隙進(jin)行無量綱化(hua)

　　選擇了運動(dong)粘度分别爲(wei)9.1cSt、31.6eSt的柴油-機油(yóu)混合液，對不(bú)同頂端👣間隙(xì)的渦輪流量(liàng)計進行仿真(zhēn)，仿真結果如(ru)表1所🥵示。從表(biao)中數據可以(yǐ)看出，渦輪流(liú)量計在測量(liàng)時，一般在小(xiǎo)流量點處🤞的(de)儀表系數會(hui)小于大流量(liang)點處的儀表(biao)系數，這是造(zào)成線性度誤(wù)差🤟的原因。對(dui)于相同粘度(du)的流體，在相(xiang)同流速時，随(sui)着頂端間隙(xì)的增大,渦輪(lún)流量計的旋(xuán)轉角速度增(zēng)大，相應的儀(yí)表系數也增(zēng)大。而渦輪流(liú)量計在測量(liàng)粘性流體時(shí)❤️主要受影響(xiǎng)的是在小流(liú)量點，頂端間(jiān)隙增大後，渦(wō)輪在小流量(liàng)點處的儀表(biao)系數♊相對于(yú)大流量🌈點得(de)到了更大的(de)提高,故減小(xiao)了線性度誤(wu)差。即對于同(tóng)一介質粘度(dù)，渦輪流量計(ji)的儀表系數(shù)受流量變化(huà)💔的影響在減(jiǎn)小。

3頂端間隙(xì)影響的機理(lǐ)分析
　　通過分(fen)析渦輪流量(liàng)傳感器内部(bu)的速度場和(hé)壓力場變化(huà)以及❗葉片受(shou)力情況等，可(kě)以理解在測(ce)量粘🏃🏻‍♂️性流💃體(ti)時🔆頂端間隙(xi)變化對流量(liang)傳感器特性(xìng)産生影響的(de)流體力學機(jī)理。
3.1速度場分(fèn)析
　　圖2爲渦輪(lún)葉片尾部流(liú)體速度矢量(liang)圖，灰色部分(fèn)爲葉🍉片。可以(yi)看出在葉片(pian)的尾部，流體(tǐ)出現了流動(dòng)分離。靠近葉(yè)輪的🛀🏻流體，其(qí)速🈲度可以認(rèn)爲與葉輪的(de)轉♉速相同，葉(ye)輪的轉速越(yue)慢，其尾部的(de)低流速區越(yue)大。

　　比較圖3(a)和(hé)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可(kě)以看出當流(liu)體粘度一定(ding)時，流🐕量越大(dà)🐆，葉輪的尾部(bu)低流速區越(yuè)小。當頂端間(jian)隙🈲由0.2mm增加:至(zhi)☎️0.5mm時，對于相同(tong)粘度的流體(tǐ)和相同的流(liu)量㊙️點，葉輪尾(wěi)部低流速區(qū)💔變小，表明葉(ye)輪旋轉角速(su)度增大，即儀(yí)表系數變大(da)。但在小流量(liàng)點處，低流速(sù)區的相對變(biàn)化較之于大(da)流量點處要(yào)大✨，即小流量(liang)點處葉輪轉(zhuan)速的相對變(biàn)化比大流量(liàng)點處要大，則(zé)儀表系數的(de)⛱️增加值相對(dui)也💃🏻大，故渦輪(lun)的線性度誤(wù)差🚶減小。

3.2壓力(lì)場分析
　　比較(jiào)圖5(a)和圖5(b)、圖6中(zhong)的圖6(a)和圖6(b)，可(ke)以看出，對于(yu)相同粘度的(de)流體，随🌈着流(liu)量的增大，高(gāo)壓區的面積(ji)變大，且🚩向葉(yè)片的尾部☁️和(he)頂⭐端移動，緻(zhì)使葉片所受(shou)驅動力矩增(zēng)加❄️，葉輪旋轉(zhuan)角速度增大(da)。對于相同粘(zhān)度的流體在(zai)相同的流量(liàng)點處，頂端間(jiān)🏃‍♂️隙由0.2mm增大至(zhì)0.5mm時，比較🍉圖5和(he)圖6可以✍️看出(chu)，葉片表面的(de)高壓區面積(ji)變大，且向葉(yè)片的尾部和(he)頂端移動，緻(zhi)使葉輪所受(shou)驅❤️動力🌈矩增(zēng)加，而由圖7和(he)☁️圖8可以看出(chu)葉片尾部的(de)低壓區面積(jī)變小，葉輪旋(xuan)轉的阻力減(jian)小，則旋轉的(de)角速度增大(da)，即儀表系數(shu)增大。

　　由3)式可(kě)以看出，當其(qi)它條件一定(ding)時，對于.确定(dìng)的葉🐅輪轉速(sù)，葉輪受到的(de)粘性阻力矩(ju)也是一定的(de)。那麽，反過來(lái)亦💛可以通過(guo)粘性阻力矩(ju)來判斷葉輪(lun)轉速的大小(xiao)。
利用Fluent中的Report可(kě)以得到渦輪(lun)流量計所受(shou)的壓力力矩(jǔ)和粘🍓性阻力(lì)矩，如表2所示(shì)。

　　比較表格中(zhong)的數據可以(yi)得出，對于具(jù)有相同粘度(du)的流體和🔴相(xiang)🙇‍♀️同的流量點(dian)，當渦輪的頂(dǐng)端間隙增大(da)時，葉🔴輪所受(shou)到的粘☂️性阻(zu)力矩變小，這(zhe)直接導緻了(le)渦輪的轉速(sù)增大即儀表(biǎo)系數增大。在(zài)🧡小流量點，粘(zhan)性阻力矩🥰相(xiàng)對減小了16.64%，在(zài)大流量點，粘(zhān)性阻力矩相(xiang)對減小了13.79%，這(zhè)樣渦輪轉速(su)🚶在小流量點(diǎn)處相對增加(jiā)🛀🏻較爲顯著，故(gù)渦輪的線性(xìng)度誤差得到(dào)了降低。
4結論(lùn)
　　對具有不同(tóng)頂端間隙的(de)液體渦輪流(liu)量計進行CFD仿(páng)真👣分析，當流(liu)體粘度爲9.leSt時(shi)，渦輪的線性(xing)度誤差由.0.987%減(jian)小至😄0.014%;當流體(ti)粘💘度爲31.6cSt時，渦(wo)✨輪的線性度(du)誤差由5.568%減小(xiǎo)至3.693%。通過分析(xī)渦✍️輪的内部(bu)流場及葉輪(lún)受力情況，可(kě)以得出以下(xià)
結論:
(1)适當增(zeng)大葉輪的頂(ding)端間隙，流體(tǐ)粘度和流量(liang)一定時，葉輪(lun)尾㊙️部低流速(sù)區減小，葉輪(lún)旋轉角速度(dù)增大♉，即儀表(biao)系數變🔅大。而(er)小流量點處(chù)的低流速區(qu)相對變化較(jiào)之于大流量(liàng)點✔️處要大，即(jí)小流量點處(chù)葉輪轉速的(de)相對變化比(bǐ)☁️大流量點處(chù)要大，則😄儀表(biao)系數☂️的增加(jia)值相對也大(da)，故渦輪的線(xiàn)性度誤差減(jian)小。
(2)對于相同(tóng)粘度的流體(tǐ)，在相同的流(liu)量點，渦輪的(de)頂端🐇間隙适(shì)當增加時，葉(yè)片尾部的低(di)壓區面積變(bian)小🐆，葉片表面(miàn)的高📐壓區向(xiàng)葉片的尾部(bù)和頂端移動(dòng)且面積變大(dà)，緻使🌈葉輪所(suǒ)受驅動力矩(ju)增加，旋轉的(de)角速度增大(da)㊙️，儀表系數增(zeng)大。
(3)對于相同(tóng)粘度的流體(ti)和相同的流(liú)量點，葉輪所(suo)受到☁️的💋粘性(xing)😘阻力矩随着(zhe)葉輪頂端間(jian)隙增大而變(biàn)小💃，則葉輪的(de)轉速增大，液(yè)體渦輪流量(liàng)計系數增大(dà)。在小流量點(diǎn)，粘性阻力矩(ju)💃🏻相對減小值(zhí)較大流量點(diǎn)處更爲顯著(zhe)，即儀表系數(shù)相對增加值(zhi)更大，故渦輪(lún)的線性度誤(wù)差得到了降(jiàng)低。

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