摘要(yao)：爲優化小流量渦(wo)輪流量計 結構,建(jian)立小流量渦輪流(liu)量計的數學模型(xíng)和三維模型,通過(guo)其🚶流場特性進行(hang)仿真分析,研究導(dao)流架端部👅的形狀(zhuang)、葉輪與導流架之(zhi)間凹槽寬度、葉輪(lún)面積和形狀對葉(ye)輪穩定旋轉的影(yǐng)響,并對不同結構(gou)導流架端部的小(xiǎo)流量渦輪流量計(jì)的流場特性進行(háng)了分析,圓錐形結(jie)構葉輪的高壓低(di)速區面積最🙇🏻小，能(neng)夠有效減🏃少壓力(li)損失,提高流量計(ji)的測量精度。
0引言(yán)
　　渦輪流量計 是一(yi)種典型的速度式(shi)流量計,具有精度(dù)高、重複性好、結🔞構(gou)簡單、在石油、化工(gong)、航空航天、電力等(deng)領域有着及其重(zhong)要的應用中。爲解(jie)決氣液兩相流量(liang)計量問題,文⭐獻[2]設(she)計了一種雙渦輪(lun)質量流量計;文獻(xian)[3]針💚對傳統渦輪流(liú)量計需鋪設電源(yuan)線和信号傳輸電(diàn)纜,使用不方便的(de)問題,設🐪計了一種(zhǒng)基于ARM單片機的🈚無(wu)線渦輪流量計;文(wén)獻[4]采用3葉🚶‍♀️片長螺(luó)旋形結構設計了(le)一種新型的渦輪(lún)流量計;文獻[5]研究(jiū)了基于渦輪式氣(qi)體流量傳感器的(de)呼氣容量計算方(fāng)法;文獻💛[6]研究了渦(wo)輪流量計變粘度(du)流量計算與校準(zhun)📱方法🌂;文獻[7]研究了(le)一種高壓氣體渦(wo)輪流量計。這些研(yán)究🐉推動了渦輪流(liu)量計研究和應用(yong),随着小流量計量(liàng)精度要求的不斷(duàn)提高，小流量渦😍輪(lún)流量計的流場特(tè)性等受到關注。本(ben)文從小流量渦輪(lún)流量計設計需求(qiú)出發,通過建立小(xiǎo)流量渦輪流量計(ji)的數學模⛷️型、三維(wéi)模型,仿真分析小(xiǎo)流量渦輪流🛀量計(ji)的流場特性❓，研究(jiu)其優化設計。
1渦輪(lún)流量傳感器工作(zuo)原理
　　渦輪流量計(jì)依靠流經管道的(de)流體對置于管道(dao)内🚩葉♌輪葉☎️片的沖(chòng)擊驅動葉輪轉動(dong),如圖1所示，其核心(xin)結構包括殼體💛、前(qian)後導流架、葉輪、軸(zhóu)承和磁鋼。其中殼(ké)體連接外部管道(dao),固定内部✔️結構部(bù)件,對進入殼體内(nèi)的流體進行微整(zheng)流;葉輪空心輪毂(gū)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻内裝磁鋼,兩端裝(zhuang)有軸👈承,與導流架(jià).配合,保證葉輪穩(wěn)定旋轉,實現流量(liàng)大小的計量。
 
2小流量渦(wo)輪流量計數學模(mo)型
　　流體流速流量(liàng)與葉輪角速度成(chéng)比例關系,通過對(dui)渦.輪葉片.上力矩(ju)的分析,綜合小流(liu)量渦輪流量計的(de)葉♍輪結✂️構特性及(ji)其制造工藝,依據(ju)動量矩定理得到(dao)葉⭕輪運動🔞方程爲(wèi)💚:
 
　　式(1)中,J爲葉輪轉動(dong)動量;ɷ爲葉輪旋轉(zhuan)角速度;Md爲葉輪🌍驅(qū)動力🧡矩,Mr,爲葉片表(biao)面粘性摩擦阻力(lì)矩;Mb爲軸與軸🐆承間(jian)的粘性摩擦阻力(lì)矩;Mh爲輪毂周面上(shang)粘性摩擦阻力矩(jǔ);Mw爲輪毂端面上😘的(de)粘性☁️摩擦阻力矩(ju);Mt爲葉片頂端與殼(ke)👄體間隙的🔞粘性摩(mó)擦👣阻力矩;Mm爲電磁(cí)阻力矩和軸承上(shang)摩擦阻力矩之和(hé)。
式(1)中:
 
　　式(3)中ρ爲流體(ti)密度;Q爲流體體積(ji)流量;u1爲流體的軸(zhou)向來流速度;u2爲流(liú)體流出時葉片速(sù)度;a1爲流體流人時(shi)與葉🛀🏻輪圓周方向(xiàng)的🧡夾角;a2爲流體流(liú)出葉片與葉輪♉圓(yuán)周切向的夾角;如(ru)圖♉2葉片入口和出(chu)口的速度平面圖(tú)所示。
　　當流量恒定(ding)時,式(3)中ρ、Q、u1、a1爲已知量(liàng),考慮到葉輪葉片(piàn)旋轉🌈方向上流體(tǐ)進出口線速度相(xiàng)同,記進出口線速(sù)度分别設爲Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記(jì)流體與葉輪葉片(piàn)出入口的相對角(jiǎo)速度分别爲ɷ1和ɷ2,則(zé)圓周運動方向夾(jiá)角β2與葉片與軸線(xiàn)結構夾角θ之間有(you)式(4)所示關系:
 
 
　　式(9)中(zhōng),ɷh?爲輪毂處角速度(du);βw爲平均相對流速(sù)方向與葉💜輪軸線(xiàn)😘間角度;Ah爲葉片部(bù)分輪毂面積,R0爲葉(yè)輪所在殼體内徑(jing),Rh爲輪毂半👈徑
輪毂(gū)周面粘性摩擦阻(zu)力矩Mhf爲:
 
3渦輪流量(liàng)計三維流場仿真(zhen)與優化設計
3.1葉輪(lún)三維模型建立
　　基(ji)于上述分析可見(jian)，葉輪的運動特性(xing)主要受其結構參(can)⭕數、流體粘性系數(shù)等影響。爲分析小(xiao)流量渦輪結構的(de)流🐆場特性,設計參(cān)數如表1所示葉輪(lun)系統,借助UG軟件建(jian)立其三維仿真模(mo)型;将該三㊙️維模型(xíng)導入ANSYSWork-bench軟件中仿真(zhen)。
 
　　考慮到葉輪的運(yun)動性能是流量計(ji)量的核心,仿真中(zhong)采用小四面體網(wǎng)格。小尺寸窄表面(mian)采用局部網格,渦(wō)輪旋✨轉區劃分的(de)網格數約爲230萬,整(zheng)個模型劃分的網(wǎng)格總數👅爲353萬。
3.2葉輪(lun)流場特性分析
3.2.1葉(ye)輪速度場分析
　　分(fen)别取流量爲5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉(ye)輪流場仿真分析(xi),獲得上述流🌏量下(xia)葉輪後🌂導流架後(hou)端速度矢量圖(圖(tú)3(a),(b),(c)所示),可見流體與(yǔ)前導流❌架前端碰(peng)撞産生低速區，靜(jing)壓力變大,且随🛀🏻流(liu)量增大而變大,壓(yā)力損失明顯;流體(tǐ)進入前導流架後(hou),流速加☎️快,雷諾數(shù)增加,湍流強度變(biàn)大♍。流體進入葉輪(lún)前，先流經葉輪與(yǔ)前後導流架連接(jiē)的槽,由于槽♍内流(liú)速低,此時流🐆量的(de)速度分布不均,且(qie)有強渦流産生。回(hui)流導葉尾端速度(dù)矢量圖如圖3(d)所示(shì),流體在後導流🏃‍♂️架(jia)後端出現長尾流(liu),尾流長度随流量(liang)增🌈大而減小。
 
 
3.2.2壓力(lì)場分析
　　分析上述(shù)三個不同流量時(shí)流道内壓力場,發(fa)現随着流量㊙️增加(jiā),葉輪、導流架上遊(you)面形成的靜壓變(bian)高,葉片上遊面和(he)☁️葉片下遊面的壓(yā)力随着流量的增(zeng)加而減💔小(如圖4所(suǒ)示),可見,導流架端(duān)部的形狀、葉輪與(yǔ)導流架之間凹槽(cáo)寬度、葉輪🔆面積和(hé)形狀對葉輪穩定(ding)旋轉均有明顯影(ying)響🔞。
3.3結構優化設計(jì)
3.3.1導流架頭部結構(gou)設計
　　基于上述CFD仿(pang)真分析結果,爲有(yǒu)效減小葉輪壓力(li).損失⭐,将原導流架(jia)頭部的球形分别(bié)設計橢球型和圓(yuan)錐形,改進後的導(dǎo)流架頭部尺寸如(rú)圖5所示。
 
3.3.2結構優化(huà)後葉輪三維流場(chǎng)特性
　　基于上述結(jié)構,仿真流量爲Q=5.2184L/min和(hé)Q=16.6981L/min時，不同導流架結(jie)構下葉輪速度👌場(chang),由.圖6可見,圓錐形(xing)結構葉輪的高壓(yā)低速區面👨‍❤️‍👨積最小(xiǎo),其次是橢圓形體(tǐ),球形結構葉輪的(de)高壓低速區面積(ji)最大,圓錐形結構(gòu)能夠有效減少壓(ya)力損失,提高流♉量(liàng)計的測量精度。在(zài)前導流架環狀流(liu)動路🆚徑中，圓錐形(xing)流體的速度分布(bù)最均勻🔆的，橢圓體(tǐ)結構次之,球形結(jie)構最差,圓錐結構(gòu)🐕具有較好的整📧流(liú)效果。
流量爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shi),改進後導流架頭(tou)部形狀後端形成(cheng)的尾流🐉如圖7所示(shi)。圓錐形結構尾流(liu)面積最小,橢球形(xing)較小，球形✨結構尾(wei)流面積最大,三種(zhong)形狀的尾流中均(jun)有渦流出現,圓錐(zhuī)形産生渦✌️流最小(xiao),壓力損失最小。
4結(jie)論
　　本文從小流量(liàng)渦輪流量計設計(jì)需求出發,通過建(jiàn)🈲立小流量🥰渦輪流(liú)量計的數學模型(xíng)、三維模型,基于小(xiao)流量渦輪流量計(ji)🛀🏻的流場特性,優化(hua)改進了其導流架(jià)結構,所得結論如(rú)🈲下:
(1)由于流體對前(qián)導流架沖擊,會導(dao)緻葉輪靜壓力變(bian).大,流道🥰面積❓變小(xiǎo),流速增大,經前導(dao)流架進人葉輪旋(xuan)轉區後随葉輪旋(xuan)轉形成旋流。
(2) 随着(zhe)流量增加,葉輪、導(dao)流架上遊面形成(chéng)的靜壓變高,葉片(pian)上遊🤟面和葉片下(xià)遊面的壓力随着(zhe)流量的增加.而減(jian)小。
(3)圓錐形結構葉(ye)輪的高壓低速區(qū)面積最小，能夠有(yǒu)效減少壓力損失(shi),提高流量計的測(cè)量精度。此外,在前(qian)導流架環狀流動(dong)路徑中,圓錐形流(liu)體的速度分🙇‍♀️布最(zuì)均勻的，較橢圓體(ti)球形導流架結構(gòu),圓錐結構具有最(zuì)好的整流效果。

本(běn)文來源于網絡,如(ru)有侵權聯系即删(shan)除！