[摘要]采用計算流(liú)體力學(CFD)的方法對(duì)一口徑爲80mm的氣體(ti)渦輪流量計 進行(hang)工況條件的數值(zhi)模拟研究.通過計(jì)算,分析了💰流量計(ji)在不同流量下,各(gè)部件包括前整流(liú)器.前導流器、機芯(xīn)殼體、葉輪支座、葉(yè)輪和後.導流器對(duì)壓力損失的影響(xiǎng),給出了各部件的(de)流量與📐壓力損失(shi)的關系曲線⛱️及其(qi)壓力🐉損失比例♍.數(shu)值模拟結果與實(shí)驗結果相符,進而(ér)從流道内的壓力(lì)分🎯布和流場分析(xī)壓力損失原因并(bìng)提出減少壓力損(sun)失的改進思路.
　　在(zai)天然氣的采集、處(chù)理、儲存、運輸和分(fèn)配過程中,需要數(shu)以百萬計的流量(liàng)計,它既是天然氣(qi)供需雙方🈲貿易結(jié)算的依據,也是生(shēng)産部門用氣效率(lǜ)的主要🌈技術指标(biao)，因此對流量🏒計測(ce)量正确率🐉和可靠(kào)性有要求.
　　氣體渦(wo)輪流量計屬于速(su)度式流量計,是應(yīng)用于燃氣貿易✊計(jì)♊量的三大流量儀(yí)表之一，由于具有(yǒu)重複性好、量程範(fan)圍寬、适㊙️應性✉️強、精(jīng)度高、對流量變化(huà)反應靈敏🌏、輸出脈(mo)沖信号、複現性好(hao)和體🌍積小等特點(dian)，氣體渦輪流量計(jì)近年來已在🥰石油(yóu)、化工和天然氣等(děng)領域獲得廣泛的(de)應用💔”。
　　随着渦輪流(liú)量計在管道計量(liang)領域的廣泛使用(yòng),天然氣管🤞道輸⛱️送(song)過程中的能耗成(cheng)爲不容忽視的問(wèn)題，而天然氣管道(dao)輸♻️送過🏃‍♂️程中的壓(ya)力損失是産生能(neng)源消耗的主要原(yuan)因之一.爲♋保證天(tian)然氣能順利輸送(song)至用戶端,就需要(yao)提高各壓氣站的(de)輸送壓力并盡量(liang)減少管道輸送過(guo)程中的壓力損失(shi),而各級💘管道上的(de)計💋量✂️流量計所造(zao)成的壓力損失占(zhàn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼有很大比重，因此(ci),氣體渦輪流量計(ji)的壓力損失研究(jiu)對🔴節能減排和推(tuī)動我🌍國燃氣計量(liàng)儀表♻️産📞業的發展(zhǎn)具有較好的推動(dong)作用，
　　目前，渦輪流(liú)量計的優化主要(yào)通過改良其導流(liú)件🌈、葉輪，軸🌈承、非磁(cí)電信号檢出器等(děng)部件的結構尺寸(cun)和加工工藝，來⛹🏻‍♀️改(gǎi)善流量計測量氣(qi)體、高粘度流體和(he)小流量時的特性(xìng).孫立軍[切⛹🏻‍♀️對降低(dī)渦輪流量傳感器(qi)粘度變化敏感度(du)進行了研究.SUN等0采(cǎi)用了Standardke湍流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻模型數(shù)值模👄拟口徑爲15mm的(de)渦輪流量計的内(nei)部流動🈲,結果表明(míng)壓📧力損失受到前(qian)端㊙️和後端形狀、導(dao)流體半徑、導流👣體(ti)的導流片和🌈渦輪(lun)葉片厚度的影響(xiang).劉正先和徐蓮環(huan)回雖🏃‍♂️然對氣體渦(wō)輪流量計的流動(dòng)進行實驗🔞測量和(hé)數值🌈計算，發現前(qian)導流器的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結構變(biàn)化對後面各部♈件(jiàn)内的氣體流動速(sù)度梯度和壓力恢(huī)複也有⭐明顯影響(xiǎng),使🎯總壓力損失進(jin)一步放大或減小(xiǎo),但對流量計的其(qí)☎️它部件未進行分(fen)析.本文将對一種(zhong)🈲型号氣體渦輪流(liú)量計🏃🏻各部件☀️的壓(yā)力損失與流量的(de)關系進行分析研(yan)究，以提出其優化(hua)思路.
1渦輪流量計(jì)的基本結構及工(gong)作原理
　　本文采用(yòng)80mm口徑氣體渦輪流(liu)量計作爲研究對(duì)象,對其🐉進行🐆内部(bù)流道的壓力損失(shī)數值模拟.氣體渦(wo)輪流量計結構示(shi)意圖如圖1.氣體渦(wō)輪流量計實物如(rú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻圖2,其中圖2(a)爲渦輪(lún)流量計實物圖,圖(tú)2(b)爲💁渦輪流量計機(ji)芯葉輪實物圖.
 
　　氣體渦輪流(liu)量計的原理是,氣(qi)體流過流量計推(tui)動渦輪葉片旋轉(zhuǎn),利用置于流體中(zhōng)的葉輪的旋轉角(jiǎo)🏒速度😘與流體流🚩速(sù)成比例的關系，通(tong)過測量葉輪轉速(sù)來得到流體流速(su)，進🏃‍♂️而得到管道内(nei)的流量值[10].渦輪流(liú)量計輸出的脈沖(chong)頻率S與所測體積(jī);流量qv成正比，即
 
　　式(shi)(2)中:J一葉輪的轉動(dòng)慣量;t一時間;ω一葉(yè)輪的轉速;Tt一推動(dong)力矩;Trm一機械摩擦(cā)阻力矩;Ttf一流動阻(zǔ)力矩;Tre一電磁阻力(lì)矩.
2計算模型
2.1數學(xué)模型
　　設定渦輪流(liú)量計數值模拟的(de)工作介質爲空氣(qì).流動處于湍流流(liu)動，數值模拟湍流(liú)模型采用RealizableK-e模型，該(gāi)模型适用于模拟(nǐ)計算旋💘轉流動.強(qiáng)逆壓梯度的邊界(jiè)層流動、流動分離(lí)和👅二次流等,其模(mó)型方程表示爲11]1:

 
2.2流(liu)體區域網格劃分(fèn)
　　使用Solidworks三維設計軟(ruǎn)件依照實物尺寸(cùn)對渦輪流量計各(gè)部件進行建模及(jí)組裝，簡化主軸、取(qu)壓孔和加油孔等(děng)對流體區城影🏃🏻響(xiang)較小的部分，
　　先對(duì)機芯部分做布爾(ěr)運算得到純流體(ti)區域，然後對葉輪(lún)外加包絡體形成(cheng)旋轉區域，在機芯(xin)進出口前後⚽均加(jia)🆚上15倍機芯口徑的(de)直管段，以保證進(jin)出口流動爲充分(fen)發展湍流.
　　全部流(liú)體區域包括前後(hòu)直管段、葉輪包絡(luo)體以及機☎️芯部分(fèn)的流體區域.用Gambit軟(ruan)件對三維模型進(jìn)行網格劃分，對流(liu)體㊙️區域中的小面(miàn)和尖角等難以生(sheng)成網格的部分進(jin)行優化和簡化處(chu)理，流體區域使用(yong)非結構化混合網(wǎng)格🏃，并對機芯流道(dào)内葉輪等流動情(qíng)況較複雜區域進(jin)行了局部加密，如(rú)圖3.其中圖3(a)爲機芯(xīn)流體區域網格圖(tu)，圖3(b)爲葉輪網格圖(tú),整體網格總數量(liang)約230萬.
 
2.3數值模拟仿真條(tiáo)件設置
　　數值計算(suàn)時，爲方便模拟結(jie)果與實驗結果的(de)對比,環境溫度、濕(shī)度和壓力設置與(yǔ)實驗工況相同,流(liu)體介質♉選擇空氣(qi)🏃‍♀️,空氣的密度ρ和動(dong)力粘度”根據Rasmussen提出(chū)的計算規程拟合(he)推導出的簡化公(gong)式(5)和(6)計算獲得：
 
　　模(mó)型選擇Realizablek-e湍流模型(xing)，壓力插值選擇Bodyforceweighted格(ge)式,湍流動能、湍流(liú)耗👨‍❤️‍👨散項♈和動量方(fang)程均采用二階迎(yíng)風格式離散，壓力(lì)與速度的耦🐕合采(cǎi)⛱️用SIMPLEC算法求解，其餘(yu)設置均采用Fluent默認(rèn)值.
　　計算區域管道(dao)人口采用速度入(rù)口邊界條件，速度(du)方向垂直于🐉人口(kǒu)直管段截面，出口(kǒu)邊界條件采用🚶壓(yā)力出口.葉輪🏃‍♀️包絡(luò)體設置爲動流動(dòng)區域,其餘爲靜流(liu)動區域，采用interface邊界(jie)條件作爲分界面(mian)，對于旋轉♊部分和(hé)靜止部分之間的(de)耦合⛹🏻‍♀️采用多重參(cān)考坐标🏃🏻模型(MRF).葉輪(lún)采用滑移邊界條(tiao)件且相對🐉于附近(jìn)旋轉流體區域速(su)👅度爲零.葉輪轉速(sù)📧是通過使用FLUENT軟件(jiàn)中🌈的TurboTopol-ogy與TurboReport功能🌂，不斷(duan)調整葉輪🔴轉速，觀(guan)察葉輪轉速是否(fǒu)達到力矩平衡來(lai)确♌定的。
3數值模拟(nǐ)結果分析
　　在流量(liàng)計流量範圍内選(xuan)取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這6個流量點(dian)進行同🔞工況環境(jing)數🈲值模拟，得到氣(qì)體渦輪流量計的(de)内部流場和壓力(li)分布等數據.進口(kǒu)橫截面取于前整(zheng)流器前10mm處🐕，出口橫(héng)截面取于後導流(liú)體後10mm處.計算渦輪(lun)流量計進出口橫(heng)截面上的壓力差(chà)，即得到流量計的(de)壓力損失❤️。
 
　　圖4爲流(liu)量與壓力損失之(zhi)間的關系曲線,圖(tu)中實驗值是❓在工(gong)況條件下使用音(yin)速噴嘴法氣體流(liú)量标準裝置測得(de).
　　根據圖4中壓力損(sun)失随流量的變化(huà)趨勢，可以将流量(liang)與壓力損失之間(jian)的關系拟合曲線(xiàn)爲二次多項🔞式,其(qí)表達式爲
 
　　這與流(liú)量計的壓力損失(shi)計算公式(8)趨勢相(xiang)符,均爲二次函數(shu)，且數值模拟結果(guo)與實驗結果吻合(hé)得較好，說明渦輪(lun)流💰量計的内部流(liú)場數值模拟方法(fa)及結果是可行且(qiě)🛀可靠的.流量計的(de)壓力損失計算公(gong)式爲。
 
式(8)中:△P----壓力損(sǔn)失;α壓力損失系數(shu);υ----管道平均流速.
　　以(yǐ)流量Q=250m³/h的數值模拟(ni)計算結果爲例進(jin)行渦輪流量計内(nèi)部流場及壓力場(chang)的分析.圖5爲渦輪(lún)流量計軸向剖面(miàn)靜♋壓分布圖.前導(dao)流器前後的壓力(li)場分布較均勻且(qiě)壓力梯度較小，在(zài)機芯殼體與葉輪(lún)支座連接凸台處(chu)壓力有✍️所增加,連(lián)接面後壓力又逐(zhú)漸減小.故認爲流(liu)體流經葉輪支座(zuo)産生⛱️壓力損失的(de)主要原因是連接(jie)處存在凸台,導緻(zhì)流場出現較大變(biàn)化，不能平滑過渡(dù),建議将葉輪支座(zuò)與機芯殼體的💞連(lian)接改爲圓弧線💘型(xing)或流線型.
　　觀察圖(tu)5和圖6,當流體流經(jing)葉輪從後導流器(qi)流出渦輪♉流量計(jì)🎯時,壓力梯度變化(hua)明顯，存在負壓區(qū)域并造成很大的(de)壓降，在後導流器(qì)凸台及流量計出(chū)口處速度⚽變化明(ming)顯，由于氣流通過(guo)後導🔴流器後流道(dào)突擴,在後導流器(qi)背🔴面形成明顯的(de)低速💃渦區，産生漩(xuán)渦二次流。
 
　　結合圖(tú)7、圖8流量計軸向剖(pōu)面和出口橫截面(mian)的總壓及速度分(fen)布👈圖,其速度分布(bu)與壓力分布相似(si),流量計流🔞道内速(su)度分布較均勻的(de)區域其壓力梯度(dù)變化也較小，即流(liú)道内速度的分布(bù)和變化與壓力損(sun)失大小相關.由流(liú)量計軸向剖㊙️面和(he)出口橫截面的速(sù)度及壓力分布圖(tu)可以看出,流量計(jì)後導流器處産生(sheng)的漩渦🥰二次流影(ying)響了出✔️口橫截面(miàn)處的💯速度及壓力(li)分布,流體呈螺旋(xuan)狀流動,故出口處(chu)速度及壓力較大(dà)區域均偏⭕移向流(liú)體旋轉方向。
 
　　流量(liang)計各部件的壓力(lì)損失随流量變化(huà)的趨勢與流😘量計(ji)總壓力損失随流(liú)量的變化趨勢相(xiàng)同,其拟合公式爲(wèi)系數不同的二次(ci)多項式，各部件的(de)壓力損失與📧流量(liang)呈二次函數關系(xì)，随着流量的增加(jiā)，壓力損失顯著增(zēng)加.
 
　　觀察圖10各部件(jiàn)壓力損失百分比(bǐ)圖，可見前整流器(qi)、前😘導流器♈和機芯(xin)殼體處的壓力損(sǔn)失很小，葉輪支座(zuò)處壓力🐉損失約占(zhan)總壓力損失的1/4.前(qián)整流器所占✂️壓力(li)損失比例在各流(liu)量點基本保持🔞不(bu)變,前導流器和機(ji)芯殼體處的壓力(lì)損失💔随流量的增(zeng)加其比例略有降(jiang)低,葉輪支座處壓(ya)力損失随流量的(de)增加其比例略有(yǒu)增加,但總體上受(shòu)流量影響不大.葉(yè)輪🔴處的壓力損失(shi)随流量從♋13m³/h增加至(zhi)250m³/h,其⚽比例從15.88%降至8.71%,降(jiang)幅明顯.後導流器(qi)處🐉的壓力損失占(zhàn)總壓力損失的大(da)半,随着流量從13m³/h增(zēng)加至250m³/h其壓力損失(shi)比例由43.77%升至55.83%,增幅(fú)明顯.總之,後導流(liu)器、葉輪支座和葉(yè)♉輪是流體🥵流經渦(wō)輪流量計産生壓(ya)力損失的主要影(ying)響部件🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,可通🏃‍♂️過優(yōu)化其結構以降低(di)渦輪流量計的總(zǒng)壓力損失.
4結語
　　本(ben)文采用Fluent軟件對一(yī)口徑爲80mm的渦輪流(liu)量計内部進🤞行了(le)數值模拟計算,分(fen)析内部流場、壓力(li)場及各部件産生(shēng)的壓力損失,得出(chū)以下結論:
1)漩渦二(èr)次流是産生能量(liàng)消耗的主要原因(yīn),故建議對渦輪流(liu)量計葉輪支座及(ji)後導流器進行幾(jǐ).何參數的優化,将(jiang)其凸台邊緣改爲(wei)流線型以減少流(liú)道突擴的影響.減(jian)少後導流器葉片(piàn)厚度⭕并增加其長(zhang)度及數量以減弱(ruo)氣體螺旋狀流動(dong),減弱漩渦二次流(liú),達到降低流量計(jì)壓力⚽損失的目的(de).
2)分析各部件對壓(ya)力損失的影響,其(qí)壓力損失與流✊量(liang)成☎️二次函數關系(xi).後導流器相對于(yu)其他部件是壓力(li)損失的主🈲要因素(sù),約占總壓力損失(shi)的一半,随着流量(liàng)的增加其壓力損(sǔn)失占總壓力損失(shī)的比例上升了12.15%.葉(yè)輪支座的壓力損(sǔn)失約占總壓力損(sǔn)失的1/4,其壓力損失(shi)🏒比例随流量的增(zēng)加基本不變.随着(zhe)流㊙️量的增加葉輪(lun)産生的壓力損失(shī)比例降幅明顯.
　　通(tong)過數值模拟分析(xī)得出速度的分布(bu)和變化與壓力損(sun)失大小相關,通過(guò)優化流量計流道(dào)内的速度分布可(kě)降低流量計的壓(ya)力損失,後續相關(guān)的渦輪流量計優(you)化研⁉️究可從優化(hua)其流道内速度分(fèn)布人手.

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