在天然(rán)氣的采(cǎi)集、處理(li)、儲存、運(yun)輸和分(fèn)配過程(cheng)中，需要(yao)數🔞以百(bai)✔️萬🚶計的(de)流量計(jì)，它既是(shi)天然氣(qi)供需雙(shuang)方貿易(yi)結算的(de)依據，也(yě)⛷️是生産(chǎn)部門用(yòng)氣效率(lü)的主要(yào)🌈技術指(zhǐ)标，因此(ci)對流量(liang)計測量(liang)準确度(du)和可靠(kao)性有🍓很(hěn)高的要(yào)求。 氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計 屬(shǔ)于速度(dù)式流量(liang)計，是應(ying)用于燃(rán)氣貿易(yì)計量的(de)三大流(liu)量👨‍❤️‍👨儀✏️表(biao)♋之一。由(yóu)于具有(you)重複性(xìng)好、量程(chéng)範圍寬(kuan)🔴、适應性(xing)強、精度(du)♉高、對流(liu)量變化(huà)反應靈(líng)敏、輸出(chu)脈沖信(xìn)号、複現(xian)性好和(he)體積小(xiao)等特點(diǎn)，氣體渦(wo)輪流量(liàng)計近年(nián)來已在(zai)石油、化(hua)🏃工和天(tian)然氣等(děng)領域獲(huo)得廣泛(fàn)♉的應用(yong)。
   随着 渦(wō)輪流量(liàng)計 在管(guan)道計量(liàng)領域的(de)廣泛使(shi)用，天然(ran)氣管道(dao)輸送過(guò)程中的(de)能耗成(cheng)爲不容(rong)忽視的(de)問題，而(er)天然氣(qi)管道輸(shū)送過程(chéng)♻️中的壓(yā)力損失(shi)是産生(sheng)能源消(xiao)耗的主(zhǔ)要原因(yīn)之🈲一。爲(wèi)保證天(tiān)然氣能(néng)順利輸(shu)送至用(yong)戶端，就(jiù)需要提(ti)高各壓(yā)氣站的(de)輸送壓(ya)💁力并盡(jìn)量減少(shao)管道輸(shū)送過程(cheng)中的壓(ya)力損失(shi)，而各級(ji)管道💛上(shang)的計量(liang)流量計(ji)所造成(chéng)的壓力(lì)損失占(zhàn)有很大(dà)比重。因(yīn)此，氣體(tǐ)🐆渦輪流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失研究(jiū)對節能(neng)減排和(he)推動我(wo)國燃氣(qi)計量儀(yí)表🐆産業(yè)的發展(zhan)具有較(jiao)好的推(tui)動作用(yong)。
   近年來(lai)，越來越(yue)多的學(xué)者采用(yong)數值模(mo)拟仿真(zhēn)方法對(duì)渦輪流(liu)量🍉計進(jìn)行研究(jiū)，如XU、LIU、 等學(xue)者均通(tōng)過數值(zhí)計✊算形(xing)式模拟(ni)流量計(jì)😍内部流(liu)動，并與(yu)實驗比(bi)較驗證(zhèng)了模拟(nǐ)結果的(de)正确性(xing)☁️。應用S－A、标(biao)準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标(biao)準k－ω這5種(zhong)湍流😘模(mó)型對渦(wō)💃輪流量(liang)計進行(hang)三維🐆數(shu)值模拟(ni)，并将應(ying)用各湍(tuan)流模型(xing)得出的(de)仿真儀(yí)表系數(shù)與♌實流(liú)标定值(zhi)進行對(duì)比和分(fèn)析，這對(dui)數值模(mó)拟計算(suan)選取湍(tuan)流模型(xíng)給出了(le)一定參(can)考。
   目前(qian)，渦輪流(liu)量計的(de)優化主(zhǔ)要通過(guo)改良其(qí)導流件(jian)🌈、葉💁輪、軸(zhou)🤩承、非♌磁(cí)電信号(hao)檢出器(qi)等部件(jiàn)的結構(gou)尺寸和(hé)加工工(gōng)藝，來改(gai)善流量(liang)計測量(liang)氣體、高(gao)粘度流(liu)體和小(xiǎo)流💋量時(shí)的📧特性(xìng)。對降低(di)渦輪流(liu)量傳感(gan)器粘度(du)變化敏(mǐn)感度進(jìn)行了研(yan)究。SUN等采(cǎi)用了Standard　k－ε湍(tuan)流模型(xing)數值🔴模(mó)拟口徑(jìng)爲15mm的渦(wo)輪流量(liàng)計的内(nei)部流動(dong)，結果表(biao)明壓力(li)損失受(shou)到前端(duan)和後端(duān)形狀、導(dǎo)流體半(bàn)徑、導流(liu)體的導(dǎo)流片和(hé)渦輪葉(ye)片厚度(du)的影響(xiǎng).雖然對(duì)氣體渦(wo)👈輪流量(liang)計的流(liu)動進行(háng)實驗測(ce)量和數(shù)值計算(suan)，發現前(qián)導流器(qì)的結構(gòu)變化對(duì)後面各(gè)部件内(nèi)的🈲氣體(ti)流動速(sù)度梯度(du)和壓力(li)恢複也(yě)有明顯(xian)影響，使(shi)總壓💰力(li)損失進(jìn)一♋步放(fang)大或減(jian)🤞小，但對(duì)流量計(ji)的其它(tā)部🏃🏻件未(wei)進行分(fen)析。本文(wén)将對一(yi)種⚽型号(hao)氣體渦(wō)輪流量(liang)計各部(bu)件的壓(ya)力損失(shī)與流量(liàng)的關系(xi)進行分(fen)析研究(jiū)，以提出(chu)其優化(huà)思路。
1 渦(wō)輪流量(liàng)計的基(jī)本結構(gou)及工作(zuo)原理
   本(ben)文采用(yòng)80mm口徑氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)作爲研(yan)究對象(xiang)，對其👌進(jin)行内👣部(bù)流道的(de)壓力損(sun)失數值(zhi)模拟。
   氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)結構示(shì)意圖如(ru)圖1。氣體(ti)渦輪流(liú)量計實(shí)物如圖(tú)2，其中圖(tu)2（a）爲渦輪(lún)流量計(jì)實物圖(tú)，圖2（b）爲渦(wo)輪流㊙️量(liang)計機芯(xin)葉輪🔞實(shí)物圖。


   氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)的原理(lǐ)是，氣體(ti)流過流(liú)量計推(tui)動🧑🏽‍🤝‍🧑🏻渦輪(lún)葉🈲片旋(xuán)轉，利用(yong)置于流(liú)體中的(de)葉輪的(de)旋轉角(jiǎo)❄️速度與(yu)流體流(liu)🔞速成比(bi)例的關(guan)系，通過(guo)測量葉(yè)輪轉速(su)來得❄️到(dao)流體流(liú)速，進而(er)得到管(guǎn)道内❄️的(de)流量值(zhí)。渦輪流(liú)量計輸(shū)出的脈(mo)♻️沖頻率(lǜ)f與所測(ce)體積✊流(liú)量qv成正(zhèng)比，即

式(shi)（1）中：k—流量(liang)計的儀(yí)表系數(shu)。
根據運(yun)動定律(lǜ)可以寫(xie)出葉輪(lún)的運動(dong)方程爲(wei)

式（2）中：J—葉(yè)輪的轉(zhuǎn)動慣量(liang)；t—時間；ω—葉(yè)輪的轉(zhuǎn)速；Tr—推動(dòng)力矩❄️；Trm—機(ji)械摩擦(ca)阻力矩(ju)；Trf—流動阻(zǔ)力矩；Tre—電(dian)磁阻力(li)矩。
2 計算(suan)模型
2.1 數(shu)學模型(xíng)
   設定渦(wo)輪流量(liàng)計數值(zhí)模拟的(de)工作介(jiè)質爲空(kōng)氣，流動(dòng)處于湍(tuan)流流動(dong)，數值模(mo)拟湍流(liu)模型采(cai)用Realizable K－ε模型(xíng)，該模型(xing)适用于(yu)模拟計(ji)算旋😍轉(zhuǎn)流動、強(qiang)逆壓梯(ti)度的邊(biān)界層流(liu)⭐動、流動(dòng)㊙️分離和(hé)二次流(liú)等，其模(mó)型方程(cheng)表示🐇爲(wèi)：
——各向流(liú)速平均(jun)值；a—聲速(sù)；μ—動力粘(zhān)性系數(shù)；υ—運動粘(zhan)性系⚽數(shu)；K—湍流動(dòng)能；ε—湍流(liú)耗散率(lǜ)；βT—膨脹系(xì)數；ωk—角速(su)度； —時均(jun)轉動速(sù)率張量(liang)；如不考(kao)慮浮力(lì)影響Gb＝0，如(ru)流動不(bú)可壓縮(suo)， ＝0，YM＝0。
2.2 流體區(qu)域網格(ge)劃分
   使(shi)用Solidworks三維(wei)設計軟(ruǎn)件依照(zhào)實物尺(chǐ)寸對渦(wō)輪流量(liàng)計🔴各部(bu)件進行(háng)建模及(ji)組裝，簡(jiǎn)化主軸(zhóu)、取壓孔(kong)和加油(yóu)孔等對(duì)流📞體區(qu)💃域影響(xiǎng)較小的(de)部分。
   先(xian)對機芯(xin)部分做(zuò)布爾運(yun)算得到(dào)純流體(ti)區域，然(rán)後對葉(ye)輪外加(jiā)包絡體(ti)形成旋(xuán)轉區域(yu)，在機芯(xin)進出口(kǒu)🍓前後均(jun)加上15倍(bei)機芯口(kou)徑🧡的直(zhí)管段，以(yǐ)保證進(jin)出口流(liu)動爲充(chōng)分發展(zhan)湍流。
   全(quán)部流體(tǐ)區域包(bāo)括前後(hou)直管段(duan)、葉輪包(bao)絡體以(yǐ)及機芯(xīn)部分的(de)流體區(qu)域。用Gambit軟(ruǎn)件對三(sān)維模型(xing)進行網(wang)📞格劃分(fen)，對流體(tǐ)區域中(zhong)的小面(mian)和尖角(jiǎo)等難以(yǐ)生成網(wǎng)格的㊙️部(bu)分進行(hang)優化和(hé)簡化處(chu)理，流體(ti)區域使(shǐ)用非結(jie)構化混(hun)合網格(gé)，并對機(jī)芯流道(dào)内葉🚶‍♀️輪(lún)等流動(dòng)情況較(jiào)複雜區(qu)域進行(háng)了局部(bu)加密，如(rú)圖3。其中(zhong)圖3（a）爲☁️機(ji)芯流體(tǐ)區域網(wang)格圖，圖(tu)3（b）爲葉輪(lún)網格圖(tú)，整體網(wǎng)格總數(shù)量約230萬(wàn)。

2.3 數值模(mo)拟仿真(zhēn)條件設(she)置
   數值(zhí)計算時(shi)，爲方便(biàn)模拟結(jié)果與實(shi)驗結果(guǒ)的對比(bi)，環境溫(wēn)度、濕🌐度(du)和壓力(li)設置與(yu)實驗工(gong)況相同(tong)，流體介(jiè)質選擇(ze)🈲空氣，空(kong)氣的密(mi)🤞度ρ和動(dòng)力粘度(du)η根據Rasmussen提(tí)出的計(ji)算規程(cheng)拟合推(tuī)導出的(de)簡化公(gōng)式（5）和（6）計(jì)算獲得(de)：
式（5）（6）中：T—溫(wēn)度；P—壓力(li)；H—濕度。
   求(qiú)解器采(cai)用分離(lí)、隐式、穩(wěn)态計算(suàn)方法，湍(tuān)流模型(xíng)選擇Realizable　k－ε湍(tuān)🌐流模🌈型(xíng)，壓力插(chā)值選擇(ze)Body force weighted格式，湍(tuān)流動能(néng)、湍流耗(hao)散項和(he)動✌️量方(fāng)程均采(cǎi)用二階(jie)迎風格(gé)式離散(san)，壓力與(yu)速度的(de)耦合采(cai)用SIMPLEC算法(fǎ)求解，其(qi)餘設置(zhì)均采用(yong)Fluent默認值(zhi)。
   計算區(qu)域管道(dao)入口采(cai)用速度(dù)入口邊(bian)界條件(jian)，速度方(fāng)向垂直(zhi)于入口(kou)直管段(duàn)截面.出(chu)口邊界(jie)條件采(cai)用壓力(lì)出口。葉(ye)輪包絡(luo)體設置(zhi)爲動流(liu)動區域(yu)，其餘爲(wei)靜流動(dòng)區域，采(cai)用interface邊界(jiè)條件作(zuò)爲分界(jie)面，對于(yu)旋轉部(bu)分和靜(jìng)止部分(fen)之間的(de)耦合采(cai)用多重(zhong)參考坐(zuo)标模型(xíng)（MRF）。葉輪采(cǎi)用滑移(yí)邊界條(tiao)件且相(xiang)對于附(fù)近旋轉(zhuan)🏃‍♀️流體區(qu)域速度(dù)爲零。葉(yè)輪轉速(su)❌是通過(guò)使用FLUENT軟(ruan)件中😍的(de)TurboTopol－ogy與Turbo　Report功能(néng)，不斷調(diao)整葉輪(lun)轉速，觀(guan)察葉輪(lún)轉速是(shì)否達到(dao)力矩平(ping)衡來确(que)定的。
3 數(shù)值模拟(nǐ)結果分(fèn)析
   在流(liu)量計流(liu)量範圍(wei)内選取(qu)了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個(gè)流量點(diǎn)進行同(tong)工✔️況📞環(huán)境數值(zhí)模拟，得(dé)到氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計的(de)内部流(liu)場和壓(yā)力分🌍布(bu)等㊙️數據(ju)。進口橫(héng)截面取(qǔ)于前整(zhěng)流⁉️器前(qián)10mm處，出口(kǒu)橫截面(miàn)取于後(hou)導♈流體(tǐ)後10mm處。計(ji)算渦輪(lun)流量計(jì)進出口(kou)橫截面(miàn)上的壓(ya)☀️力差，即(jí)得到流(liú)量計的(de)壓力損(sun)失😍。
圖4爲(wei)流量與(yǔ)壓力損(sǔn)失之間(jiān)的關系(xì)曲線，圖(tu)中實驗(yàn)值是在(zài)🔅工況條(tiáo)件下使(shi)用音速(sù)噴嘴法(fǎ)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置測(cè)得。

   根據(ju)圖4中壓(yā)力損失(shī)随流量(liàng)的變化(huà)趨勢，可(ke)以将流(liu)👣量與壓(yā)力🐕損失(shi)之間的(de)關系拟(nǐ)合曲線(xiàn)爲二次(cì)多項🌏式(shi)，其⛷️表達(da)式爲

   這(zhe)與流量(liang)計的壓(yā)力損失(shī)計算公(gong)式（8）趨勢(shi)相符，均(jun1)爲二次(cì)函數，且(qie)數值模(mo)拟結果(guǒ)與實驗(yàn)結果吻(wen)合得較(jiao)好，說明(míng)渦🔴輪流(liú)量計的(de)内部流(liu)場數值(zhí)模拟方(fang)法及結(jié)果是可(ke)行且可(ke)靠的。流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失計算(suàn)公式爲(wèi)

式（8）中：ΔP—壓(ya)力損失(shī)；α—壓力損(sun)失系數(shù)；υ—管道平(píng)均流速(su)。
   以流量(liang)Q＝250m3/h的數值(zhí)模拟計(ji)算結果(guǒ)爲例進(jìn)行渦輪(lun)流量計(ji)内部流(liú)♻️場及壓(yā)力場的(de)分析.圖(tú)5爲渦輪(lun)流量計(ji)軸向剖(pou)面靜壓(ya)分布圖(tú).前導流(liú)器前後(hou)的壓力(li)場分布(bù)較均勻(yún)🈲且壓力(li)梯度較(jiào)🔞小，在機(jī)芯殼體(ti)與葉輪(lun)支座☁️連(lian)接凸台(tai)處壓力(li)有所增(zeng)加，連接(jiē)面後壓(ya)力又逐(zhu)漸✍️減小(xiao).故認爲(wei)流體流(liú)經葉☁️輪(lun)支座産(chǎn)生壓力(li)損失的(de)主要原(yuán)因是連(lian)接處存(cún)在凸台(tai)，導緻流(liú)場出現(xiàn)較大變(biàn)化，不能(néng)平滑過(guo)渡，建議(yi)㊙️将葉輪(lún)支🈲座與(yu)機芯殼(ké)體的連(lian)接改爲(wei)圓弧線(xian)型或流(liu)線型。
   觀(guan)察圖5和(he)圖6，當流(liu)體流經(jīng)葉輪從(cong)後導流(liú)器流出(chū)渦輪流(liu)量計時(shi)，壓力梯(tī)度變化(hua)明顯，存(cún)在負壓(ya)區域并(bìng)造成很(hěn)大的壓(ya)降，在後(hou)導流器(qi)凸台及(jí)流量計(ji)出口處(chù)速度變(biàn)化明顯(xian)，由于氣(qi)流通過(guò)後導流(liú)器後流(liú)道突擴(kuò)，在後導(dǎo)流器背(bei)面形成(cheng)明顯的(de)低速渦(wō)區，産生(shēng)🚩了漩渦(wo)二次流(liu)。

   結合圖(tu)7、圖8流量(liàng)計軸向(xiang)剖面和(hé)出口橫(héng)截面的(de)總壓及(ji)速度分(fèn)布圖，其(qí)速度分(fèn)布與壓(ya)力分布(bù)相似，流(liú)量計流(liu)道内速(su)度🆚分布(bu)較均勻(yun)的區域(yù)其壓力(li)梯度變(bian)化也較(jiào)🈲小，即流(liú)道内速(sù)度的分(fèn)布和變(bian)化與壓(ya)力損失(shī)大小相(xiàng)關。由流(liú)量計軸(zhóu)向剖面(miàn)和出口(kou)橫截面(mian)的🆚速度(dù)及壓力(li)分布圖(tú)可以看(kàn)出，流量(liàng)計🧡後導(dǎo)流器處(chu)産生的(de)漩渦二(er)次流影(yǐng)響了出(chū)口橫截(jie)面處的(de)速度及(ji)壓力分(fèn)布


   流量(liang)計各部(bù)件的壓(yā)力損失(shi)随流量(liang)變化的(de)趨勢與(yu)流量計(ji)總壓力(lì)損失随(sui)流量的(de)變化趨(qū)勢相同(tong)，其拟合(hé)公式爲(wei)系數不(bu)同的二(er)次多項(xiang)式。各部(bù)件的壓(yā)力損失(shi)與流量(liang)呈✉️二次(cì)函數關(guan)系，随着(zhe)流🐪量的(de)增加，壓(yā)⛱️力損失(shī)顯著增(zēng)加。

   觀察(chá)圖10各部(bu)件壓力(lì)損失百(bai)分比圖(tu)，可見前(qián)整流器(qi)⭕、前導流(liú)器🌏和機(ji)芯殼體(tǐ)處的壓(ya)力損失(shī)很小，葉(ye)輪支座(zuò)處壓力(li)損失🏃‍♀️約(yuē)占總壓(yā)力損失(shī)的1/4。前整(zheng)流器所(suo)占壓力(lì)損失比(bi)例📞在各(ge)流量點(dian)基本保(bao)持不變(bian)，前導流(liu)器和機(jī)芯殼體(ti)處的壓(ya)力損失(shi)👌随流量(liàng)的增加(jiā)其比♊例(lì)略有降(jiàng)低，葉輪(lún)支座處(chù)♊壓力損(sǔn)失随流(liu)量的增(zēng)加其比(bǐ)例略有(yǒu)增加，但(dàn)總體上(shang)受流量(liang)影響不(bu)大。葉輪(lun)處的壓(yā)力損失(shi)随流量(liang)從13m3/h增加(jiā)至250m3/h，其比(bi)例從15.88%降(jiang)至8.71%，降幅(fú)明顯.後(hou)導流器(qì)處㊙️的壓(ya)力損失(shi)占總壓(yā)力損失(shī)的大半(bàn)，随着流(liu)量從13m3/h增(zeng)加至250m3/h其(qí)壓力損(sǔn)失比例(lì)由🌈43.77%升至(zhi)👉55.83%，增幅明(ming)顯。總之(zhī)，後導流(liú)器、葉輪(lún)支座和(hé)葉輪是(shì)流體流(liú)經渦輪(lún)流量計(jì)産生壓(ya)力損失(shi)的主要(yào)影響部(bù)件🔴，可通(tōng)過優化(huà)其結構(gòu)以降低(di)渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輪💯流(liu)量計的(de)總壓力(lì)🤩損失。

4 結(jie)語
   本文(wén)采用Fluent軟(ruǎn)件對一(yī)口徑爲(wèi)80mm的渦輪(lún)流量計(ji)内部進(jìn)☀️行了數(shù)值模拟(nǐ)計算，分(fen)析内部(bu)流場、壓(ya)力場及(ji)各部件(jian)産生的(de)壓力損(sun)失🆚，得出(chū)以下結(jié)論：
1）漩渦(wō)二次流(liú)是産生(shēng)能量消(xiāo)耗的主(zhu)要原因(yin)，故建議(yì)對💋渦輪(lun)流量計(ji)葉輪支(zhī)座及後(hou)導流器(qì)進行幾(jǐ)何參數(shu)的優化(hua)，将其凸(tu)台邊緣(yuán)改爲流(liu)線型以(yi)減少。流(liu)道突擴(kuo)的影響(xiang)，減✨少後(hòu)導流器(qi)葉片厚(hou)度并增(zeng)加其長(zhang)度及數(shu)量🈲以減(jiǎn)弱氣體(tǐ)螺旋狀(zhuàng)流動，減(jian)弱🈲漩渦(wo)二次流(liú)，達到降(jiang)低流量(liang)計壓力(li)損失的(de)目的。
2）分(fen)析各部(bu)件對壓(ya)力損失(shi)的影響(xiǎng)，其壓力(lì)損失與(yu)流量成(chéng)二次函(hán)數關系(xi)。後導流(liu)器相對(dui)于其他(ta)部件是(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓力損(sun)失的主(zhu)要因素(sù)，約占總(zong)壓力損(sǔn)失的一(yī)半，随着(zhe)流量的(de)增加其(qi)壓力損(sǔn)失占總(zong)壓力損(sǔn)失的比(bǐ)例上升(shēng)了12.15%。葉輪(lún)支座的(de)壓力損(sǔn)失約占(zhan)總壓力(li)損失的(de)1/4，其壓力(lì)損失比(bǐ)例随流(liu)量的增(zēng)加基本(ben)不變。随(suí)着流💘量(liàng)的增加(jia)葉輪産(chan)生的壓(yā)力損失(shi)比例降(jiàng)幅明顯(xiǎn)。
通過數(shu)值模拟(ni)分析得(de)出速度(dù)的分布(bù)和變化(huà)與壓力(lì)損失大(dà)小相關(guān)，通過優(you)化流量(liàng)計流道(dào)内的速(su)度分布(bù)可降低(di)流量計(ji)🏃🏻‍♂️的壓力(li)損失，後(hou)續相關(guan)的渦輪(lun)💚流量計(jì)🚩優化研(yan)究可從(cóng)優化其(qí)🌈流道内(nei)速度分(fèn)布入手(shǒu)。

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