摘要：根據(jù)已有的DN25旋進旋(xuan)渦流量計的結(jié)構參數，設計了(le)DN20小型旋進旋渦(wo)流量計 ，而後借(jie)助ANSYSFluent流體仿真對(dui)DN20小型旋進旋渦(wo)流量計進行了(le)結構與流場關(guan)系的研究。通過(guò)正交試驗，獲得(dé)了⭐DN20小型流量計(ji)不同結🤩構的内(nèi)部流場及其信(xin)息，分析了流量(liang)計工作範圍内(nei)旋渦規律和流(liú)✏️量之間的關系(xi)；進一步更換不(bú)同測量橫截面(mian)，查看壓力場及(ji)其變化規律，與(yǔ)原結構方案‼️的(de)測量截面進行(háng)比較，選定最優(yōu)測量截面與測(ce)量點，爲DN20流量計(jì)産品研發提供(gòng)了理論依據。
0引(yǐn)言
　　旋進旋渦流(liu)量計是根據旋(xuan)渦進動現象設(shè)計的一種流體(tǐ)🈚振蕩式流量計(ji)，具有流量範圍(wéi)寬、無可動部件(jian)、不💜易腐蝕、可靠(kào)性🈲高、安裝使用(yong)方便、直管段要(yao)求🙇‍♀️短等優點，适(shì)用于石油、蒸汽(qì)、天然氣、水等多(duo)種介質的流量(liang)測量[1]。20世紀70年代(dài)，對旋進旋渦流(liú)量計性能進行(hang)了比較全💋面的(de)實驗研究，驗證(zhèng)了此流量計線(xian)性輸出特性，同(tóng)🐪時發現此流量(liang)計🐕不易受介質(zhì)粘🔴度和密度影(ying)響，指出旋進旋(xuan)渦流量計在高(gao)壓氣體測量方(fāng)面的商業應用(yòng)前😘景。對旋進旋(xuán)渦流量計做了(le)實✍️際工況下的(de)儀表特征測試(shi)，探索該流量計(jì)在計量領域應(yīng)用的可行性。
　　對(dui)于旋進旋渦流(liú)量計内部流動(dong)特性及流量計(jì)改進方面，科研(yan)✔️人員也進行了(le)一定的探索，彭(peng)傑剛等人[4]對✌️旋(xuán)進💜旋渦流量計(ji)内部流場進行(háng)了數值模拟分(fen)析，研究了旋渦(wo)流量計内部流(liú)場的演變情況(kuang)，分💰析了流場幹(gàn)擾對旋進旋渦(wo)流量計流場進(jìn)動效應💋的影響(xiǎng)。何馨雨等人[5]對(duì)旋進旋渦内部(bù)流場進行了⛹🏻‍♀️數(shù)值模拟分♈析，獲(huo)得了比較全♻️面(miàn)的流場信息，對(duì)這種流量計的(de)内部流動特性(xìng)有了更♈加深入(rù)的理解。

　　目前(qián)，針對旋進旋渦(wō)流量計，特别是(shì)小型和微型流(liu)量計還存在流(liu)量計低流量工(gōng)況條件下測量(liang)不準确、過程不(bu)穩定的問題，開(kāi)發小型流量計(jì)，相較于普通流(liu)量😍計需要在結(jié)構上做出改進(jìn)和優化。比如，可(ke)采用導流片來(lái)降低壓損，提高(gao)流量計的性能(neng)。本文❗着重考慮(lǜ)對小型旋進旋(xuan)渦流量計的起(qi)旋角、收縮角和(he)收縮比進行優(yōu)化研究，從👌而爲(wèi)進一步開發和(he)定型小型流量(liang)計提供理❄️論上(shàng)的支持。
1旋進旋(xuán)渦流量計工作(zuo)原理[6]
　　旋進旋渦(wo)流量計 主要由(you)起旋器、文丘裏(lǐ)管、消旋器和檢(jiǎn)測傳感器組成(cheng)❤️，其結構原理如(ru)圖1所示。
　　旋進旋(xuán)渦流量計是基(ji)于旋渦進動現(xian)象工作的。流體(tǐ)流入旋進旋渦(wō)流量計後，首先(xiān)通過一組由固(gù)定螺旋形葉片(pian)組成的起旋器(qì)後被強制旋轉(zhuan)，使流體形成旋(xuan)渦，旋渦中心爲(wei)“渦核”是🌏流體旋(xuán)轉運動速度很(hěn)高的區✊域，其外(wài)圍是環流。流體(ti)流經收縮段時(shí)旋渦加速，沿流(liú)動方向渦核與(yǔ)流量計的軸線(xiàn)相一緻。當進入(rù)擴大😘段後，旋渦(wō)急劇減速，壓力(lì)上升，中心區域(yu)的壓力比周圍(wei)壓力低，于是産(chan)生了局部回流(liu)；在回流作用下(xia)，渦核開始像剛(gang)體一樣圍繞中(zhong)心軸在擴張段(duàn)壁面做螺旋進(jin)動。其進動頻率(lü)與流體的流速(su)成正比。因此，測(ce)✌️得旋進旋渦的(de)頻率即能反映(yìng)流速和體積流(liu)量的大小。
2模型(xíng)建立與計算
2.1仿(pang)真模型的建立(lì)
　　根據現有的實(shi)物模型使用NX建(jian)立仿真模型，根(gen)據測繪得🔞出DN25旋(xuán)🏃🏻進漩渦流量計(jì)重要尺寸：進出(chu)口直徑爲25mm，收縮(suo)比爲1.25，收縮段夾(jiá)角爲🌐12°，起旋器葉(ye)片夾角爲42°，擴張(zhāng)段夾角🔞爲60°，建立(lì)🏃‍♀️如圖2所示三維(wéi)模型。

　　再根據實(shi)物參數建立好(hǎo)的DN25旋進旋渦流(liú)量計模型的🈲基(ji)❓礎上進行修改(gai)，得到DN20小型旋進(jìn)旋渦流量計模(mó)型。DN20旋進旋👈渦流(liu)量計具體結構(gou)尺寸數據如下(xià)：進出口直徑爲(wèi)φ20mm，收縮段夾角爲(wei)12°，起旋器葉片入(ru)射角爲42°，收縮比(bi)爲1.25（喉部直徑爲(wèi)‼️φ16mm），擴張段夾角爲(wèi)60°，結構尺寸如圖(tu)3所示。

2.2流體力學(xue)控制方程和湍(tuan)流模型
　　旋進旋(xuán)渦流量計的流(liu)體動力特性，可(kě)以用流體力學(xue)❓基本方程進行(háng)描述。
　　連續性方(fang)程和動量方程(chéng)：

式（1）、式（2）中：p——靜壓；ui——流(liú)動速度；f——質量力(li)；τij——應力質量。

　　流量(liang)計内部爲湍流(liu)流動，需引入湍(tuan)流模型，标準的(de)K-Epsilon湍流模型用于(yú)強旋流或帶有(you)彎曲壁面的流(liu)動時，會出現一(yi)定的失真，因此(ci)本文選用RNGk-?湍流(liú)模型。湍流💯模型(xíng)和相關方程在(zài)文獻[5]中有詳細(xì)說明。
3K值系數的(de)确定
3.1不同流量(liàng)下的K值系數
　　DN20小(xiǎo)型旋進旋渦流(liú)量計的範圍爲(wèi)2.5m3/h～25m3/h，分别選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuò)爲仿真🤞計算的(de)㊙️進出口流量，出(chū)口的相對壓力(lì)設爲0Pa，壁面爲無(wú)滑🧡移邊界。先常(cháng)定計算，然後在(zai)常定計算的基(ji)礎上進行非常(cháng)定計算。
　　選取上(shàng)述4組仿真的同(tóng)一截面的同選(xuǎn)定一測量點，分(fen)别計算點✌️的壓(ya)力變化頻率與(yǔ)壓差，從而判斷(duàn)不同流量下💘DN20小(xiǎo)型旋進旋渦流(liu)量計的性能優(yōu)劣。
　　截面取喉部(bu)（擴張段前截面(miàn)處），截面上節點(diǎn)位置距離壁🤞面(miàn)3mm，具體位置如圖(tú)4所示。不同流量(liang)下的節點的❓壓(yā)力變化雲圖如(ru)圖5所示。

　　根據圖(tu)5數據，整理可得(dé)到以下數據：流(liu)量爲25m3/h時，0.002s内壓力(lì)變化約爲🥰3.9次，頻(pín)率爲1950Hz，換算得K此(ci)時K系數約爲281000；流(liu)量爲12.5m3/h時，0.005s内壓力(lì)變化約爲4.5次，頻(pín)率爲900Hz，換算得K此(ci)時K系數👨‍❤️‍👨約爲259366；流(liu)❗量爲5m3/h時🛀，0.02s内壓力(li)變化約爲6.5次，頻(pin)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼率爲325Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約爲233981；流(liú)量爲2.5m3/h時，0.1s内壓力(lì)變化約爲17次，頻(pín)率✉️爲170Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約爲244957。
　　根(gēn)據上述數據整(zhěng)理可得：平均K系(xi)數值約爲254825。
　　以上(shang)數據存在以下(xia)問題：當測量低(di)流量（2.5m3/h）時，出現壓(ya)差😘減小，壓力變(biàn)化的範圍不大(dà)，渦核轉動幅度(du)減小，脈動效應(yīng)不明❗顯，不利于(yu)傳感器的測量(liang)。針對此問題，本(ben)文對DN20小型旋進(jin)旋渦流量計進(jin)行🤟結構優化，以(yi)提高流量計在(zai)測量低流量時(shí)的測量精🐅度。
3.2針(zhen)對小流量測量(liàng)的結構優化
　　參(cān)考相關論文[7]，影(ying)響流量計儀表(biǎo)精度與最小測(cè)量流量的3個🧑🏾‍🤝‍🧑🏼相(xiàng)關因素爲：收縮(suo)段角度、起旋器(qì)入射角和喉部(bù)直徑（收縮比）。
　　仿(páng)真實驗選用三(san)因素三水平正(zheng)交實驗，三因素(sù)分别🌏爲：起🤟旋角(jiao)、收縮角和收縮(suō)比。起旋角對應(ying)的三水平爲40/42/45，收(shou)縮比對應的三(sān)水平爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角(jiǎo)對應的三水平(píng)爲13/12/15。綜合考慮所(suo)有的因素要實(shí)驗27次，而正交實(shí)驗隻要選取9組(zu)關鍵實驗，表1爲(wèi)正交實驗表。

　　依(yī)照三因素三水(shuǐ)平正交實驗表(biao)，按順序進行正(zheng)交😄實驗，得到不(bú)同情況下的相(xiang)同時刻的截面(miàn)壓力雲圖如圖(tú)6所示，截🔞面壓😘力(lì)的變化圖如圖(tú)7所示。圖片按實(shi)驗序号一一對(dui)應。、


　　由正交實驗(yan)所得到的數據(ju)可知，模型六與(yǔ)模型九在低❄️流(liú)量的情況下仿(páng)真，壓力變化明(ming)顯，壓力變化幅(fú)度較原模型顯(xian)著提高，脈動效(xiào)應明顯，即相較(jiao)于原模型得到(dao)優化。
3.3确定模型(xing)
　　爲了進一步驗(yàn)證模型參數的(de)優化情況，選擇(zé)最優模🍓型⛱️，分别(bie)取不同的進口(kǒu)流量，對模型六(liu)與模型九進行(hang)仿真🏃🏻‍♂️實驗，計算(suan)對應的頻率和(he)K系數值。
　　考慮到(dao)原模型的流量(liang)範圍在2.5m3/h～25m3/h，頻率爲(wei)150Hz～1500Hz，此次仿真實🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗(yàn)🐪取對🚩應的進口(kǒu)流量爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xíng)六不同進口流(liu)量的對應壓力(li)變化圖如圖8所(suo)示。根據4組仿真(zhen)實驗所得數據(jù)，得到模型六的(de)頻率輸出範圍(wéi)約爲162Hz～2100Hz，K值平🚶‍♀️均爲(wèi)279845，較原模型提高(gāo)約27%。

　　模型九不同(tong)進口流量的對(dui)應壓力變化圖(tú)如圖9所示😄。根💰據(jù)4組仿真實驗所(suo)得數據，得到模(mo)型九的頻率輸(shū)出範圍約爲200Hz～2350Hz，K值(zhí)平均爲322343，較原模(mó)型提高約46%。

　　根據(jù)所有相關數據(jù)得出結論：模型(xíng)九相較于模型(xíng)六有☔更好的優(yōu)化效果。因此，選(xuan)取模型九做爲(wei)最優模型
3.4測量(liang)點的選定
　　由于(yu)流量計的脈動(dòng)複雜性，在管道(dao)内部對流場壓(yā)🚩力測量點的選(xuan)取至關重要。爲(wei)了選擇最優測(cè)量點，對整個模(mó)型進行仿真實(shí)驗，根據以往經(jīng)驗，選取喉部附(fu)近😍不同的8個位(wèi)置進行相應的(de)測量，查看對應(yīng)的壓力變化，從(cóng)而判斷最優的(de)測量點。本次仿(pang)真實驗選擇的(de)8個測量點的位(wei)置如圖10所示。

　　在(zài)低流量2.5m3/h仿真環(huán)境下，選擇如圖(tu)10所示的8個不同(tong)節點，比較✊壓💰力(lì)變化幅度及峰(feng)值的變化。由上(shàng)述實驗知模型(xing)九優化效果最(zui)好，所以選用模(mó)型九做爲本次(cì)仿真實驗的仿(pang)真模型，圖11爲各(ge)個不同節點的(de)壓力變化圖，其(qi)中a、b、c、d、e、f、g和h與圖10上節(jiē)點一一對應。
　　由(you)于脈動信号的(de)拾取是通過壓(ya)力傳感器測得(dé)，在傳感器測量(liàng)條件一定的情(qíng)況下，壓力幅值(zhi)變化越大越容(rong)易測量。由圖11所(suǒ)得數據可知，c點(dian)和d點的壓力幅(fu)值與🏃‍♂️極值大于(yú)其他測量點🈲，有(you)利于壓力傳感(gan)器的檢測，綜🧡合(he)所有實驗的壓(ya)力截面圖判斷(duan)，确定最⚽優的檢(jian)測點在距離喉(hóu)部末端約0mm～1mm，且距(ju)👄壁面2mm～4mm處。

4結語
1）本(ben)文根據DN25旋進旋(xuán)渦流量計實物(wù)模型，繪制出DN20小(xiao)型旋進旋♊渦流(liu)量計，借助ANSYSFluent對DN20小(xiǎo)型旋進旋渦流(liu)量計進行仿真(zhen)實驗，獲得了DN20小(xiao)型☁️流量計不同(tong)結構的内部流(liú)場及其信息，分(fen)析了流量計☂️工(gōng)作範圍内旋渦(wō)規律和流量之(zhi)間的關系，綜合(hé)分析後确定其(qi)K值系數。
2）根據DN20微(wei)型旋進旋渦流(liu)量計在小流量(liang)工況下的壓㊙️力(li)變化情🔱況，優化(hua)了其結構，确定(dìng)起旋角爲45°、收縮(suo)比爲20：15、收縮角爲(wei)12°時，可有效解決(jué)DN20微型旋進旋渦(wo)流量計對小流(liu)⁉️量的測量不精(jing)确的問題。
3）本文(wén)在優化模型的(de)基礎上，根據同(tong)一流量下的壓(yā)力變化情🐪況🌈，綜(zong)合所有實驗，确(què)定了DN20小型旋進(jin)旋渦流量計的(de)最優測量點，爲(wei)DN20小型流量計開(kai)發提供了理論(lùn)依據。
4）在上述仿(pang)真研究和DN20建模(mo)的基礎上，依次(ci)制作了DN20小型流(liu)量計3D打印樣機(jī)，通過測試其實(shí)際K系數在小流(liu)量段基本接近(jin)理論值，結果表(biao)明本文流量計(ji)的性♊能達到了(le)開發🧡預期。

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