摘要(yao):運用(yong)數值(zhi)模拟(ni)和實(shi)驗測(ce)試相(xiang)結合(he)的方(fang)法，對(dui)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計 進(jin)行了(le)結構(gou)改進(jin)和性(xing)能優(you)化。基(ji)于内(nei)部流(liu)體的(de)壓力(li)場和(he)速度(du)場特(te)征分(fen)析,得(de)出了(le)影響(xiang)流量(liang)計性(xing)能的(de)主要(yao)結構(gou)爲表(biao)芯支(zhi)座和(he)後導(dao)流體(ti),主要(yao)因素(su)爲表(biao)芯支(zhi)座側(ce)面的(de)壓力(li)梯度(du)驟降(jiang)和後(hou)導流(liu)體下(xia)遊的(de)尾流(liu)耗散(san)。通過(guo)對表(biao)芯支(zhi)座和(he)後導(dao)流體(ti)進行(hang)結構(gou)優化(hua),流量(liang)計的(de)計量(liang)性能(neng)得到(dao)了提(ti)升。表(biao)明:結(jie)構優(you)化後(hou)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)在最(zui)大流(liu)量下(xia)減小(xiao)了約(yue)42.61%,最大(da)示值(zhi)誤差(cha)降低(di)了22.45%左(zuo)右，儀(yi)表系(xi)數也(ye)更加(jia)趨于(yu)恒定(ding)。結論(lun)有助(zhu)于爲(wei)今後(hou)開發(fa)性能(neng)更好(hao)的氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)提供(gong)理論(lun)指導(dao)和技(ji)術支(zhi)持。
　　氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)是一(yi)種速(su)度式(shi)的流(liu)量傳(chuan)感器(qi)，具有(you)測量(liang)精度(du)高、量(liang)程範(fan)圍廣(guang)、可靠(kao)性好(hao)以及(ji)使用(yong)方便(bian)等優(you)點。随(sui)着我(wo)國西(xi)氣東(dong)輸工(gong)程的(de)全線(xian)貫通(tong)，縱橫(heng)交錯(cuo)的天(tian)然氣(qi)管網(wang)使我(wo)國形(xing)成世(shi)界上(shang)天然(ran)氣管(guan)網。氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)被廣(guang)泛應(ying)用于(yu)天然(ran)氣管(guan)網中(zhong)的貿(mao)易計(ji)量，市(shi)場前(qian)景廣(guang)闊。氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的結(jie)構改(gai)進及(ji)其性(xing)能優(you)化在(zai)流量(liang)計量(liang)領域(yu)具有(you)十分(fen)重要(yao)的應(ying)用價(jia)值與(yu)現實(shi)意義(yi)。
　　将氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)前整(zheng)流器(qi)的葉(ye)片截(jie)取合(he)适切(qie)角，發(fa)現當(dang)葉片(pian)切角(jiao)參數(shu)爲0.25時(shi)流量(liang)計的(de)性能(neng)最好(hao)。對前(qian)整流(liu)器結(jie)構進(jin)行分(fen)析,得(de)到了(le)流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失和(he)線性(xing)度誤(wu)差均(jun)爲最(zui)小時(shi)前整(zheng)流器(qi)的葉(ye)片數(shu)與長(zhang)度。在(zai)前導(dao)流體(ti)研究(jiu)方面(mian).将前(qian)導流(liu)體直(zhi)徑、前(qian)導流(liu)體與(yu)輪毂(gu)間距(ju)作爲(wei)改進(jin)參數(shu),比較(jiao)了不(bu)同結(jie)構參(can)數下(xia)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)性能(neng)指标(biao)。用流(liu)線型(xing)前導(dao)流體(ti)結構(gou)代替(ti)傳統(tong)半球(qiu)形前(qian)導流(liu)體，使(shi)得流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失降(jiang)低了(le)近33%。一(yi)種三(san)葉片(pian)長螺(luo)旋葉(ye)輪結(jie)構，流(liu)量計(ji)測量(liang)的重(zhong)複性(xing)明顯(xian)提高(gao),測量(liang)的相(xiang)對示(shi)值誤(wu)差明(ming)顯降(jiang)低。基(ji)于響(xiang)應面(mian)法和(he)正交(jiao)試驗(yan)法，得(de)出了(le)影響(xiang)流量(liang)計性(xing)能的(de)葉輪(lun)結構(gou)參數(shu)順序(xu)爲:葉(ye)輪頂(ding)端半(ban)徑>葉(ye)輪葉(ye)片數(shu)>葉輪(lun)輪毂(gu)長度(du)>葉輪(lun)輪毂(gu)半徑(jing)。在後(hou)導流(liu)體方(fang)面，優(you)化了(le)後導(dao)流體(ti)的葉(ye)片倒(dao)角。發(fa)現流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失随(sui)着葉(ye)片倒(dao)角的(de)增大(da)而增(zeng)加。通(tong)過數(shu)值模(mo)拟對(dui)流量(liang)計内(nei)部的(de)流場(chang)特征(zheng)進行(hang)分析(xi),發現(xian)後導(dao)流體(ti)産生(sheng)的壓(ya)力損(sun)失達(da)到了(le)總壓(ya)力損(sun)失的(de)55%。
　　綜上(shang)所述(shu),前人(ren)對氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的研(yan)究主(zhu)要集(ji)中在(zai)葉輪(lun)、前整(zheng)流器(qi)與前(qian)導流(liu)體部(bu)分，而(er)對後(hou)導流(liu)體與(yu)表芯(xin)支座(zuo)的結(jie)構改(gai)進及(ji)其性(xing)能優(you)化目(mu)前還(hai)較爲(wei)少見(jian)。實際(ji)上,後(hou)導流(liu)體在(zai)流量(liang)計中(zhong)對流(liu)體起(qi)到穩(wen)流和(he)導流(liu)的作(zuo)用,表(biao)芯支(zhi)座是(shi)固定(ding)葉輪(lun)的主(zhu)要結(jie)構,它(ta)們均(jun)會對(dui)流量(liang)計的(de)性能(neng)産生(sheng)影響(xiang)。因此(ci),以TM80氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)爲對(dui)象,采(cai)用數(shu)值模(mo)拟與(yu)實驗(yan)測試(shi)相結(jie)合的(de)方式(shi),研究(jiu)流量(liang)計内(nei)部的(de)流場(chang)特.征(zheng)，提出(chu)針對(dui)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體的(de)結構(gou)優化(hua)方案(an)，進而(er)評估(gu)優化(hua)前後(hou)流量(liang)計的(de)性能(neng)指标(biao),探索(suo)出提(ti)高流(liu)量計(ji)計量(liang)性能(neng)的方(fang)法。
1流(liu)量計(ji)的物(wu)理模(mo)型與(yu)性能(neng)指标(biao)
1.1流量(liang)計的(de)物理(li)模型(xing)
　　以氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)爲研(yan)究對(dui)象,流(liu)量計(ji)的結(jie)構主(zhu)要由(you)前整(zheng)流器(qi)、前導(dao)流體(ti)、葉輪(lun)、表芯(xin)支座(zuo)、後導(dao)流體(ti)以及(ji)殼體(ti)等組(zu)成,其(qi)物理(li)模型(xing)如圖(tu)1所示(shi)。流量(liang)計的(de)前整(zheng)流器(qi)采用(yong)葉栅(shan)結構(gou)，葉栅(shan)數爲(wei)16;前導(dao)流體(ti)由第(di)二級(ji)16片葉(ye)栅(與(yu)前整(zheng)流器(qi)葉栅(shan)呈11.5°夾(jia)角)和(he)80mm長的(de)圓柱(zhu)結構(gou)組成(cheng);表芯(xin)支座(zuo)用于(yu)固定(ding)葉輪(lun)，葉輪(lun)的葉(ye)片數(shu)爲12,螺(luo)旋角(jiao)爲45°;後(hou)導流(liu)體置(zhi)于葉(ye)輪之(zhi)後,用(yong)于穩(wen)定出(chu)口處(chu)的氣(qi)流。
 
 
　　氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理爲(wei):被測(ce)氣體(ti)從管(guan)道流(liu)入流(liu)量計(ji)，首先(xian)經過(guo)前整(zheng)流器(qi)和前(qian)導流(liu)體進(jin)行整(zheng)流,之(zhi)後氣(qi)流推(tui)動葉(ye)輪使(shi)之産(chan)生周(zhou)期性(xing)旋轉(zhuan),葉輪(lun)轉速(su)與被(bei)測流(liu)體的(de)平均(jun)流速(su)成正(zheng)比。葉(ye)輪旋(xuan)轉後(hou)帶動(dong)磁電(dian)轉換(huan)器，使(shi)其磁(ci)阻值(zhi)發生(sheng)變化(hua),在感(gan)應線(xian)圈中(zhong)産生(sheng)周期(qi)性變(bian)化的(de)感應(ying)電勢(shi),該信(xin)号經(jing)放大(da)器放(fang)大後(hou)送至(zhi)儀表(biao)盤顯(xian)示。
1.2流(liu)量計(ji)的性(xing)能指(zhi)标
　　根(gen)據氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)檢定(ding)規章(zhang)《JJG1037-2008》壓力(li)損失(shi)、儀表(biao)系數(shu)、線性(xing)度誤(wu)差等(deng)是衡(heng)量氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)計量(liang)性能(neng)的重(zhong)要指(zhi)标。
①壓(ya)力損(sun)失
　　壓(ya)力損(sun)失△P表(biao)征流(liu)體通(tong)過流(liu)量計(ji)的能(neng)量損(sun)失,降(jiang)低壓(ya)力損(sun)失能(neng)夠減(jian)少流(liu)量計(ji)在使(shi)用過(guo)程的(de)能耗(hao)氣體(ti)通過(guo)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)計算(suan)公式(shi)爲:
 
式(shi)中:α爲(wei)壓力(li)損失(shi)系數(shu);ρ爲氣(qi)流密(mi)度，單(dan)位爲(wei)kg/m3u爲氣(qi)流流(liu)速,單(dan)位爲(wei)m/s。
②儀表(biao)系數(shu)
　　儀表(biao)系數(shu)K是表(biao)征流(liu)量計(ji)測量(liang)準确(que)度和(he)量程(cheng)比的(de)關鍵(jian)性能(neng)指标(biao)。各流(liu)量點(dian)的儀(yi)表系(xi)數Ki與(yu)待測(ce)氣流(liu)體積(ji)流量(liang)Qi及流(liu)量計(ji)輸出(chu)脈沖(chong)頻率(lü)ƒ的關(guan)系式(shi)爲:
 
按(an)計量(liang)檢定(ding)規章(zhang)，儀表(biao)系數(shu)K可以(yi)由式(shi)(3)進行(hang)計算(suan):
 
　　式中(zhong):(K)max和(Ki)min分(fen)别表(biao)示流(liu)量計(ji)在分(fen)界流(liu)量maxmin點(dian)q,到最(zui)大流(liu)量點(dian)qmax範圍(wei)内各(ge)個流(liu)量檢(jian)定點(dian)得到(dao)Ki的最(zui)大值(zhi)和最(zui)小值(zhi)，單位(wei)爲(m3)-1。K越(yue)接近(jin)恒定(ding),表示(shi)流量(liang)計的(de)測量(liang)穩定(ding)性越(yue)高,進(jin)行流(liu)量轉(zhuan)換時(shi)的精(jing)度也(ye)越高(gao)。
③最大(da)示值(zhi)誤差(cha)E
　　爲了(le)定量(liang)表征(zheng)儀表(biao)系數(shu)的穩(wen)定性(xing)，引入(ru)最大(da)示值(zhi)誤差(cha)。根據(ju)計量(liang)檢定(ding)規章(zhang),最大(da)示值(zhi)誤差(cha)E可以(yi)由式(shi)(4)進行(hang)計算(suan):
 
　　在量(liang)程範(fan)圍内(nei)最大(da)示值(zhi)誤差(cha)越小(xiao)，表明(ming)流量(liang)計的(de)儀表(biao)系數(shu)越穩(wen)定,線(xian)性度(du)也就(jiu)越好(hao)。
2數值(zhi)模拟(ni)與實(shi)驗測(ce)試方(fang)法
2.1數(shu)值模(mo)拟方(fang)法
　　氣(qi)流在(zai)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計内(nei)部的(de)流動(dong)遵循(xun)流體(ti)力學(xue)的基(ji)本方(fang)程，即(ji)滿足(zu)流體(ti)運動(dong)的質(zhi)量守(shou)恒方(fang)程和(he)動量(liang)守恒(heng)方程(cheng)。質量(liang)守恒(heng)方程(cheng)和動(dong)量守(shou)恒方(fang)法表(biao)示爲(wei)：
 
　　式中(zhong):xi，xi爲空(kong)間坐(zuo)标分(fen)量，ui，uj爲(wei)流體(ti)流動(dong)速度(du)分量(liang):p爲靜(jing)壓，pij爲(wei)應力(li)張量(liang)ƒi爲體(ti)積力(li)分量(liang)。
　　由于(yu)流量(liang)計結(jie)構十(shi)分複(fu)雜,氣(qi)流在(zai)流量(liang)計内(nei)部的(de)運動(dong)往往(wang)呈現(xian)湍流(liu)狀态(tai)。爲了(le)實現(xian)對湍(tuan)流的(de)模拟(ni)，需要(yao)額外(wai)引入(ru)湍流(liu)模型(xing)。本文(wen)選取(qu)RNGk-ε模型(xing)作爲(wei)湍流(liu)模型(xing)，其湍(tuan)流動(dong)能h和(he)耗散(san)率ε的(de)輸運(yun)方程(cheng)表示(shi)爲:
 
　　式(shi)中:Gk表(biao)示平(ping)均速(su)度梯(ti)度所(suo)産生(sheng)的湍(tuan)流動(dong)能.αε，αk分(fen)别表(biao)示ε和(he)h的擴(kuo)散率(lü),C1ε、C2ε爲系(xi)數。
　　由(you)于氣(qi)流運(yun)動與(yu)葉輪(lun)旋轉(zhuan)存在(zai)相互(hu)作用(yong)，需要(yao)引入(ru)扭矩(ju)模型(xing)根據(ju)力矩(ju)平衡(heng)原理(li),葉輪(lun)旋轉(zhuan)的運(yun)動方(fang)程可(ke)以表(biao)示爲(wei):
 
　　式中(zhong):J爲葉(ye)輪慣(guan)性力(li)矩，單(dan)位爲(wei)kg·m2;dɷ/dt爲葉(ye)輪角(jiao)加速(su)度，單(dan)位爲(wei)rad/s2;M1爲流(liu)體對(dui)葉輪(lun)驅動(dong)力矩(ju);M2爲軸(zhou)承摩(mo)擦阻(zu)力矩(ju)，單位(wei)爲N·m;M3爲(wei)黏性(xing)阻力(li)矩，單(dan)位爲(wei)N·m;M4爲磁(ci)阻力(li)矩，單(dan)位爲(wei)N·m;t爲時(shi)間，單(dan)位爲(wei)s。
　　采用(yong)Fluent軟件(jian)求解(jie)流量(liang)計内(nei)部氣(qi)流的(de)運動(dong)方程(cheng)。爲了(le)消除(chu)管道(dao)進口(kou)段效(xiao)應對(dui)模拟(ni)結果(guo)的影(ying)響，在(zai)流量(liang)計的(de)進出(chu)口均(jun)增加(jia)了10D的(de)直管(guan)段(D爲(wei)機芯(xin)直徑(jing))。由于(yu)給定(ding)了流(liu)體的(de)體積(ji)流量(liang),進口(kou)采用(yong)速度(du)進口(kou)邊界(jie)條件(jian),進口(kou)平均(jun)速度(du)通過(guo)u=Qv/A确定(ding),方向(xiang)與進(jin)口直(zhi)管段(duan)截面(mian)垂直(zhi);出口(kou)爲大(da)氣壓(ya)，壁面(mian)采用(yong)無滑(hua)移邊(bian)界。爲(wei)了求(qiu)解葉(ye)輪旋(xuan)轉運(yun)動方(fang)程，把(ba)整個(ge)計算(suan)區域(yu)分解(jie)爲靜(jing)區域(yu)和葉(ye)輪旋(xuan)轉的(de)動區(qu)域，動(dong)區域(yu)和靜(jing)區域(yu)之間(jian)采用(yong)多重(zhong)參考(kao)模型(xing)(MRF)耦合(he)葉輪(lun)采用(yong)滑移(yi)邊界(jie)條件(jian)，與旋(xuan)轉區(qu)域具(ju)有相(xiang)同的(de)轉速(su)。葉輪(lun)旋轉(zhuan)區域(yu)與前(qian)後靜(jing)區域(yu)之間(jian)的表(biao)面定(ding)義爲(wei)interface邊界(jie),便于(yu)與其(qi)他流(liu)域進(jin)行信(xin)息交(jiao)換。
2.2測(ce)試方(fang)法
　　測(ce)試采(cai)用标(biao)準表(biao)法氣(qi)體流(liu)量标(biao)準裝(zhuang)置。實(shi)驗裝(zhuang)置主(zhu)要由(you)羅茨(ci)流量(liang)計、氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)、穩壓(ya)氣罐(guan)、氣動(dong)閥門(men)、氣泵(beng)和控(kong)制系(xi)統等(deng)組成(cheng)，如圖(tu)2所示(shi)。實驗(yan)通過(guo)遠程(cheng)操作(zuo)PLC設備(bei)，調節(jie)氣動(dong)閥門(men)的開(kai)度,實(shi)現對(dui)氣體(ti)體積(ji)流量(liang)的控(kong)制。羅(luo)茨流(liu)量計(ji)作爲(wei)标準(zhun)表,其(qi)工作(zuo)量程(cheng)爲0~250m3/h,流(liu)量控(kong)制精(jing)度爲(wei)0.5級。氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)作爲(wei)待測(ce)流量(liang)計，其(qi)測量(liang)精度(du)等級(ji)爲1級(ji)，工作(zuo)量程(cheng)爲13m3/h~250m3/h,量(liang)程比(bi)爲20:1。差(cha)壓計(ji)的兩(liang)個.測(ce)壓口(kou)分别(bie)安裝(zhuang)在待(dai)測流(liu)量計(ji)的前(qian)後直(zhi)管段(duan)3D處，其(qi)量程(cheng)範圍(wei)爲土(tu)3000Pa.測量(liang)精度(du)等級(ji)爲1級(ji)。氣泵(beng)與氣(qi)動閥(fa)門相(xiang)連，能(neng)夠産(chan)生相(xiang)對穩(wen)定的(de)負壓(ya)。根據(ju)國家(jia)計量(liang)檢定(ding)标準(zhun)，氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計需(xu)檢定(ding)13m3/h、50m3/h、100m3/h和250m3/h等(deng)特征(zheng)流量(liang)點。每(mei)個流(liu)量點(dian)進行(hang)多次(ci)測量(liang),實驗(yan)結果(guo)得到(dao)标準(zhun)表和(he)被測(ce)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)、脈沖(chong)數、體(ti)積流(liu)量以(yi)及單(dan)流量(liang)點的(de)測量(liang)時間(jian)，數據(ju)處理(li)後得(de)到儀(yi)表系(xi)數和(he)最大(da)示值(zhi)誤差(cha)等指(zhi)标，進(jin)而評(ping)估氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的計(ji)量性(xing)能。
 
3結(jie)果分(fen)析與(yu)讨論(lun)
3.1方法(fa)驗證(zheng)
　　根據(ju)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)結構(gou)設計(ji)圖紙(zhi)，運用(yong)SolidWorks軟件(jian)對各(ge)部分(fen)零件(jian)進行(hang)組裝(zhuang)建模(mo)，将建(jian)好的(de)模型(xing)導入(ru)ANSYSWorkBench進行(hang)網格(ge)劃分(fen)。采用(yong)分塊(kuai)化方(fang)法劃(hua)分網(wang)格，直(zhi)管段(duan)采用(yong)結構(gou)化網(wang)格;由(you)于葉(ye)輪和(he)後導(dao)流體(ti)的結(jie)構更(geng)爲複(fu)雜,采(cai)用非(fei)結構(gou)混合(he)網格(ge)，并對(dui)其進(jin)行細(xi)化處(chu)理，最(zui)後進(jin)行網(wang)格無(wu)關性(xing)驗證(zheng)，如圖(tu)3所示(shi)。當網(wang)格數(shu)量爲(wei)580萬與(yu)670萬時(shi),兩者(zhe)的壓(ya)力損(sun)失相(xiang)差僅(jin)爲21Pa，故(gu)本文(wen)選取(qu)580萬網(wang)格數(shu)量進(jin)行後(hou)面的(de)數值(zhi)模拟(ni)研究(jiu)。
 
　　爲了(le)驗證(zheng)模拟(ni)方法(fa)的可(ke)靠性(xing),本文(wen)比較(jiao)了氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在13m3/h~250m3/h範(fan)圍内(nei)11個流(liu)量點(dian)的壓(ya)力損(sun)失,這(zhe)些流(liu)量點(dian)包含(han)了國(guo)家計(ji)量檢(jian)定标(biao)準的(de)4個特(te)征流(liu)量點(dian),符合(he)實際(ji)的流(liu)量檢(jian)測要(yao)求。由(you)圖4可(ke)知:在(zai)全量(liang)程範(fan)圍内(nei)，流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失的(de)模拟(ni)結果(guo)與實(shi)驗結(jie)果十(shi)分吻(wen)合,誤(wu)差僅(jin)在0~6%範(fan)圍内(nei)波動(dong),證實(shi)了所(suo)采用(yong)的數(shu)值模(mo)拟方(fang)法和(he)實驗(yan)測試(shi)方法(fa)的可(ke)靠性(xing)和準(zhun)确性(xing),爲後(hou)面流(liu)量計(ji)的結(jie)構改(gai)進和(he)性能(neng)優化(hua)奠定(ding)了基(ji)礎。
 
3.2流(liu)量計(ji)内部(bu)特征(zheng)分析(xi)
　　爲了(le)獲得(de)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計結(jie)構改(gai)進思(si)路，首(shou)先對(dui)優化(hua)前流(liu)量計(ji)内部(bu)流場(chang)進行(hang)數值(zhi)模拟(ni)。通過(guo)在葉(ye)輪旋(xuan)轉中(zhong)心截(jie)取水(shui)平剖(pou)面，得(de)到流(liu)場的(de)壓力(li)場和(he)速度(du)場雲(yun)圖。本(ben)文選(xuan)取流(liu)量點(dian)50m3/h、250m3/h作爲(wei)分析(xi)對象(xiang),對流(liu)量計(ji)内部(bu)的流(liu)場特(te)征進(jin)行定(ding)量研(yan)究。
　　由(you)圖5(a)可(ke)知:當(dang)流量(liang)爲50m3/h時(shi)，流量(liang)計進(jin)出口(kou)的總(zong)壓力(li)損失(shi)約爲(wei)71.4Pa。由于(yu)受到(dao)前整(zheng)流器(qi)和前(qian)導流(liu)體的(de)阻擋(dang)作用(yong)，前導(dao)流體(ti)迎風(feng)面壓(ya)力梯(ti)度與(yu)流動(dong)方向(xiang)相反(fan),邊界(jie)層發(fa)生分(fen)離現(xian)象,造(zao)成能(neng)量損(sun)失。在(zai)表芯(xin)支座(zuo)側面(mian),壓力(li)從35.7Pa急(ji)劇減(jian)至13.2Pa;在(zai)近壁(bi)面處(chu)出現(xian)了負(fu)壓區(qu)，導緻(zhi)氣流(liu)運動(dong)紊亂(luan)。流量(liang)計的(de)出口(kou)處出(chu)現了(le)明顯(xian)的負(fu)壓區(qu)，最大(da)負壓(ya)值約(yue)爲-14.5Pa,此(ci)處壓(ya)力梯(ti)度與(yu)流體(ti)流動(dong)方向(xiang)相反(fan)，且等(deng)壓線(xian)分布(bu)混亂(luan)，流場(chang)壓力(li)分布(bu)非常(chang)不均(jun)勻,大(da)大增(zeng)加了(le)流動(dong)的能(neng)量損(sun)失。
 
　　由(you)圖5(b)可(ke)知:流(liu)體經(jing)過表(biao)芯支(zhi)座時(shi)，流道(dao)截面(mian)突縮(suo)，流體(ti)速度(du)從2.95m/s迅(xun)速增(zeng)至7.9m/s。由(you)于表(biao)芯支(zhi)座結(jie)構的(de)特殊(shu)性,經(jing)過的(de)流體(ti)無法(fa)以垂(chui)直角(jiao)度沖(chong)擊葉(ye)輪,使(shi)得用(yong)葉輪(lun)轉速(su)計算(suan)得到(dao)的流(liu)量與(yu)實際(ji)流量(liang)存在(zai)較大(da)偏差(cha)，降低(di)了流(liu)量計(ji)的精(jing)度。流(liu)體流(liu)出葉(ye)輪後(hou),由于(yu)後導(dao)流體(ti)直徑(jing)大于(yu)葉輪(lun)輪毂(gu)直徑(jing)，流道(dao)截面(mian)繼續(xu)縮小(xiao),氣流(liu)速度(du)繼續(xu)增加(jia)。後導(dao)流體(ti)出口(kou)處速(su)度梯(ti)度大(da)，當流(liu)體有(you)旋運(yun)動與(yu)壁面(mian)分離(li)時，出(chu)現了(le)明顯(xian)的回(hui)流現(xian)象和(he)尾迹(ji)區域(yu)。受流(liu)體粘(zhan)性的(de)影響(xiang)，尾迹(ji)中旋(xuan)渦的(de)動能(neng)逐漸(jian)轉換(huan)成熱(re)能進(jin)一步(bu)耗散(san),增加(jia)了能(neng)量損(sun)失。
　　圖(tu)5(c,d)表示(shi)流量(liang)爲250m3/h時(shi)流量(liang)計内(nei)部流(liu)體的(de)壓力(li)雲圖(tu)和速(su)度雲(yun)圖。随(sui)着流(liu)量的(de)增加(jia),流量(liang)計内(nei)部流(liu)體的(de)湍流(liu)性質(zhi)更加(jia)明顯(xian)。流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)明顯(xian)增加(jia),壓力(li)損失(shi)約爲(wei)1390.5Pa。此時(shi),表芯(xin)支座(zuo)處的(de)壓力(li)梯度(du)變化(hua)更加(jia)明顯(xian);後導(dao)流體(ti)下遊(you)區域(yu)的流(liu)場更(geng)加紊(wen)亂，回(hui)流現(xian)象加(jia)劇，尾(wei)迹範(fan)圍明(ming)顯擴(kuo)大。
　　上(shang)述模(mo)拟結(jie)果給(gei)予我(wo)們重(zhong)要提(ti)示:表(biao)芯支(zhi)座和(he)後導(dao)流體(ti)的結(jie)構對(dui)流量(liang)計性(xing)能的(de)影響(xiang)非常(chang)明顯(xian)，可以(yi)通過(guo)改進(jin)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體的(de)結構(gou)達到(dao)提高(gao)流.量(liang)計性(xing)能的(de)目的(de)。在表(biao)芯支(zhi)座的(de)優化(hua)中，可(ke)以從(cong)減少(shao)側面(mian)區域(yu)壓力(li)梯度(du)驟變(bian)的角(jiao)度考(kao)慮。在(zai)後導(dao)流體(ti)的優(you)化中(zhong),可以(yi)從穩(wen)定流(liu)場、減(jian)弱回(hui)流，縮(suo)小負(fu)壓區(qu)和尾(wei)迹範(fan)圍的(de)方向(xiang)思考(kao)。
3.3流量(liang)計結(jie)構改(gai)進方(fang)案
　　基(ji)于流(liu)量計(ji)流場(chang)特征(zheng)的分(fen)析,将(jiang)原來(lai)的表(biao)芯支(zhi)座和(he)後導(dao)流體(ti)結構(gou)進行(hang)改進(jin)設計(ji)。首先(xian)，表芯(xin)支座(zuo)迎風(feng)面一(yi)側的(de)直徑(jing)從64mm縮(suo)減至(zhi)50mm,如圖(tu)6(a-b)所示(shi),運用(yong)所形(xing)成的(de)18.5°坡度(du)來減(jian)緩流(liu)體的(de)壓力(li)梯度(du)變化(hua)，從而(er)減少(shao)流量(liang)計的(de)壓力(li)損失(shi)。其次(ci).對後(hou)導流(liu)體的(de)直徑(jing)進行(hang)縮減(jian)，如圖(tu)6(d)~圖6(e)所(suo)示，直(zhi)徑從(cong)原來(lai)的66mm減(jian)至62mm,以(yi)減小(xiao)對流(liu)出葉(ye)輪流(liu)體的(de)阻礙(ai)。最後(hou),運用(yong)3D打印(yin)技術(shu)，制作(zuo)優化(hua)後的(de)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體模(mo)型成(cheng)品，如(ru)圖6(c)、圖(tu)6(f)所示(shi)。
 
3.4流量(liang)計性(xing)能指(zhi)标評(ping)價
　　爲(wei)驗證(zheng)改進(jin)方案(an)的可(ke)行性(xing)，對改(gai)進模(mo)型進(jin)行仿(pang)真，從(cong)流場(chang)的角(jiao)度分(fen)析其(qi)優化(hua)效果(guo)。流量(liang)點同(tong)樣選(xuan)取50m3/h、250m3/h作(zuo)爲分(fen)析對(dui)象，流(liu)量計(ji)内部(bu)流場(chang)特征(zheng)如圖(tu)7所示(shi)。從結(jie)構整(zheng)體優(you)化的(de)模拟(ni)結果(guo)可以(yi)看出(chu):由于(yu)改變(bian)了表(biao)芯支(zhi)座的(de)坡度(du)使得(de)氣流(liu)更加(jia)平緩(huan)，其迎(ying)風面(mian)高壓(ya)區減(jian)小，側(ce)面的(de)負壓(ya)區消(xiao)失,壓(ya)力梯(ti)度驟(zhou)變的(de)情況(kuang)得到(dao)緩解(jie);後導(dao)流體(ti)下遊(you)區域(yu)流場(chang)紊亂(luan)的現(xian)象也(ye)得到(dao)明顯(xian)改善(shan)，壓力(li)分布(bu)變得(de)更均(jun)勻;尾(wei)迹區(qu)域的(de)面積(ji)減小(xiao),尾迹(ji)耗散(san)引起(qi)的能(neng)量降(jiang)低;流(liu)量計(ji)出口(kou)處的(de)壓力(li)梯度(du)變化(hua)更均(jun)勻,後(hou)導流(liu)體的(de)導流(liu)效果(guo)明顯(xian)提升(sheng);總壓(ya)，力損(sun)失明(ming)顯降(jiang)低,在(zai)50m3/h流量(liang)點降(jiang)低了(le)約46.2%,在(zai)250m3/h流量(liang)點降(jiang)低了(le)約45.8%。
 
　　爲(wei)進一(yi)步驗(yan)證結(jie)構改(gai)進效(xiao)果，用(yong)優化(hua)後的(de)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體成(cheng)品模(mo)型代(dai)替原(yuan)模型(xing)中的(de)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體結(jie)構，安(an)裝進(jin)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計進(jin)行實(shi)驗測(ce)試。根(gen)據《渦(wo)輪流(liu)量計(ji)檢定(ding)規章(zhang)》,通過(guo)重複(fu)實驗(yan)獲得(de)多組(zu)實驗(yan)數據(ju),數據(ju)處理(li)後得(de)到流(liu)量計(ji)的壓(ya)，力損(sun)失、儀(yi)表系(xi)數、最(zui)大示(shi)值誤(wu)差等(deng)性能(neng)指标(biao)，進而(er)評價(jia)流量(liang)計的(de)結構(gou)優化(hua)效果(guo)及其(qi)計量(liang)性能(neng)。表1所(suo)示爲(wei)實驗(yan)測試(shi)的數(shu)據處(chu)理結(jie)果。
 
　　首(shou)先,對(dui)結構(gou)優化(hua)前後(hou)流量(liang)計壓(ya)力損(sun)失的(de)實驗(yan)結果(guo)進行(hang)分析(xi)。圖8表(biao)示原(yuan)模型(xing)、優化(hua)表芯(xin)支座(zuo)模型(xing)、優化(hua)後導(dao)流體(ti)模型(xing)，以及(ji)整體(ti)優化(hua)模型(xing)的壓(ya)力損(sun)失随(sui)着流(liu)量變(bian)化的(de)規律(lü)。随着(zhe)流量(liang)的增(zeng)大，所(suo)有流(liu)量計(ji)模型(xing)的壓(ya)力損(sun)失均(jun)呈明(ming)顯增(zeng)大趨(qu)勢。兩(liang)個結(jie)構優(you)化方(fang)案均(jun)對壓(ya)力損(sun)失的(de)降低(di)起到(dao)了作(zuo)用，當(dang)流量(liang)爲250m3/h時(shi)，整體(ti)優化(hua)模型(xing)将壓(ya)力損(sun)失降(jiang)低至(zhi).749.8Pa,降低(di)幅度(du)約42.6%,有(you)效地(di)減少(shao)流量(liang)計在(zai)使用(yong)過程(cheng)的能(neng)耗，提(ti)高了(le)流量(liang)計的(de)性能(neng)。
　　根據(ju)實驗(yan)測試(shi)數據(ju),運用(yong)式(2)、式(shi)(3)，計算(suan)得到(dao)了流(liu)量計(ji)的儀(yi)表系(xi)數K。圖(tu)9所示(shi)爲結(jie)構優(you)化前(qian)後流(liu)量計(ji)儀表(biao)系數(shu)随着(zhe)流量(liang)的變(bian)化規(gui)律。在(zai)小流(liu)量情(qing)況下(xia)(0~50m3/h),儀表(biao)系數(shu)起伏(fu)很明(ming)顯,這(zhe)主要(yao)由于(yu)流量(liang)計受(shou)葉輪(lun)慣性(xing)力、流(liu)體阻(zu)力以(yi)及機(ji)械阻(zu)力等(deng)因素(su)的影(ying)響而(er)造成(cheng);相對(dui)而言(yan)整體(ti)優化(hua)模型(xing)的儀(yi)表系(xi)數較(jiao)好。在(zai)大流(liu)量情(qing)況下(xia)(50m3/h~250m3/h)，四個(ge)模型(xing)的儀(yi)表系(xi)數都(dou)較爲(wei)平整(zheng);相對(dui)于原(yuan)模型(xing),三種(zhong)優化(hua)模型(xing)的儀(yi)表系(xi)數都(dou)更趨(qu)于恒(heng)定,這(zhe)表明(ming)優化(hua)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體結(jie)構可(ke)以提(ti)高流(liu)量計(ji)測量(liang)的精(jing)度。
　　爲(wei)了定(ding)量表(biao)征儀(yi)表系(xi)數的(de)穩定(ding)性，根(gen)據式(shi)(4)，文章(zhang)計算(suan)得到(dao)了流(liu)量計(ji)的最(zui)大示(shi)值誤(wu)差。由(you)表1可(ke)知:優(you)化後(hou)導流(liu)體後(hou)流量(liang)計的(de)最大(da)示值(zhi)誤差(cha)降至(zhi)0.242%，降低(di)了約(yue)17.7%。優化(hua)表芯(xin)支座(zuo)不能(neng)明顯(xian)降低(di)流量(liang)計的(de)最大(da)示值(zhi)誤差(cha)，其線(xian)性度(du)誤差(cha)約爲(wei)0.283%。在同(tong)時優(you)化表(biao)芯支(zhi)座和(he)後導(dao)流體(ti)的情(qing)況下(xia)，最大(da)示值(zhi)誤差(cha)明顯(xian)減小(xiao)，降幅(fu)約爲(wei)22.45%。這表(biao)明本(ben)文所(suo)提出(chu)的優(you)化方(fang)案可(ke)以明(ming)顯提(ti)升流(liu)量計(ji)儀表(biao)系數(shu)的穩(wen)定性(xing)。
 
結論(lun)
　　采用(yong)CFD數值(zhi)模拟(ni)方法(fa)，氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計内(nei)部的(de)流場(chang)特征(zheng)，進而(er)提出(chu)了關(guan)于流(liu)量計(ji)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體的(de)結構(gou)優化(hua)方案(an)。基于(yu)标準(zhun)表法(fa)實驗(yan)測試(shi)技術(shu)，比較(jiao)分析(xi)了結(jie)構優(you)化前(qian)後流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失、儀(yi)表系(xi)數以(yi)及線(xian)性度(du)誤差(cha)等性(xing)能指(zhi)标。研(yan)究結(jie)果如(ru)下:
①數(shu)值結(jie)果表(biao)明:表(biao)芯支(zhi)座側(ce)面的(de)壓力(li)梯度(du)驟變(bian)和後(hou)導流(liu)體尾(wei)部的(de)回流(liu)和尾(wei)流特(te)征是(shi)影響(xiang)氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計性(xing)能的(de)主要(yao)因素(su)。
②實驗(yan)結果(guo)表明(ming):對表(biao)芯支(zhi)座和(he)後導(dao)流體(ti)結構(gou)單獨(du)優化(hua)後，氣(qi)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)的壓(ya)力損(sun)失分(fen)别降(jiang)低約(yue)24.2%和17.8%、最(zui)大示(shi)值誤(wu)差分(fen)别降(jiang)低約(yue)17.7%和3.7%。
③對(dui)表芯(xin)支座(zuo)和後(hou)導流(liu)體整(zheng)體優(you)化後(hou),氣體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計的(de)性能(neng)得到(dao)了進(jin)一步(bu)提高(gao)，總的(de)壓力(li)損失(shi)降低(di)約43.61%,總(zong)的最(zui)大示(shi)值誤(wu)差減(jian)小約(yue)22.45%

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