[摘要(yao)] 渦輪(lun)流量(liang)計 性(xing)能會(hui)随着(zhe)被測(ce)流體(ti)粘度(du)的增(zeng)大而(er)變差(cha)，爲了(le)降🈲低(di)介質(zhi)粘㊙️度(du)對渦(wo)輪性(xing)能的(de)影響(xiang)，采用(yong)計算(suan)流體(ti)力學(xue)CFD)仿真(zhen)的方(fang)法，通(tong)過适(shi)當地(di)增大(da)頂端(duan)間隙(xi)，實現(xian)了對(dui)液體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計 參(can)數的(de)定量(liang)優化(hua)，并從(cong)葉輪(lun)尾部(bu)流場(chang)、葉片(pian)表面(mian)壓力(li)場及(ji)葉輪(lun)受力(li)情況(kuang)等方(fang)面分(fen)析了(le)不同(tong)的葉(ye)輪頂(ding)端問(wen)隙對(dui)葉👣輪(lun)性能(neng)産生(sheng)影響(xiang)的機(ji)理。
　　液(ye)體渦(wo)輪流(liu)量計(ji)具有(you)測量(liang)精度(du)高、量(liang)程寬(kuan)、壓損(sun)小、輸(shu)出⛹🏻‍♀️脈(mo)沖❌信(xin)号、重(zhong)複性(xing)和動(dong)态響(xiang)應好(hao)等多(duo)種優(you)點。在(zai)用于(yu)低粘(zhan)度液(ye)體😄流(liu)量測(ce)量時(shi)，在相(xiang)當寬(kuan)的流(liu)量範(fan)圍内(nei)，其測(ce)量精(jing)度可(ke)達0.5%~0.15%，重(zhong)複性(xing)可達(da)0.1%~0.05%。缺點(dian)在于(yu)儀表(biao)系數(shu)受被(bei)測流(liu)體👣粘(zhan)度變(bian)化的(de)影響(xiang)較大(da)。一般(ban)來👨‍❤️‍👨說(shuo)，粘度(du)變化(hua)對線(xian)性.特(te)性的(de)影響(xiang)随着(zhe)流量(liang)計口(kou)徑🛀的(de)減小(xiao)而增(zeng)🌈大。目(mu)前，國(guo).内渦(wo)輪🈲流(liu)量計(ji)出廠(chang)時，一(yi)般都(dou)是用(yong)水或(huo)粘度(du)比較(jiao)低的(de)柴油(you)進行(hang)檢定(ding)，但很(hen)多使(shi)用者(zhe)卻用(yong)其來(lai)測量(liang)液壓(ya)油、潤(run)滑油(you)等中(zhong)粘度(du)甚📐至(zhi)高粘(zhan)度🏃🏻‍♂️液(ye)體的(de)流量(liang)。這就(jiu)迫📱切(qie)要求(qiu)提高(gao)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)測量(liang)粘性(xing)介質(zhi)時的(de)精度(du)。
　　通過(guo)改變(bian)葉輪(lun)葉片(pian)頂端(duan)間隙(xi)來實(shi)現渦(wo)輪的(de)優化(hua)📱在.以(yi)往的(de)文獻(xian)口.四(si)中已(yi)有出(chu)現，但(dan)如何(he)進行(hang)定量(liang)的優(you)化及(ji)改變(bian)頂端(duan)間隙(xi)會對(dui)渦輪(lun)的性(xing)能造(zao)成多(duo)大的(de)影響(xiang)等，卻(que)仍需(xu)作⚽進(jin)一步(bu)的研(yan)究。
　　通(tong)過對(dui)不同(tong)葉輪(lun)頂隙(xi)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)進行(hang)計算(suan)流體(ti)力學(xue)CFD)仿真(zhen)四，當(dang)流體(ti)粘度(du)爲9.1cSt時(shi)，渦輪(lun)的線(xian)性度(du)誤差(cha)由0.987%減(jian)小至(zhi)0.014%;當流(liu)體粘(zhan)度爲(wei)31.6eSt時，渦(wo)輪的(de)線性(xing)度誤(wu)差由(you)5.568%減小(xiao)至3.693%。
1渦(wo)輪流(liu)量計(ji)CFD仿真(zhen)方法(fa)
1.1三維(wei)仿真(zhen)模型(xing)建立(li)
　　以DN10渦(wo)輪流(liu)量傳(chuan)感器(qi)爲例(li)進行(hang)研究(jiu)，按照(zhao)實驗(yan)所用(yong)渦輪(lun)🙇‍♀️流量(liang)傳感(gan)器的(de)幾何(he)結構(gou)參數(shu)建立(li)仿真(zhen)模型(xing)，如圖(tu)🏒1所示(shi)。在渦(wo)輪前(qian)後分(fen)🛀别增(zeng)加10D的(de)直管(guan)段以(yi)模拟(ni)實流(liu)實驗(yan)中的(de)流動(dong)狀态(tai)。

1.2網(wang)格劃(hua)分
　　對(dui)模型(xing)的網(wang)格劃(hua)分是(shi)仿真(zhen)的關(guan)鍵。網(wang)格質(zhi)量直(zhi)接㊙️影(ying)響🌈仿(pang)真的(de)👌求解(jie)過程(cheng)和結(jie)果，若(ruo)所劃(hua)網格(ge)質量(liang)太差(cha)，在🏃‍♀️後(hou)續的(de)仿真(zhen)過🌈程(cheng)中會(hui)産生(sheng)很多(duo)問題(ti)，減小(xiao)收斂(lian)速度(du)，影響(xiang)求解(jie)結果(guo)的準(zhun)确⁉️性(xing)。在既(ji)保證(zheng)網格(ge)質量(liang)又控(kong)制網(wang)格數(shu)量的(de)條件(jian)下，對(dui)網格(ge)進行(hang)如下(xia)的劃(hua)分。
　　葉(ye)輪處(chu)結構(gou)較爲(wei)複雜(za)，所以(yi)在網(wang)格劃(hua)分時(shi)采用(yong)四面(mian)體網(wang)格，其(qi)intervalsize爲0.12。在(zai)葉輪(lun)兩側(ce)定義(yi)了interface面(mian)，以聯(lian)接葉(ye)輪轉(zhuan)動區(qu)域和(he)其它(ta)靜止(zhi)區❌城(cheng)。網格(ge)質量(liang)指标(biao)EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均(jun)小于(yu)0.82.
1.3參數(shu)設定(ding)
　　選取(qu)SSTk-w湍流(liu)模型(xing)，對流(liu)體特(te)性及(ji)邊界(jie)條件(jian)等都(dou)嚴格(ge)按照(zhao)實流(liu)實驗(yan)進行(hang)設置(zhi)，并采(cai)用多(duo)參考(kao)坐标(biao)系的(de)⭕方法(fa)解決(jue)轉動(dong)的流(liu)體區(qu)域流(liu)場變(bian)化問(wen)題。通(tong)過監(jian)測葉(ye)輪及(ji)輪毂(gu)的力(li)矩，并(bing)根據(ju)⛱️驅動(dong)力矩(ju)與阻(zu)力.矩(ju)💞的差(cha)值對(dui)☂️葉輪(lun)轉速(su)🌈大小(xiao)進行(hang)調節(jie)，當力(li)💛矩系(xi)數Cm值(zhi)達到(dao)10-9時，認(ren)爲葉(ye)輪所(suo)受力(li)✏️矩達(da)到平(ping)衡💘，則(ze)此時(shi)的葉(ye)🔞輪轉(zhuan)速即(ji)爲合(he)适的(de)轉速(su)。.
2葉輪(lun)頂端(duan)間隙(xi)影響(xiang)的仿(pang)真
2.1頂(ding)端間(jian)隙影(ying)響的(de)理論(lun)依據(ju)
　　當流(liu)體在(zai)管道(dao)内部(bu)流動(dong)時，渦(wo)輪流(liu)量計(ji)同時(shi)受到(dao)驅動(dong)💁力矩(ju)及阻(zu)力矩(ju)的作(zuo)用。其(qi)中阻(zu)力矩(ju)主要(yao)包括(kuo)粘性(xing)📱摩擦(ca)阻力(li)矩、機(ji)械摩(mo)擦阻(zu)力矩(ju)和磁(ci)阻力(li)矩等(deng)。而在(zai)測量(liang)粘性(xing)流體(ti)時機(ji)械摩(mo)💋擦阻(zu)力矩(ju)和磁(ci)阻力(li)⭕矩可(ke)以忽(hu)略不(bu)計。葉(ye)片邊(bian)緣與(yu)殼體(ti)内壁(bi)之間(jian)充滿(man)了流(liu)體，因(yin)此這(zhe)一形(xing)式的(de)摩擦(ca)阻力(li)實際(ji)上是(shi)由流(liu)體與(yu)固體(ti)壁面(mian)之間(jian)由于(yu)存在(zai)着相(xiang)對運(yun)動而(er)引起(qi)☎️的粘(zhan)性摩(mo)擦阻(zu)力。但(dan)是由(you)于其(qi)間隙(xi)相當(dang)小，因(yin)此流(liu)體在(zai)這一(yi)狹小(xiao)間隙(xi)中的(de)流動(dong)始終(zhong)認爲(wei)👈是處(chu)在層(ceng)流流(liu)動狀(zhuang)态，從(cong)而可(ke)直接(jie)應用(yong)🔆納維(wei)埃一(yi)斯托(tuo)克斯(si)方程(cheng)對流(liu)場求(qiu)解♉。

　　式(shi)中:T1爲(wei)葉片(pian)頂端(duan)與傳(chuan)感器(qi)外殼(ke)内壁(bi)之間(jian)的粘(zhan)性摩(mo)擦阻(zu)力矩(ju)，n·m;r,爲葉(ye)片頂(ding)端處(chu)半徑(jing)，m;r。爲流(liu)量計(ji)殼體(ti)内壁(bi)半徑(jing)，m;C爲葉(ye)片寬(kuan)，m;ρ爲流(liu)體密(mi)度，kg/m';v爲(wei)流體(ti)運動(dong)粘度(du)，m2/s;0爲葉(ye)輪旋(xuan)轉角(jiao)速度(du)，rad/s。由(1)式(shi)可以(yi)看出(chu)，通過(guo)✔️減小(xiao)r,即葉(ye)片頂(ding)端處(chu)半徑(jing)可以(yi)減小(xiao)粘性(xing)摩擦(ca)阻力(li)矩。
　　雖(sui)然葉(ye)片頂(ding)端間(jian)隙的(de)增大(da)可以(yi)減小(xiao)T1的數(shu)值，增(zeng)加葉(ye)⚽輪轉(zhuan)🔞速🐪，降(jiang)低渦(wo)輪對(dui)流體(ti)粘性(xing)的敏(min)感程(cheng)度，但(dan)是由(you)于随(sui)着頂(ding)隙的(de)增大(da)，漏⛱️流(liu)也增(zeng)大，這(zhe)會給(gei)測量(liang)的精(jing)度帶(dai)來影(ying)響，因(yin)此要(yao)兼顧(gu)兩💃者(zhe)以達(da)到平(ping)衡。
2.2仿(pang)真數(shu)據
通(tong)常采(cai)用葉(ye)片頂(ding)端間(jian)隙與(yu)管道(dao)半徑(jing)之比(bi)δ對頂(ding)端🌈間(jian)隙進(jin)行無(wu)量綱(gang)化

　　選(xuan)擇了(le)運動(dong)粘度(du)分别(bie)爲9.1cSt、31.6eSt的(de)柴油(you)-機油(you)混合(he)液，對(dui)不同(tong)頂端(duan)間隙(xi)的渦(wo)輪流(liu)量計(ji)進行(hang)仿真(zhen)，仿真(zhen)結果(guo)如表(biao)1所示(shi)。從表(biao)中數(shu)據可(ke)以看(kan)出，渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在測(ce)量時(shi)，一般(ban)在小(xiao)流量(liang)點處(chu)的儀(yi)表系(xi)數會(hui)小于(yu)大流(liu)量點(dian)處的(de)儀🐉表(biao)系數(shu)，這是(shi)造成(cheng)線✂️性(xing)度誤(wu)差💔的(de)原因(yin)。對于(yu)相同(tong)粘度(du)的流(liu)體，在(zai)相同(tong)流速(su)時，随(sui)着頂(ding)端間(jian)隙㊙️的(de)增大(da),渦輪(lun)流♊量(liang)計的(de)旋轉(zhuan)角速(su)度增(zeng)大，相(xiang)應的(de)儀表(biao)系數(shu)也增(zeng)大。而(er)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)測量(liang)粘性(xing)流體(ti)時主(zhu)要受(shou)影響(xiang)的是(shi)在小(xiao)流量(liang)點，頂(ding)端間(jian)隙增(zeng)大後(hou)，渦輪(lun)在小(xiao)流量(liang)點處(chu)的儀(yi)表系(xi)數相(xiang)對于(yu)大流(liu)量點(dian)得到(dao)了更(geng)大的(de)提高(gao),故減(jian)小了(le)線性(xing)度誤(wu)差。即(ji)對于(yu)同一(yi)介質(zhi)粘度(du)，渦輪(lun)流量(liang)計的(de)儀表(biao)系數(shu)受流(liu)量變(bian)化的(de)影響(xiang)在減(jian)小。

3頂(ding)端間(jian)隙影(ying)響的(de)機理(li)分析(xi)
　　通過(guo)分析(xi)渦輪(lun)流量(liang)傳感(gan)器内(nei)部的(de)速度(du)場和(he)壓力(li)場變(bian)🏃化以(yi)及葉(ye)片受(shou)力情(qing)況等(deng)，可以(yi)理解(jie)在測(ce)量粘(zhan)🌈性流(liu)體時(shi)頂端(duan)💯間隙(xi)變化(hua)對流(liu)量傳(chuan)感器(qi)特性(xing)産生(sheng)🔞影響(xiang)的流(liu)體力(li)學機(ji)理。
3.1速(su)度場(chang)分析(xi)
　　圖2爲(wei)渦輪(lun)葉片(pian)尾部(bu)流體(ti)速度(du)矢量(liang)圖，灰(hui)色部(bu)分爲(wei)🤩葉🈚片(pian)♋。可以(yi)看出(chu)在葉(ye)片的(de)尾部(bu)，流體(ti)出現(xian)了流(liu)動分(fen)離。靠(kao)近葉(ye)🔅輪的(de)流體(ti)，其速(su)✊度可(ke)以認(ren)爲與(yu)葉輪(lun)的轉(zhuan)速相(xiang)同👌，葉(ye)輪的(de)轉速(su)越慢(man)，其尾(wei)部的(de)低流(liu)速區(qu)越大(da)。

　　比較(jiao)圖3(a)和(he)圖3(b)、圖(tu)4(a)和圖(tu)4(b)，可以(yi)看出(chu)當流(liu)體粘(zhan)度一(yi)定時(shi)，流量(liang)越大(da)，葉🏃‍♀️輪(lun)的尾(wei)部低(di)流速(su)區越(yue)小。當(dang)頂端(duan)間隙(xi)❤️由0.2mm增(zeng)加:至(zhi)0.5mm時，對(dui)于相(xiang)同粘(zhan)度的(de)流體(ti)和相(xiang)同的(de)流量(liang)⚽點，葉(ye)輪尾(wei)部低(di)流速(su)區變(bian)小，表(biao)明葉(ye)輪📱旋(xuan)轉角(jiao)速度(du)增大(da)，即儀(yi)🍓表系(xi)數變(bian)大。但(dan)在小(xiao)流量(liang)點處(chu)，低流(liu)速區(qu)🔅的相(xiang)對變(bian)化較(jiao)之于(yu)大流(liu)量點(dian)處要(yao)大，即(ji)小流(liu)量點(dian)⭐處葉(ye)輪轉(zhuan)速的(de)相對(dui)變化(hua)比大(da)流量(liang)點處(chu)要大(da)，則儀(yi)表系(xi)數的(de)☁️增加(jia)值相(xiang)對也(ye)大，故(gu)渦輪(lun)的線(xian)性度(du)誤差(cha)減⭕小(xiao)。

3.2壓力(li)場分(fen)析
　　比(bi)較圖(tu)5(a)和圖(tu)5(b)、圖6中(zhong)的圖(tu)6(a)和圖(tu)6(b)，可以(yi)看出(chu)，對于(yu)相同(tong)粘度(du)的流(liu)體，随(sui)着流(liu)量的(de)增大(da)，高壓(ya)區的(de)面積(ji)變大(da)，且向(xiang)葉片(pian)的⁉️尾(wei)部和(he)頂端(duan)移動(dong)，緻使(shi)葉片(pian)所受(shou)驅動(dong)力矩(ju)增加(jia)，葉輪(lun)旋轉(zhuan)角速(su)度增(zeng)大。對(dui)于相(xiang)同粘(zhan)度的(de)流體(ti)在相(xiang)同的(de)流量(liang)點處(chu)，頂端(duan)間隙(xi)由0.2mm增(zeng)大至(zhi)0.5mm時，比(bi)較🏒圖(tu)5和圖(tu)6可以(yi)看出(chu)，葉片(pian)表面(mian)的高(gao)壓區(qu)面積(ji)變大(da)，且向(xiang)葉片(pian)的尾(wei)部⚽和(he)頂端(duan)移動(dong)，緻使(shi)葉輪(lun)所受(shou)驅動(dong)力矩(ju)增加(jia)，而由(you)圖7和(he)圖8可(ke)以看(kan)出葉(ye)片尾(wei)部的(de)低壓(ya)區面(mian)🤟積變(bian)小，葉(ye)輪旋(xuan)轉的(de)阻力(li)減小(xiao)，則旋(xuan)轉⚽的(de)角速(su)度👌增(zeng)大，即(ji)儀表(biao)系數(shu)增大(da)🔞。

　　由3)式(shi)可以(yi)看出(chu)，當其(qi)它條(tiao)件一(yi)定時(shi)，對于(yu).确定(ding)的葉(ye)輪轉(zhuan)📱速，葉(ye)輪受(shou)到的(de)粘性(xing)阻力(li)矩也(ye)是一(yi)定的(de)。那麽(me)，反過(guo)來亦(yi)可以(yi)通過(guo)粘性(xing)阻力(li)矩來(lai)判斷(duan)葉輪(lun)轉速(su)的大(da)小。
利(li)用Fluent中(zhong)的Report可(ke)以得(de)到渦(wo)輪流(liu)量計(ji)所受(shou)的壓(ya)力力(li)矩和(he)粘性(xing)阻力(li)矩，如(ru)表2所(suo)示。

　　比較(jiao)表格(ge)中的(de)數據(ju)可以(yi)得出(chu)，對于(yu)具有(you)相同(tong)粘度(du)的流(liu)體和(he)相同(tong)的流(liu)量點(dian)，當渦(wo)輪的(de)頂端(duan)間隙(xi)增大(da)時，葉(ye)輪所(suo)受到(dao)的粘(zhan)性阻(zu)力矩(ju)變小(xiao)，這直(zhi)接導(dao)緻了(le)渦輪(lun)的轉(zhuan)速增(zeng)🔴大即(ji)儀表(biao)系數(shu)增大(da)。在小(xiao)流量(liang)點，粘(zhan)性阻(zu)力矩(ju)相對(dui)減小(xiao)了16.64%，在(zai)大流(liu)量點(dian)，粘性(xing)阻力(li)矩相(xiang)對減(jian)小了(le)13.79%，這樣(yang)渦輪(lun)轉速(su)在小(xiao)流量(liang)點處(chu)相對(dui)增加(jia)💯較爲(wei)顯著(zhe)，故渦(wo)輪的(de)線性(xing)度誤(wu)差得(de)到了(le)降低(di)。
4結論(lun)
　　對具(ju)有不(bu)同頂(ding)端間(jian)隙的(de)液體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計進(jin)行CFD仿(pang)真分(fen)析，當(dang)☂️流體(ti)粘度(du)爲9.leSt時(shi)，渦輪(lun)的線(xian)性度(du)誤差(cha)由.0.987%減(jian)小至(zhi)0.014%;當流(liu)體粘(zhan)度爲(wei)🛀🏻31.6cSt時，渦(wo)輪的(de)線性(xing)度誤(wu)差由(you)5.568%減小(xiao)至3.693%。通(tong)過🈲分(fen)析渦(wo)輪的(de)内部(bu)流場(chang)及葉(ye)輪受(shou)力情(qing)況，可(ke)♊以得(de)出以(yi)🔴下
結(jie)論:
(1)适(shi)當增(zeng)大葉(ye)輪的(de)頂端(duan)間隙(xi)，流體(ti)粘度(du)和流(liu)量一(yi)定時(shi)，葉輪(lun)尾🏒部(bu)💛低流(liu)速區(qu)減小(xiao)，葉輪(lun)旋轉(zhuan)角速(su)度增(zeng)大，即(ji)儀表(biao)系數(shu)變大(da)。而小(xiao)流量(liang)點處(chu)的低(di)流速(su)區相(xiang)對變(bian)化較(jiao)之于(yu)大流(liu)量點(dian)🌍處要(yao)大💯，即(ji)小流(liu)量點(dian)處葉(ye)輪轉(zhuan)速的(de)相🔅對(dui)變化(hua)比大(da)流量(liang)點處(chu)要大(da)，則🐪儀(yi)表系(xi)數的(de)增加(jia)值相(xiang)對也(ye)大，故(gu)渦🌈輪(lun)的線(xian)性度(du)誤差(cha)減小(xiao)。
(2)對于(yu)相同(tong)粘度(du)的流(liu)體，在(zai)相同(tong)的流(liu)量點(dian)，渦輪(lun)的頂(ding)端間(jian)隙适(shi)當增(zeng)加時(shi)，葉片(pian)尾部(bu)的低(di)壓區(qu)面積(ji)變小(xiao)💜，葉片(pian)表面(mian)的高(gao)壓區(qu)㊙️向葉(ye)片的(de)尾部(bu)和頂(ding)端移(yi)動且(qie)👅面積(ji)變大(da)，緻使(shi)🌂葉輪(lun)所受(shou)驅動(dong)力矩(ju)增加(jia)，旋轉(zhuan)的角(jiao)‼️速度(du)增大(da)，儀表(biao)系數(shu)增大(da)。
(3)對于(yu)相同(tong)粘度(du)的流(liu)體和(he)相同(tong)的流(liu)量點(dian)，葉輪(lun)所受(shou)到📞的(de)粘性(xing)阻力(li)矩随(sui)着葉(ye)輪頂(ding)端間(jian)隙增(zeng)大而(er)變小(xiao)，則葉(ye)輪的(de)轉速(su)增大(da)♋，液體(ti)渦輪(lun)流量(liang)計系(xi)數增(zeng)大。在(zai)小流(liu)量㊙️點(dian)，粘性(xing)阻力(li)矩⛹🏻‍♀️相(xiang)對減(jian)小值(zhi)較大(da)流量(liang)點處(chu)更爲(wei)顯著(zhe)🧡，即儀(yi)表系(xi)⭕數相(xiang)對增(zeng)👈加值(zhi)更大(da)⭕，故渦(wo)輪的(de)👄線性(xing)度誤(wu)差得(de)到了(le)降低(di)。

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