0引言(yán)
　　氣體渦輪流量(liàng)計 是計量天然(rán)氣、液化氣、煤氣(qì)等介質的速度(dù)式儀表[1-2]。爲了改(gǎi)善氣體渦輪流(liu)量計的性能，爲(wei)設計提供指導(dao)和方向，近年來(lai)一些學者利用(yòng)CFD技術對其内部(bù)流場進行😘了研(yán)究。LavanteEV等[3]利用FLUENT對氣(qì)體㊙️渦輪流量計(jì)内部流😍場進行(háng)數值模拟，并根(gen)據仿真🔞結果解(jiě)釋實驗過程中(zhong)的現象。對♊前導(dao)流器引起的流(liú)量計壓力損失(shī)進行數值計算(suan)和實驗測量，從(cong)流動機理上解(jiě)釋了結構和壓(ya)損之間的關系(xi)。LIZhifei等🏃[6]利用數值🔅模(mo)拟得到了導流(liú)器内部的速度(du)場✂️和壓力場，并(bìng)以減小壓力損(sǔn)失爲目标優化(huà)了導流器的結(jié)構。通過對氣體(tǐ)渦輪流量計進(jin)行CFD仿真，研📱究不(bú)同流量下的壓(ya)損值，并通過實(shí)驗證明了數值(zhí)模拟的有♋效性(xing)。對渦輪傳感器(qì)内😄部的速度場(chang)和壓力場進✂️行(hang)了數值仿真，提(ti)出對前後導流(liú)器♉、葉輪葉片形(xing)狀和頁頂間隙(xì)❗的改進。
　　上述研(yan)究中未涉及針(zhēn)對不同螺旋升(sheng)角渦輪内流🥵場(chang)的數值👣模拟，以(yǐ)及渦輪葉片螺(luó)旋升角的改變(biàn)對儀表性能影(yǐng)響的研究。本文(wén)對安裝35°和45°葉片(piàn)螺旋升角渦輪(lún)的DN150型氣體渦輪(lún)🔆流量計🔴的内流(liu)場進行數值模(mó)拟，通過模拟結(jie)果預測儀表的(de)始動流量和壓(yā)力♋損失，并利用(yong)預測的正确性(xìng)，爲渦輪葉片螺(luo)旋升角👉的進一(yī)步提供數值方(fang)法。
1數學模型及(jí)邊界條件
　　利用(yòng)FLUENT軟件對渦輪内(nei)流場進行數值(zhí)模拟時，忽略天(tiān)然氣的密😍度變(biàn)化，在0～1200m3/h内，介質流(liu)動速度遠遠小(xiǎo)于聲速（即馬赫(he)🆚數遠小于0.3），認爲(wèi)流體不可壓縮(suo)，且假設流動中(zhong)無熱量交🏃🏻‍♂️換，不(bu)考慮能量守恒(heng)方程。
1.1微分控制(zhi)方程
　　氣體渦輪(lun)流量計内部流(liú)動爲湍流黏性(xing)流動，滿足連續(xu)性方程🌈和黏性(xing)流體運動方程(cheng)。
基本微分方程(chéng)[9]：
連續性方程：

1.2
　　湍(tuān)流模型選擇由(you)于雷諾應力項(xiàng)的加入使時均(jun)N-S方🌍程不封閉🐕，爲(wei)🐆了求解引入k-ε兩(liǎng)方程湍流模型(xíng)。兩方程❤️湍流💯模(mo)型有标準k-ε模🌈型(xing)，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可實現(xian)的k-ε模型。其中，RNGk-ε模(mo)型主要應用于(yú)旋轉機械的流(liu)動問題，在大範(fan)圍的湍流模拟(ni)中有較🏒高的精(jīng)度。該模型能夠(gou)比較準确地模(mó)拟各種複雜流(liú)動，其中湍流黏(nián)度由下式确定(ding)：

1.3網格劃分與定(dìng)解條件
　　根據流(liú)量計的實際工(gōng)況分别在介質(zhi)入口和出口處(chù)添加💋10倍管徑的(de)直管段，并把整(zheng)個模型剖分爲(wèi)3個區域✨：入口管(guan)道，旋轉區，出口(kǒu)管道。旋轉區域(yù)又細分爲渦輪(lun)轉子和🔞支架定(ding)子兩個區域，定(dìng)🏃‍♀️子和轉子之間(jian)的耦合🐆采用多(duō)參考MRF(MultipleReferenceFrame)模型。利用(yòng)GAMBIT前處理模塊對(duì)進❌、出口直管段(duàn)采用結構化網(wang)格，而對旋轉區(qū)采用非結構化(huà)網格進行劃分(fèn)以滿足對葉輪(lun)内部複雜區🐕域(yù)的網格描述，各(ge)塊網格通過塊(kuai)之間的交界面(mian)拼接♍在一起。網(wǎng)格總數爲30多萬(wàn)個四面體非🏃🏻結(jie)構化網格和100多(duo)萬個六面體結(jie)構化網✍️格，旋轉(zhuǎn)區網格如圖⚽1所(suo)示。

　　定解條件包(bāo)括介質入口、出(chu)口和固壁邊界(jiè)的設置。入💔口處(chu)給定🈲相應流量(liàng)（1200m3/h）下的主流速度(du)值；出口采用⭕壓(ya)力出口邊界條(tiao)件，出口壓力相(xiang)對大氣壓爲0；進(jìn)、出口管道内壁(bì)，支架均取無滑(huá)移固壁邊界條(tiáo)件。葉輪部分采(cǎi)用旋轉坐标系(xi)，給定相🔴應流量(liàng)下的葉輪轉速(sù)，将葉片的吸力(li)面和壓👅力面以(yǐ)及輪毂定義爲(wèi)旋轉壁面條件(jian)，在旋轉壁面條(tiáo)件的定義中，按(an)照MRF的要求，将旋(xuan)轉✨壁面的旋轉(zhuǎn)速度定義爲相(xiàng)對速度，并且🈚相(xiàng)對周圍流體速(sù)度爲0。
2計算結果(guǒ)分析
2.1壓力場分(fèn)析
　　 流量計 全壓(ya)定義爲入口全(quan)壓與出口全壓(yā)之差，通過全壓(yā)📧分析‼️能🤟夠直🈲接(jiē)反映儀表壓損(sǔn)的大小。全壓越(yuè)大表👄明流體經(jing)🔴過流🈚量計後産(chǎn)生的壓損越大(da)，壓損過大🐇會導(dǎo)緻🌂流量計⚽不能(néng)正♍常使用。進口(kou)全壓一定時，出(chū)口全壓Pout越大，則(zé)流量🌐計的全壓(yā)△P越小，壓力損失(shi)越小✉️。如圖2（a）和圖(tú)3（a）所示，35°渦輪出口(kǒu)全壓要明顯小(xiǎo)于45°渦輪出口處(chu)的全壓，這說明(ming)相同的工況下(xia)45°渦輪所産⭐生的(de)壓損較小。

　　渦輪葉(ye)片動壓的分布(bu)和大小直接影(ying)響渦輪驅動力(lì)矩的🐪大小，35°葉片(pian)所受動壓明顯(xian)小于45°葉片所受(shòu)動壓，說明在相(xiang)同工況下45°螺旋(xuan)升角渦輪能獲(huo)得較大的驅動(dòng)力矩，如🏃‍♂️圖2（b）和圖(tu)3（b）所示，與🌏35°渦輪相(xiàng)🌍比，較小的流量(liang)就可推動渦輪(lun)穩定旋轉，從而(ér)使儀表進入線(xian)性工作區。由此(cǐ)可預測安裝45°螺(luo)旋角渦輪🌍的儀(yí)表能獲🔞得較小(xiǎo)的始動流量。
2.2速(sù)度場分析
　　當氣(qì)體介質以充分(fen)發展的湍流經(jīng)過渦輪時，35°渦輪(lun)的速度矢量方(fāng)向變化較大且(qie)向壁面集中，使(shi)得與葉片直接(jiē)作用産生推動(dong)力矩的速度矢(shi)量減少，如🔞圖（4a)所(suǒ)示🍉，且在出口處(chu)速度衰減較大(dà)，間✊接說明介質(zhì)流經渦輪後壓(ya)損的🐕增加，如圖(tu)4（b）所示。而45°渦輪内(nei)部的速度矢量(liang)分布比較均勻(yún)，過流性較好，與(yu)葉片直接🧡作用(yòng)的速度矢量較(jiào)多，産生較大的(de)驅動力矩，如圖(tu)（5a)所示，且在出口(kǒu)處🥵速度衰減較(jiao)小，如圖（5b)所示。



3實驗(yàn)對比
　　氣體渦輪(lun)流量計的檢定(dìng)采用負壓檢測(ce)方法，如圖6所示(shì)，由标準吸風裝(zhuāng)置産生負壓使(shǐ)标準羅茨流量(liàng)計和被檢定的(de)氣體渦輪流量(liàng)計同時測量，安(ān)裝在被測儀表(biao)兩端💘取壓口處(chù)的U型管可以測(cè)量流量計😄進、出(chu)口處的壓力，從(cong)而得到儀表的(de)壓力損失。
　　利用(yong)黃金分割法選(xuǎn)取0～1200m3/h範圍8個流量(liàng)點，在每一個流(liú)量🈚點随機采集(ji)3組不同時刻的(de)數據，包括标準(zhǔn)羅茨流量計和(hé)被檢定流量計(jì)的累積流量及(ji)其輸出脈沖數(shù)，對每組數🔴據進(jin)行算術平均得(de)到流量點處的(de)♍平均儀表系數(shu)。通過采集U型管(guan)壓差裝置👉的指(zhi)示值🌂記錄每個(ge)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量點處的壓(ya)力損失，檢定結(jie)果如表2所示。

　　利(lì)用多項式插值(zhí)對表2中的數據(ju)進行密化，得到(dao)20組插值數據🔅，通(tōng)過3次B樣條拟合(he)得到儀表系數(shù)曲線和壓力損(sǔn)失曲線。
始動流(liú)量以儀表系數(shu)進入線性區的(de)最小流量來确(què)定，在小👈流量區(qu)内安裝45°螺旋升(shēng)角渦輪的流量(liàng)計在流量20m3/h左右(you)即進入線性工(gong)作區；而安裝35°螺(luó)旋升角渦輪的(de)流量計🥰則在流(liú)量150m3/h左右時才進(jin)入線性工作區(qu)，而且在線性工(gong)作區内也存在(zài)着明顯的波動(dòng)，如圖7所示.

　　35°渦輪流量計在(zài)各工況點處的(de)壓損明顯大于(yu)45°渦輪✏️流量計，最(zui)大壓損達到3500Pa以(yǐ)上，如圖8所示。上(shang)述分析表明安(ān)裝45°螺旋升角渦(wō)輪的流量計與(yǔ)安裝35°螺旋升角(jiǎo)渦輪的流量計(ji)相比具有較小(xiao)的始動流量，較(jiào)小的壓力損失(shi)，而且儀表計量(liang)的線性度較好(hao)。

4結論(lùn)
　　對螺旋升角爲(wèi)35°和45°的氣體渦輪(lún)流量計旋轉部(bu)件内流場進行(háng)數值模拟，分析(xi)描述其内部流(liú)動的壓力場和(he)😄速度場，安裝45°螺(luo)🧡旋升角渦輪的(de)流量計比安裝(zhuang)35°螺旋升角渦輪(lún)的流量計具有(yǒu)較小的始動流(liú)量和壓力損失(shi)。
利用黃金分割(gē)法選取儀表流(liú)量範圍内的檢(jiǎn)定點🏃‍♂️，通過儀表(biǎo)負壓檢定平台(tai)獲得了儀表系(xì)數曲線和🌏壓力(lì)損失曲線，與數(shù)值仿真中的預(yu)測相吻合，表明(ming)數值模在流量(liàng)計性能預測中(zhōng)的有效性。
　　渦輪(lún)葉片的螺旋升(sheng)角是影響儀表(biao)性能的關鍵參(cān)數，合理❤️選👈擇✏️渦(wō)輪的葉片螺旋(xuán)升角，可進一步(bu)改善儀表的性(xìng)能。

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