摘要(yao)：應用動(dong)量定理(lǐ)研究 渦(wo)輪流量(liàng)計 的基(ji)本工作(zuò)機理及(ji)儀表系(xì)數模型(xíng)。通過數(shù)值仿真(zhēn)和流動(dòng)實驗，分(fen)析切向(xiang)渦輪流(liu)量計葉(yè)片未轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)動時流(liú)體在渦(wō)輪流量(liang)計的分(fèn)布情況(kuàng)，闡述切(qie)向🙇‍♀️渦輪(lun)計葉片(pian)轉動機(ji)理。基于(yú)小流量(liang)實驗裝(zhuāng)置，考察(cha)了渦輪(lún)流♋量計(jì)在單相(xiàng)水及單(dan)相油條(tiao)件下的(de)響應特(tè)性。渦輪(lún)流💚量計(jì)在純水(shui)與純油(yóu)介質中(zhōng)，啓動排(pái)量❗分别(bié)爲0.081m3/d與0.08m3/d，均(jun)遠遠低(di)于普通(tong)螺旋式(shì)渦輪流(liú)量計的(de)0.5m3/d，證明渦(wo)輪流量(liàng)計在低(dī)流量測(ce)量中❓具(jù)有良好(hǎo)的應用(yòng)前景。
0、引(yin)言：
　　渦輪(lún)流量計(ji)廣泛應(ying)用于小(xiǎo)流量測(cè)量中。與(yu)軸向式(shi)渦輪流(liu)量🥰傳感(gǎn)器相比(bǐ)，切向渦(wō)輪流量(liàng)傳感器(qì)的啓動(dong)排量更(gèng)低，測🐇量(liang)靈敏度(du)更高，動(dong)态響應(ying)速度更(geng)快💋［1］。随着(zhe)國内大(da)部🌈分油(you)田進入(ru)開發中(zhōng)後期，低(dī)産井數(shù)量逐年(nián)增多，大(dà)量油井(jing)的日産(chan)📞量低于(yú)5m3/d，單層産(chǎn)量甚💋至(zhi)低于1m3/d。低(di)産液井(jǐng)對測井(jing)儀器提(ti)出了新(xīn)的要求(qiu)，傳統螺(luo)旋式渦(wō)輪☂️流量(liàng)計對低(di)流🙇🏻量的(de)響應較(jiào)差，啓動(dong)👌排量較(jiào)高，難以(yi)對低産(chǎn)井♉的井(jing)下流動(dong)進行有(yǒu)效監測(ce)⭕。爲此，提(ti)出采用(yong)渦✏️輪流(liu)量計測(ce)量小流(liú)🔞量。
1、渦輪(lun)流量計(ji)工作原(yuan)理：
? 渦輪(lun)流量計(ji)基本構(gòu)造見圖(tú)1。被測流(liú)體在流(liu)經葉輪(lún)✂️之前流(liú)道會減(jian)縮，流速(sù)增加，流(liú)體經過(guo)葉輪後(hòu)葉片旋(xuán)轉，磁電(diàn)傳感🚩器(qi)記錄葉(ye)片轉動(dong)頻率，得(dé)到被測(ce)流體相(xiang)對應的(de)流量。

　　渦輪(lun)在轉動(dòng)時所受(shòu)的力矩(jǔ)大緻可(ke)分：流體(ti)對渦輪(lun)🐆的推動(dong)力矩Ｔｒ，機(ji)械摩擦(ca)力矩Ｔｒｍ，流(liu)體對渦(wō)輪産生(sheng)的流動(dong)阻🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力矩(ju)Ｔｒｆ和電磁(cí)阻力矩(jǔ)Ｔｒｅ［２］。渦輪運(yùn)動方程(cheng)可以表(biǎo)示爲
　　式(shì)中，Ｊ爲渦(wo)輪轉動(dòng)慣量；ω爲(wèi)渦輪轉(zhuan)動角速(sù)度。渦輪(lún)正㊙️常工(gōng)作時，ω可(kě)🔆近似看(kan)作定值(zhí)（切向渦(wō)輪轉動(dong)時由于(yu)驅動力(lì)矩随着(zhe)位置變(biàn)化而變(bian)化，所以(yǐ)轉動角(jiǎo)速度🈲ω也(ye)是變化(huà)的，這裏(lǐ)将ω看⛷️作(zuo)定值）。
　　如(ru)圖2所示(shì)，渦輪流(liu)量計流(liú)道收縮(suo)後面積(ji)爲Ａ，從流(liú)道流💯出(chu)的流體(ti)速度爲(wèi)ｖ1，從渦輪(lún)流出的(de)流體速(su)度爲ｖ2；ｖ1和(he)ｖ2與渦輪(lun)葉片速(sù)⛷️度方向(xiang)的夾角(jiao)爲α1和α2，渦(wō)輪的轉(zhuǎn)動角速(su)度爲ω，假(jiǎ)設出口(kǒu)處流體(tǐ)相對運(yun)動速度(du)的方向(xiàng)平行于(yú)葉片方(fāng)向。

在渦輪(lun)轉動時(shí)，隻有垂(chui)直葉片(piàn)方向的(de)力對驅(qu)動力矩(jǔ)有🧡貢獻(xiàn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，因此隻(zhī)考慮垂(chui)直葉片(piàn)方向的(de)驅動力(lì)ｆ。

 式中，ｆＨｚ爲(wei)轉動頻(pin)率；Ｑ爲流(liú)量。
2、渦輪(lún)流量計(ji)流場分(fen)布特性(xing)仿真分(fèn)析：
　　Workbench是ANSYS公(gong)司開發(fā)的協同(tóng)仿真環(huán)境，大大(dà)簡化了(le)仿真過(guò)程中♌各(ge)✔️模塊間(jian)的交互(hu)操作。通(tong)過幾何(he)建模、網(wǎng)格劃分(fèn)、計算求(qiu)解、後♍處(chu)理等過(guo)程，可以(yǐ)比較準(zhǔn)确地仿(páng)真複雜(za)機械模(mó)型的各(ge)個物理(lǐ)參數的(de)場♌分布(bu)［3］。
　　根據實(shi)際情況(kuang)采用了(le)二維計(ji)算，并将(jiang)計算域(yù)劃分爲(wei)2個部分(fen)：葉輪轉(zhuan)動部分(fèn)和入口(kǒu)出口部(bù)分（見圖(tú)3）。
　　在圖3中(zhōng)葉輪部(bu)分和入(rù)口出口(kou)部分均(jun)采用四(sì)邊形網(wang)格，網格(gé)數各約(yue)2萬，整個(ge)計算域(yu)網格數(shù)爲4萬。入(ru)口出口(kǒu)部分爲(wèi)靜🌐止網(wǎng)格采用(yong)參考系(xì)，葉輪部(bu)分爲動(dong)🌈網格，繞(rào)圓心轉(zhuǎn)動，同時(shi)⁉️采用相(xiàng)對參考(kǎo)💰系，參考(kǎo)系轉動(dòng)速度與(yu)網格轉(zhuan)速相同(tóng)。

　　渦輪流(liu)量計仿(pang)真模型(xing)見圖4。圖(tú)4中右側(cè)入口和(he)左側出(chu)口均寬(kuan)💯20ｍｍ，在計算(suàn)中分别(bie)設置爲(wei)速度入(rù)口和速(sù)度出口(kou)，轉動部(bù)分直徑(jìng)💋（圖4中Ｄ1）爲(wèi)18ｍｍ，葉片頂(ding)端半徑(jìng)爲8.5ｍｍ，轉動(dòng)⭐腔上半(bàn)部分直(zhi)徑（Ｄ3）爲20ｍｍ，轉(zhuan)動腔下(xia)半部分(fen)直徑（Ｄ2）爲(wèi)19ｍｍ，轉動腔(qiang)入口出(chu)口寬度(dù)均㊙️爲4ｍｍ。

　　圖(tu)5、圖6中速(su)度入口(kǒu)分别爲(wèi)0.08m3/d及1m3/d。如圖(tú)5所示，當(dang)流速較(jiào)低時，流(liu)🌈體🏃在切(qie)🔞向渦輪(lun)内可以(yi)近似看(kàn)成繞角(jiao)流動，此(ci)時腔體(tǐ)内葉片(pian)壓強對(dui)稱分布(bu)，基本上(shàng)不産生(shēng)壓差，無(wu)法驅動(dòng)渦輪葉(ye)片轉動(dong)；随着流(liú)速增大(da)，流體在(zài)流入靠(kào)近入口(kou)的腔體(tǐ)時，在腔(qiāng)體内産(chan)生旋渦(wō)，旋渦的(de)運動導(dǎo)緻葉🤞片(pian)壁面壓(yā)強🔞分布(bù)不均勻(yún)，從而産(chan)生驅🙇🏻動(dòng)矩，如圖(tu)6所示。可(kě)以看出(chu)對驅動(dong)力矩有(you)貢獻的(de)是靠近(jìn)入口的(de)腔體，其(qi)他腔⛱️體(ti)基本上(shàng)不産生(sheng)壓差。

　　爲(wèi)了驗證(zheng)仿真的(de)準确性(xìng)，通過室(shi)内實驗(yan)對其驗(yàn)證。切向(xiàng)💜渦輪采(cai)用可視(shì)化研究(jiu)平台，整(zheng)個渦輪(lun)的結構(gou)都采用(yòng)亞❗克力(li)闆雕刻(ke)組裝而(ér)成。如圖(tu)7所示，水(shui)箱主要(yao)提供穩(wen)定水壓(yā)，水平切(qie)向渦輪(lun)做成開(kāi)口系統(tǒng)并放置(zhi)在實❌驗(yàn)支撐架(jia)上，前置(zhi)閥門可(kě)控制✂️水(shui)流，在需(xu)☔要更換(huan)切向渦(wo)輪的零(líng)件時可(kě)關閉，控(kòng)🏒制閥門(mén)主要🥵是(shi)控制流(liú)經切向(xiang)渦輪的(de)流量，流(liú)量測量(liàng)仍采用(yòng)傳統可(kě)靠的容(róng)積時間(jiān)法。實驗(yan)時以染(ran)色劑作(zuo)爲示蹤(zong)劑，以觀(guān)察流場(chang)的分🔞布(bu)情況。


　　如(ru)圖8所示(shì)，記錄的(de)是未啓(qi)動時切(qiē)向渦輪(lún)内的流(liu)場，水從(cóng)圖👈8左📱側(cè)流入渦(wō)輪，從右(you)側流出(chu)，實驗時(shi)水的流(liu)速很低(dī)（0.05m3/d），腔體1中(zhōng)的流動(dòng)可近似(sì)看作不(bú)可壓縮(suo)無旋繞(rao)角流動(dong)，此時❓流(liu)體在🍓腔(qiang)體1中的(de)速度可(ke)看成對(dui)稱分布(bu)，由伯努(nu)利方程(chéng)算得的(de)壓強也(ye)是對稱(chēng)分布，此(cǐ)時2個壁(bi)面幾乎(hū)沒有壓(ya)強差，所(suǒ)以渦輪(lún)未啓動(dong)。
　　圖9記錄(lu)的是切(qiē)向渦輪(lun)正常轉(zhuǎn)動時的(de)流場，圖(tu)9中水從(cóng)👨‍❤️‍👨左向右(you)流動，實(shí)驗時水(shui)速較快(kuai)（1m3/d），渦輪葉(ye)片順時(shi)針轉動(dong)。水速變(biàn)大⛱️後，擾(rao)動變大(dà)，不再是(shi)無旋繞(rào)角流動(dòng)，腔體1中(zhōng)流體形(xíng)成一個(ge)運動的(de)💋旋渦，導(dǎo)緻腔内(nei)壓強分(fen)布不再(zai)對稱，産(chan)生壓差(chà)，緻使渦(wō)輪葉片(piàn)轉動，旋(xuan)渦在随(sui)葉片運(yùn)動到腔(qiang)體2中時(shí)逐漸耗(hào)散消失(shi)。數值仿(pang)真的計(ji)算結果(guo)與物理(li)實驗的(de)結果基(jī)本一緻(zhi)。

3、切向渦(wō)輪在單(dan)相流體(ti)中響應(yīng)特性：
　　爲(wèi)了驗證(zheng)切向渦(wō)輪在單(dan)相流體(ti)中的響(xiang)應情況(kuàng)，在全集(jí)流🔴條件(jian)下對其(qi)在單相(xiang)水及單(dan)相油介(jie)質中響(xiǎng)應規律(lǜ)進行了(le)研究。對(duì)于單相(xiang)水的渦(wo)輪響應(ying)情況🛀🏻，進(jìn)行了在(zai)0～6m3/d流速範(fan)圍内的(de)渦輪響(xiǎng)應實驗(yan)，測得單(dān)相水介(jie)質中渦(wō)輪的啓(qi)動排量(liàng)爲0.081m3/d，渦輪(lún)響應⭕情(qíng)況見圖(tu)㊙️10。經過拟(ni)合後的(de)響應關(guān)系爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采(cai)用同樣(yàng)的方法(fǎ)，對單相(xiang)油條件(jiàn)下渦輪(lún)響應規(gui)律💯進行(háng)研究（見(jiàn)圖11），測得(dé)單相油(yóu)的啓動(dòng)排量爲(wèi)0.08m3/d。對單相(xiàng)🙇‍♀️油的實(shi)驗結果(guo)進行拟(ni)合，可得(de)單相油(you)的響應(yīng)曲線爲(wei)ω＝6.73Ｑ－6.72。與水對(dui)比而言(yán)，油的拟(ni)合曲線(xian)斜率☀️更(gèng)大，即随(sui)着流量(liàng)增加轉(zhuǎn)速增加(jia)得略快(kuai)。
　　爲了深(shen)入分析(xī)渦輪流(liu)量計在(zai)單相低(dī)流量條(tiao)件下的(de)響應特(tè)點，将流(liu)量作爲(wei)橫坐标(biao)，儀表Ｋ值(zhí)即轉速(su)／流量作(zuo)爲縱坐(zuo)标，繪制(zhi)單相水(shui)（見圖12）和(hé)單相油(yóu)（見圖13）的(de)渦輪流(liú)量計特(te)性曲線(xiàn)。

　　爲了深(shēn)入分析(xi)切向渦(wō)輪流量(liàng)計在單(dān)相低流(liú)量條🌂件(jiàn)下的響(xiang)應特點(diǎn)，将流量(liàng)作爲橫(heng)坐标，儀(yí)表K值即(jí)轉速／流(liu)量作爲(wèi)縱坐标(biāo)，繪制單(dān)相水（見(jiàn)圖12）和單(dan)相油（見(jian)圖13）的切(qiē)向渦輪(lun)流量計(jì)特性曲(qǔ)線。


　　可以(yi)看出，渦(wo)輪啓動(dong)後首先(xian)進入一(yi)個非線(xiàn)性段，在(zai)非線性(xing)相👅應段(duàn)，Ｋ值随着(zhe)流量增(zeng)加而增(zeng)大；當流(liú)量比較(jiao)大（單相(xiàng)水超過(guò)0.5m3/d，單相油(yóu)超過1m3/d）時(shi)，渦輪進(jìn)入線性(xìng)段，在線(xian)性響應(yīng)段🎯，Ｋ值達(da)到峰值(zhí)，有相對(duì)較小的(de)波動。
4、結(jié)論：
（1）數值(zhí)仿真結(jie)果與物(wù)理實驗(yàn)結果基(jī)本一緻(zhì)，當流速(su)低于☎️啓(qǐ)動排量(liàng)，渦輪未(wei)啓動時(shí)，流體沿(yán)葉片做(zuo)繞角✔️運(yùn)動，葉片(piàn)兩側壓(yā)力🚶‍♀️相等(děng)，葉片不(bú)轉動；當(dang)流速高(gāo)于啓動(dong)排🧡量，渦(wō)輪轉動(dong)時，流體(tǐ)在腔内(nèi)産生旋(xuan)渦，造成(chéng)葉片兩(liǎng)邊🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓差(chà)，從而造(zao)成葉片(piàn)🧡轉動。
（2）渦(wō)輪流量(liàng)計在純(chun)水與純(chun)油介質(zhì)中，啓動(dòng)排量分(fèn)别爲0.081m3/d與(yu)0.08m3/d，均遠遠(yuan)低于普(pǔ)通螺旋(xuan)式渦輪(lún)流量計(jì)0.5m3/d的啓動(dòng)排量，在(zài)低流量(liàng)測量🏒具(jù)有良好(hao)的前景(jǐng)。
（3）渦輪流(liú)量計在(zai)未達到(dao)穩定轉(zhuǎn)動前，Ｋ值(zhi)不斷增(zeng)大，穩定(dìng)轉動後(hou)🔞 K值趨于(yú)一條直(zhi)線，具有(you)良好的(de)線性關(guān)系。

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