[摘要] 渦輪(lun)流量計 性能(néng)會随着被測(ce)流體粘度的(de)增大而變差(cha)，爲了降低介(jiè)質粘度😍對渦(wo)輪性能的影(ying)響，采用計算(suàn)流體力學CFD)仿(pang)真的方法，通(tong)過适當地增(zeng)大頂端間隙(xi)，實現了對液(ye)體渦輪流量(liang)計 參數的定(ding)量優化，并從(cóng)葉輪尾部流(liu)場、葉片表面(miàn)壓力🎯場及葉(ye)輪受力情況(kuang)等方面分析(xi)了不同的葉(ye)輪頂端問隙(xi)對葉輪性能(néng)産生影響的(de)機理。
　　液體渦(wo)輪流量計具(jù)有測量精度(du)高、量程寬、壓(ya)損小✌️、輸出脈(mo)🧡沖信号、重複(fú)性和動态響(xiang)應好等多種(zhǒng)優點。在用于(yu)低粘度液體(tǐ)流量測量時(shi)，在相當寬的(de)流量範圍内(nèi)🎯，其測量精度(du)可達0.5%~0.15%，重複性(xing)可達0.1%~0.05%。缺點在(zai)于儀✌️表系數(shù)受🔴被測流體(ti)粘度變化的(de)影響較大。一(yī)般來說，粘度(dù)變化對線性(xìng).特性❄️的影響(xiǎng)随着流量計(ji)口徑的減小(xiǎo)而增大💯。目前(qián)，國.内渦輪流(liu)量計出廠時(shi)，一般都是用(yong)水或粘度比(bi)較低的柴油(you)進行檢定，但(dan)很多使用者(zhě)卻用其來測(cè)量液壓油、潤(rùn)滑油等🈲中粘(zhān)度甚㊙️至高粘(zhān)度液體的流(liu)量。這就迫切(qie)要求提高渦(wo)輪流量計在(zài)測量粘性介(jie)質時的精度(dù)。
　　通過改變葉(yè)輪葉片頂端(duan)間隙來實現(xiàn)渦輪的優化(huà)在.以⁉️往的⁉️文(wén)獻口.四中已(yǐ)有出現，但如(ru)何進行定量(liang)的優化及👅改(gai)變頂端間隙(xi)☁️會對渦輪的(de)性能造成多(duō)大的影響等(děng)，卻仍需作進(jin)一步的研究(jiū)🏃🏻。
　　通過對不同(tong)葉輪頂隙的(de)渦輪流量計(ji)進行計算流(liú)💋體力學CFD)仿👨‍❤️‍👨真(zhēn)四，當流體粘(zhān)度爲9.1cSt時，渦輪(lun)的線性度誤(wu)差由0.987%減小至(zhì)0.014%;當流體粘度(du)爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差(chà)由5.568%減小至3.693%。
1渦(wō)輪流量計CFD仿(páng)真方法
1.1三維(wei)仿真模型建(jian)立
　　以DN10渦輪流(liu)量傳感器爲(wei)例進行研究(jiu)，按照實驗所(suǒ)用渦輪流量(liàng)傳感器的幾(ji)何結構參數(shu)建立仿真模(mó)型，如圖1所示(shi)💜。在渦輪前後(hou)分别增加10D的(de)直管段以模(mo)拟實流實🚶驗(yan)中的流動狀(zhuàng)态。

1.2網(wang)格劃分
　　對模(mo)型的網格劃(huà)分是仿真的(de)關鍵。網格質(zhì)量直接影響(xiǎng)仿真的求解(jie)過程和結果(guo)，若所劃網格(ge)質量太差，在(zai)後續🐕的仿真(zhen)過程中會産(chǎn)生很多問題(tí)，減小收斂速(su)度，影響求解(jie)結果的準确(què)性。在既保證(zhèng)網格質量又(yòu)控制網格數(shù)量的條件下(xia)，對網格進行(hang)如下的劃分(fen)。
　　葉輪處結構(gòu)較爲複雜，所(suǒ)以在網格劃(huà)分時采用四(si)面體網格，其(qí)intervalsize爲0.12。在葉輪兩(liang)側定義了interface面(miàn)，以聯接葉輪(lun)轉動區域和(hé)其它靜止區(qū)城。網格質量(liang)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小(xiao)于0.82.
1.3參數設定(dìng)
　　選取SSTk-w湍流模(mo)型，對流體特(te)性及邊界條(tiao)件等都嚴格(gé)按照實流實(shi)🚶驗進行設置(zhì)，并采用多參(can)考坐标系的(de)⛹🏻‍♀️方法解決轉(zhuǎn)動的流體區(qū)域流場變化(huà)問題。通過監(jiān)測葉輪及輪(lún)毂的力矩，并(bing)根據驅動力(lì)矩與阻力.矩(ju)的差值對葉(ye)輪轉速☔大小(xiǎo)進行調節，當(dāng)力矩系數Cm值(zhi)達到10-9時，認爲(wei)葉輪所受力(lì)矩達到平衡(heng)，則此時的葉(yè)🏃輪轉速即爲(wèi)合适的轉速(su)。.
2葉輪頂端間(jiān)隙影響的仿(páng)真
2.1頂端間隙(xi)影響的理論(lùn)依據
　　當流體(tǐ)在管道内部(bu)流動時，渦輪(lun)流量計同時(shí)受到‼️驅動力(lì)矩及阻力矩(ju)的作用。其中(zhōng)阻力矩主要(yao)包括粘性摩(mó)擦阻力矩、機(ji)💜械摩擦阻力(lì)矩和磁阻力(lì)矩等。而在測(cè)量粘性流體(tǐ)時機械摩擦(ca)阻力矩和磁(ci)阻力💛矩可以(yi)忽略不計。葉(ye)片邊緣與殼(ké)體内壁之間(jian)充滿了流體(tǐ)，因此這一形(xing)式的🈲摩擦阻(zǔ)力實🔞際上是(shì)由流體與固(gu)體壁面💯之間(jiān)由于存在着(zhe)相對運動而(ér)引起的粘性(xìng)摩擦阻力。但(dan)是由于其間(jiān)隙相當小，因(yīn)此流✉️體在這(zhe)一狹小間隙(xi)中的流動始(shǐ)終認爲是處(chù)在層流流動(dòng)狀态，從而可(kě)直接應用納(nà)維埃一斯托(tuō)🐇克斯方程對(dui)流場求解。

　　式(shi)中:T1爲葉片頂(ding)端與傳感器(qì)外殼内壁之(zhi)間的粘性摩(mo)擦阻👄力矩❗，n·m;r,爲(wei)葉片頂端處(chù)半徑，m;r。爲流量(liàng)計殼體内壁(bi)半徑，m;C爲葉片(pian)寬，m;ρ爲流體密(mi)度，kg/m';v爲流體運(yùn)動粘度，m2/s;0爲葉(ye)輪旋轉角速(sù)度，rad/s。由(1)式可以(yǐ)看出，通過⁉️減(jian)小r,即葉片頂(dǐng)端處半徑可(kě)以減小粘性(xing)摩♌擦阻力矩(jǔ)。
　　雖然葉片頂(dǐng)端間隙的增(zēng)大可以減小(xiao)T1的數值，增加(jia)葉輪轉速🔞，降(jiang)低渦輪對流(liú)體粘性的敏(min)感程度，但是(shì)由于随着頂(ding)隙的增大，漏(lòu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流也增大，這(zhè)會給測量的(de)👨‍❤️‍👨精度帶來影(yǐng)響👅，因此要👄兼(jiān)顧兩者以達(dá)到平衡。
2.2仿真(zhēn)數據
通常采(cǎi)用葉片頂端(duan)間隙與管道(dào)半徑之比δ對(duì)頂端間⛷️隙🈚進(jin)♊行無⛹🏻‍♀️量綱化(hua)

　　選擇了運動(dong)粘度分别爲(wèi)9.1cSt、31.6eSt的柴油-機油(yóu)混合液，對不(bú)同頂端間隙(xi)的渦輪流量(liang)計進行仿真(zhen)，仿真結果如(ru)表1所示。從表(biao)中😄數據可以(yǐ)看出，渦輪流(liu)量計在測量(liàng)🔞時，一般在小(xiǎo)流量點處的(de)儀表系數會(huì)小于大流量(liàng)點處的儀表(biǎo)系數，這🌈是造(zao)成線性度誤(wù)差的原因。對(dui)于相同粘度(dù)的流體，在相(xiàng)同流速時，随(sui)着頂端間隙(xì)✔️的增大,渦輪(lun)流量計的旋(xuan)轉角速度增(zēng)大，相應的儀(yi)表系數也增(zeng)大。而渦輪流(liú)量計在測量(liang)粘性流體時(shi)主要受影響(xiǎng)的是在小流(liú)量點，頂端間(jian)♈隙增大後，渦(wō)🤩輪在小流量(liàng)點處的儀表(biǎo)系數相對于(yu)大流量點得(dé)🥰到了更大的(de)提高,故減小(xiao)🏃🏻‍♂️了線性度誤(wu)差。即對于同(tong)👅一介質粘度(du)，渦輪流量計(ji)的儀表系數(shu)受流量變化(huà)的影響在減(jian)小。

3頂端間隙(xì)影響的機理(lǐ)分析
　　通過分(fèn)析渦輪流量(liàng)傳感器内部(bu)的速度場和(hé)壓力場變化(huà)以及葉片受(shòu)力情況等，可(ke)以理解在測(cè)量粘♌性流體(ti)時頂端間隙(xì)🈲變化對流量(liang)傳感器特性(xìng)産生影響的(de)流體力學機(jī)理。
3.1速度場分(fen)析
　　圖2爲渦輪(lún)葉片尾部流(liu)體速度矢量(liang)圖，灰色部分(fen)爲葉片。可⛱️以(yǐ)看出在葉片(pian)的尾部，流體(tǐ)出現了流動(dong)分♍離。靠近葉(yè)輪的流體，其(qí)速度可以認(rèn)爲與葉輪的(de)轉速相同，葉(yè)輪的轉速越(yuè)慢，其尾部的(de)低🏃流速區越(yue)大🔱。

　　比較圖3(a)和(he)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可(kě)以看出當流(liú)體粘度一定(ding)時，流量越大(dà)，葉輪的尾部(bu)低流速區越(yuè)小。當頂端間(jian)隙由0.2mm增加:至(zhì)0.5mm時，對于相同(tong)粘度的流體(tǐ)和相同的流(liú)量☀️點，葉輪尾(wei)部低流速區(qū)變小，表明葉(ye)輪旋轉角速(su)度增大，即儀(yi)表系數變🆚大(da)。但在小流量(liang)點處🔆，低流速(su)區✏️的相對變(bian)化較之于大(da)流量點處要(yào)大，即小流量(liang)點處葉輪轉(zhuan)速的相對變(biàn)化比大流量(liang)點處要大，則(ze)儀表系數的(de)增加值相對(duì)也✉️大，故渦輪(lún)的線性度誤(wù)差減小。

3.2壓力(lì)場分析
　　比較(jiào)圖5(a)和圖5(b)、圖6中(zhong)的圖6(a)和圖6(b)，可(kě)以看出，對于(yu)相同粘♌度的(de)流體，随着流(liu)量的增大，高(gao)壓區的面積(jī)變大，且⭕向葉(ye)片的尾部和(he)頂端移⭐動，緻(zhi)使葉片所受(shou)驅動力矩增(zēng)加，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大(da)。對于相同粘(zhān)度的流體在(zài)相同的流量(liàng)點㊙️處，頂端間(jiān)隙由0.2mm增大至(zhì)0.5mm時，比較圖5和(he)圖6可以看出(chu)，葉片表面的(de)高壓區面積(jī)變大，且🏒向葉(yè)片的尾部和(hé)頂端移動，緻(zhi)使葉輪所受(shòu)驅動力矩增(zeng)加，而由圖7和(hé)圖8可以看出(chu)葉片尾部的(de)低壓區面積(ji)變小，葉輪旋(xuán)轉🌏的阻力減(jiǎn)小，則旋轉的(de)角速度🐕增大(da)，即儀表系數(shù)增大。

　　由3)式可(ke)以看出，當其(qí)它條件一定(dìng)時，對于.确定(ding)的葉輪轉速(sù)，葉輪受到的(de)粘性阻力矩(jǔ)也是一定的(de)。那麽✉️，反過來(lái)亦可以🈲通過(guo)粘性阻力矩(ju)來判斷葉輪(lun)轉速的大小(xiǎo)。
利用Fluent中的Report可(kě)以得到渦輪(lun)流量計所受(shou)的壓力力矩(ju)和⚽粘性阻力(li)❄️矩，如表2所示(shì)。

　　比較表格中(zhong)的數據可以(yi)得出，對于具(ju)有相同粘度(du)🐉的流體和相(xiang)同的流量點(dian)，當渦輪的頂(ding)端間隙增大(dà)時，葉💞輪所受(shòu)到㊙️的粘性阻(zǔ)🈲力矩變小，這(zhe)直接導緻了(le)渦輪的轉速(sù)增大即儀表(biao)系數增大。在(zài)小流量點，粘(zhan)性阻力矩相(xiàng)對減小了16.64%，在(zai)大流量點，粘(zhān)性阻力矩相(xiàng)對減小了13.79%，這(zhè)樣渦輪轉速(su)在小流量點(diǎn)處相對增加(jia)♊較爲顯著，故(gu)渦輪的線性(xing)度誤差得到(dào)了降低。
4結論(lun)
　　對具有不同(tong)頂端間隙的(de)液體渦輪流(liu)量計進行CFD仿(pang)真分析🔞，當流(liú)體粘度爲9.leSt時(shi)，渦輪的線性(xing)度誤差由.0.987%減(jian)小至🍉0.014%;當流體(ti)粘度爲31.6cSt時，渦(wo)👨‍❤️‍👨輪的線性度(dù)誤差由5.568%減小(xiǎo)至3.693%。通過分析(xī)渦輪的内部(bù)流場及葉輪(lun)受力情況，可(kě)以得出以下(xia)
結論:
(1)适當增(zeng)大葉輪的頂(ding)端間隙，流體(ti)粘度和流量(liàng)一定時，葉💛輪(lun)㊙️尾部低流速(sù)區減小，葉輪(lun)旋轉角速度(du)增大，即儀表(biǎo)系🙇‍♀️數變大。而(ér)小流量點處(chu)的低流速區(qu)相對⭐變化較(jiào)之于大流量(liang)點處要大，即(jí)小流量點處(chu)葉輪轉速的(de)相對變化比(bǐ)♻️大流量點處(chu)要大，則儀表(biǎo)系數的增加(jia)值相對也大(da)，故渦輪的線(xian)性度誤差減(jiǎn)小。
(2)對于相同(tong)粘度的流體(tǐ)，在相同的流(liú)量點，渦輪的(de)頂端間隙👄适(shi)當增加時，葉(ye)片尾部的低(dī)壓區面積變(biàn)小，葉片表面(mian)🔱的高壓區向(xiàng)葉片的尾部(bu)和頂端移動(dòng)且面積變🌈大(dà)，緻使葉輪所(suǒ)受驅動力矩(jǔ)增加，旋轉的(de)角速度增大(dà)，儀表系數🔱增(zeng)大。
(3)對于相同(tóng)粘度的流體(ti)和相同的流(liú)量點，葉輪所(suo)受到的粘性(xing)阻力矩随着(zhe)葉輪頂端間(jiān)隙增大而變(biàn)小，則葉輪的(de)轉速增大，液(ye)體渦輪流量(liàng)計系數增大(dà)。在小流量點(diǎn)，粘性阻力矩(ju)相對減小值(zhí)較大流量點(dian)處更爲顯著(zhe)，即儀表系🐪數(shù)相對增💔加值(zhí)更大，故渦輪(lún)的線性度誤(wu)差得到了降(jiang)低。

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