摘要：根據(jù)已有的DN25旋進(jin)旋渦流量計(ji)的結構參數(shù)，設♍計了DN20小型(xing)旋進旋渦流(liú)量計 ，而後借(jiè)助ANSYSFluent流體仿真(zhēn)對DN20小型旋進(jin)旋渦流量計(jì)進行了結構(gòu)與流場關系(xi)的研究。通過(guo)正交試驗，獲(huo)得了DN20小型流(liú)量計不同結(jié)構的🌈内部流(liu)場及其信息(xi)，分析了流量(liang)計工作範圍(wéi)内旋渦規律(lü)和流量之間(jiān)的關系；進一(yi)步更換不同(tóng)測量橫截面(mian)，查看壓力場(chǎng)及其變化規(guī)律，與原結構(gòu)方案☎️的測量(liang)截面進行比(bǐ)較，選定最優(you)測量截面與(yu)測量點，爲DN20流(liú)量計産品研(yán)發提供了理(lǐ)論依據。
0引言(yán)
　　旋進旋渦流(liu)量計是根據(ju)旋渦進動現(xiàn)象設計的一(yi)種流體振蕩(dang)式流量計，具(ju)有流量範圍(wei)寬、無可動部(bu)☔件、不易腐蝕(shí)、可靠性高、安(ān)⭐裝使用方便(bian)、直管段要求(qiu)短等優點，适(shì)用于石油、蒸(zhēng)汽、天然氣、水(shui)等多種介質(zhi)的流量測量(liang)[1]。20世紀70年代，對(dui)旋進旋渦流(liú)量🌈計性能進(jin)🤞行了比較全(quan)面的實驗研(yán)究，驗證了此(ci)流量計線性(xing)輸出特性，同(tong)時發現此流(liu)量計不易受(shòu)介質粘度和(he)密度影響，指(zhǐ)出旋進旋渦(wo)流量計在高(gao)壓氣體測量(liàng)方面的商業(ye)應用前景。對(duì)旋進旋渦流(liu)量計做了實(shi)際工況下的(de)儀表特征測(ce)試，探索該流(liu)量計在計量(liang)🈲領域應用的(de)可行性。
　　對于(yu)旋進旋渦流(liú)量計内部流(liú)動特性及流(liu)量計改進方(fang)面，科研人員(yuan)也進行了一(yī)定的探索，彭(péng)傑剛等人[4]對(duì)📱旋進旋渦📧流(liu)量‼️計内部流(liu)場進行了數(shù)值模拟分析(xī)，研📞究了旋渦(wo)流量計内部(bù)流場的演變(bian)情況，分析了(le)流場✏️幹擾對(duì)旋進旋渦流(liu)量計流場進(jìn)動效應的影(yǐng)響。何馨雨等(deng)人[5]對旋進旋(xuán)渦内部流場(chǎng)進行了數值(zhi)模拟分析，獲(huò)得了比較全(quan)面的流場信(xìn)息，對這種流(liu)量計的内部(bu)流動特性有(yǒu)了更加深入(ru)的理解☁️。

　　目前，針對(duì)旋進旋渦流(liu)量計，特别是(shi)小型和微型(xing)流🌈量計還存(cún)在流量計低(dī)流量工況條(tiáo)件下測量不(bú)準㊙️确、過程不(bú)穩定的問🌈題(tí)，開發小型流(liu)量計，相較于(yu)普通流量計(jì)需要在結構(gòu)上做出💃🏻改進(jìn)和優化。比如(rú)，可采用導流(liu)片來降低壓(ya)損，提高🈲流量(liàng)計的性能。本(ben)文♊着重考慮(lǜ)對小型旋進(jìn)旋渦流量計(ji)的起旋角、收(shou)縮☀️角和收縮(suo)比進行優化(hua)研究，從⭐而爲(wèi)進一步開發(fā)和定型小型(xíng)流量計提供(gong)理論上的支(zhī)㊙️持。
1旋進旋渦(wō)流量計工作(zuo)原理[6]
　　旋進旋(xuán)渦流量計 主(zhǔ)要由起旋器(qì)、文丘裏管、消(xiao)旋器和檢測(ce)傳感器組成(chéng)，其結♌構原理(lǐ)如圖1所示。
　　旋(xuán)進旋渦流量(liàng)計是基于旋(xuán)渦進動現象(xiàng)工作的。流體(tǐ)流入旋進旋(xuán)渦流量計後(hou)，首先通過一(yi)組由固定螺(luo)旋🛀🏻形葉片組(zu)🔞成的起旋器(qì)後被強制旋(xuan)轉，使流體形(xíng)成旋渦，旋渦(wō)中心爲“渦核(hé)”是流體旋㊙️轉(zhuan)運動速度很(hěn)高的區域，其(qí)外圍是環流(liu)。流體流經收(shōu)縮段時旋渦(wo)加速，沿流動(dong)方向渦核與(yu)流量計的🈚軸(zhóu)線相一緻。當(dāng)進入擴大段(duàn)後，旋渦急劇(jù)減✏️速，壓力上(shàng)升，中心區🌈域(yù)的壓力比周(zhou)圍壓力低，于(yu)是産生了局(ju)部回流；在回(hui)🈲流作用下，渦(wo)核開😄始像剛(gang)體一樣圍繞(rào)中心軸在✍️擴(kuò)張段壁🌍面做(zuo)螺旋進動。其(qi)進動頻率與(yǔ)流體💞的流速(su)成正比。因此(cǐ)，測✏️得旋進旋(xuán)渦的頻率即(jí)能反映流速(sù)和體積流量(liang)的大小。
2模型(xíng)建立與計算(suàn)
2.1仿真模型的(de)建立
　　根據現(xian)有的實物模(mó)型使用NX建立(li)仿真模型，根(gēn)據測💔繪🌈得出(chu)✔️DN25旋進漩渦流(liú)量計重要尺(chǐ)寸：進出口直(zhí)徑爲25mm，收縮比(bi)爲1.25，收縮段夾(jia)角爲12°，起旋器(qi)葉片夾角爲(wei)42°，擴張段夾角(jiao)㊙️爲60°，建立如圖(tú)2所示三維模(mó)型。

　　再根據實(shí)物參數建立(li)好的DN25旋進旋(xuan)渦流量計模(mo)型的🚶‍♀️基礎上(shàng)進行修改，得(de)到DN20小型旋進(jin)旋渦流量計(jì)模型。DN20旋進旋(xuan)渦流量計具(jù)體結構尺寸(cun)數據如下：進(jin)出口直徑爲(wèi)φ20mm，收縮段夾角(jiao)爲12°，起旋⛷️器葉(yè)片入射角爲(wèi)42°，收縮比爲1.25（喉(hóu)部直徑爲φ16mm），擴(kuo)張段夾👨‍❤️‍👨角爲(wei)60°，結構尺寸如(ru)圖3所示。

2.2流體(ti)力學控制方(fāng)程和湍流模(mó)型
　　旋進旋渦(wo)流量計的流(liú)體動力特性(xing)，可以用流體(tǐ)力學基本方(fāng)🌈程進行描述(shù)。
　　連續性方程(chéng)和動量方程(cheng)：

式（1）、式（2）中：p——靜壓(yā)；ui——流動速度；f——質(zhì)量力；τij——應力質(zhì)量。

　　流量計内(nei)部爲湍流流(liu)動，需引入湍(tuan)流模型，标準(zhǔn)的K-Epsilon湍流模型(xíng)用于強旋流(liu)或帶有彎曲(qu)壁面的流動(dong)時，會出現一(yī)定的✊失真，因(yin)此本文選用(yong)RNGk-?湍流模型。湍(tuan)流模型和⛹🏻‍♀️相(xiàng)關方程在文(wen)獻[5]中有🈲詳細(xi)說明。
3K值系數(shù)的确定
3.1不同(tóng)流量下的K值(zhi)系數
　　DN20小型旋(xuán)進旋渦流量(liang)計的範圍爲(wèi)2.5m3/h～25m3/h，分别選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和(he)2.5m3/h，作爲仿真♌計(jì)算的進出口(kou)流量，出口的(de)相對壓力設(she)爲0Pa，壁面爲無(wu)滑移邊界。先(xiān)常定計算，然(rán)後在常定計(jì)算的基礎上(shàng)進行非常定(dìng)計算。
　　選取上(shang)述4組仿真的(de)同一截面的(de)同選定一測(cè)量點，分别計(ji)算🎯點🌈的壓力(li)變化頻率與(yu)壓差，從而判(pàn)斷不🌈同流量(liàng)下DN20小型旋進(jin)旋渦流量計(ji)的性能優劣(lie)。
　　截面取喉部(bù)（擴張段前截(jié)面處），截面上(shang)節點位置距(ju)離壁面3mm，具體(ti)位置如圖4所(suo)示。不同流量(liang)下的節點的(de)壓力變化雲(yún)圖如圖5所示(shi)。

　　根據圖5數據(jù)，整理可得到(dào)以下數據：流(liu)量爲25m3/h時，0.002s内壓(yā)力✊變化約爲(wèi)3.9次，頻率爲1950Hz，換(huan)算得K此時K系(xi)數約爲281000；流量(liàng)爲12.5m3/h時，0.005s内壓力(lì)變化約爲4.5次(ci)🥵，頻率爲900Hz，換算(suan)得K此時K系數(shù)約爲259366；流量爲(wèi)5m3/h時，0.02s内壓力變(bian)化約爲6.5次，頻(pín)🌈率爲325Hz，換算得(dé)✔️K此時K系數約(yue)爲233981；流量爲2.5m3/h時(shí)，0.1s内壓力變化(huà)約爲17次，頻率(lǜ)爲170Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約爲(wei)244957。
　　根據上述數(shù)據整理可得(dé)：平均K系數值(zhi)約爲254825。
　　以上數(shu)據存在以下(xia)問題：當測量(liàng)低流量（2.5m3/h）時，出(chu)現壓差🏃減小(xiǎo)，壓力變化的(de)範圍不大，渦(wo)核轉動幅度(du)減小，脈動😍效(xiao)應不明顯，不(bú)利于傳感器(qì)的測量。針對(dui)此問題，本文(wén)對DN20小型旋進(jin)旋㊙️渦流量🔱計(ji)進行結構優(yōu)化，以提高流(liú)量計在測量(liang)低流量時的(de)測量精度。
3.2針(zhen)對小流量測(cè)量的結構優(you)化
　　參考相關(guān)論文[7]，影響流(liú)量計儀表精(jīng)度與最小測(cè)量流量的❄️3個(gè)相關因素爲(wei)：收縮段角度(du)、起旋器入射(shè)角和喉🌈部直(zhí)徑（收縮比）。
　　仿(páng)真實驗選用(yòng)三因素三水(shui)平正交實驗(yàn)，三因素分别(bie)☀️爲：起旋角、收(shou)縮角和收縮(suō)比。起旋角對(duì)應的三水平(ping)爲40/42/45，收縮比對(dui)應的三水平(ping)爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角對(duì)應的三水🙇🏻平(ping)爲13/12/15。綜合考慮(lü)🌈所有的因素(su)要😍實驗27次，而(ér)正交實驗隻(zhi)要選取9組關(guan)鍵實驗，表1爲(wei)正交實驗表(biǎo)。

　　依照三因素(su)三水平正交(jiao)實驗表，按順(shun)序進行正交(jiao)實驗✨，得♈到不(bú)⭐同情況下的(de)相同時刻的(de)截面壓力雲(yun)圖如圖6所示(shì)，截面壓力的(de)變化圖如圖(tú)7所示。圖片按(an)實驗序号一(yi)一對應。、


　　由正(zhèng)交實驗所得(dé)到的數據可(kě)知，模型六與(yǔ)模型九在⁉️低(dī)流量的⭕情況(kuàng)下仿真，壓力(li)變化明顯，壓(yā)力變化幅度(dù)較原模型顯(xiǎn)著🚶提高🧡，脈動(dòng)效應明顯，即(ji)相較于原模(mo)型💋得到優📐化(hua)。
3.3确定模型
　　爲(wei)了進一步驗(yàn)證模型參數(shù)的優化情況(kuang)，選擇最優㊙️模(mo)型✌️，分别取不(bú)同的進口流(liu)量，對模型六(liu)與模型九進(jin)行仿真實驗(yàn)，計算對應的(de)頻率和K系數(shù)值。
　　考慮到原(yuán)模型的流量(liang)範圍在2.5m3/h～25m3/h，頻率(lü)爲150Hz～1500Hz，此次仿真(zhen)實❤️驗取‼️對應(ying)的🚩進口流量(liang)爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型六(liù)不同進口流(liu)量的對應壓(yā)力變化圖如(rú)圖8所示。根據(jù)4組仿真實驗(yan)所得數據，得(de)到模型六的(de)頻率輸出範(fan)圍約爲162Hz～2100Hz，K值平(ping)均爲279845，較原模(mo)型提高約27%。

　　模(mó)型九不同進(jin)口流量的對(duì)應壓力變化(huà)圖如圖9所示(shì)。根據4組仿真(zhen)實驗所得數(shù)據，得到模型(xíng)九的頻率輸(shu)出🎯範圍約爲(wèi)200Hz～2350Hz，K值平均爲322343，較(jiao)原模型提高(gāo)約46%。

　　根據所有(yǒu)相關數據得(dé)出結論：模型(xing)九相較于模(mó)型六♋有更🚩好(hǎo)的優化效果(guo)。因此，選取模(mó)型九做爲最(zuì)優模型
3.4測量(liàng)點的選定
　　由(yóu)于流量計的(de)脈動複雜性(xing)，在管道内部(bù)對流場壓力(li)測量點的選(xuan)取至關重要(yào)。爲了選擇最(zui)優測量點，對(dui)整🤩個模型進(jin)行仿⭐真實驗(yàn)，根據以往經(jing)驗，選取喉部(bu)附近不同的(de)😘8個位置進行(háng)相🚶‍♀️應的測量(liàng)，查看對應的(de)壓力變化，從(cóng)而判斷最優(you)的測量點。本(ben)次仿真實驗(yàn)選擇的8個測(ce)量點的位置(zhi)如圖10所示。

　　在(zài)低流量2.5m3/h仿真(zhēn)環境下，選擇(zé)如圖10所示的(de)8個不同節點(dian)，比較壓力變(bian)化幅度及峰(feng)值的變化。由(yóu)上述實驗知(zhī)模型九優化(huà)效果最好，所(suo)以選用模型(xíng)九做爲本次(cì)仿真實驗的(de)🚶仿真模型，圖(tú)11爲各個不🤞同(tong)節點的壓力(li)變化圖，其中(zhōng)a、b、c、d、e、f、g和h與圖10上節(jie)點一一對應(yīng)。
　　由于脈動信(xin)号的拾取是(shi)通過壓力傳(chuan)感器測得，在(zai)傳感器測量(liang)🌂條件一定的(de)情況下，壓力(lì)幅值變化越(yue)大越容易測(cè)量。由圖11所得(de)數據可知，c點(diǎn)和d點的壓力(li)🐅幅值與極值(zhi)大于其他測(cè)量點，有利于(yu)壓力傳感器(qi)🛀🏻的檢測，綜合(hé)所有實👄驗的(de)壓力🥵截面圖(tú)判斷，确定最(zuì)優的檢測點(dian)在距離喉部(bù)末端約0mm～1mm，且距(jù)壁面2mm～4mm處。

4結語(yǔ)
1）本文根據DN25旋(xuán)進旋渦流量(liang)計實物模型(xing)，繪制出DN20小型(xíng)旋進旋渦流(liú)🆚量計，借助ANSYSFluent對(dui)DN20小型旋進旋(xuan)渦流量計進(jin)行仿真實驗(yan)，獲得了DN20小型(xíng)流量計不同(tóng)結構的内部(bu)流場及🈲其信(xin)息♋，分析了流(liú)量計工作範(fàn)圍内旋渦規(gui)律和流量之(zhī)間的關💰系，綜(zōng)合分🐪析後确(que)定其K值系數(shù)。
2）根據DN20微型旋(xuan)進旋渦流量(liang)計在小流量(liàng)工況下的壓(ya)力變💋化情況(kuang)，優化了其結(jié)構，确定起旋(xuán)角爲45°、收縮比(bi)爲20：15、收縮角爲(wei)12°時🌍，可有效解(jiě)決DN20微型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)對小流量的(de)測量不精确(què)的問題。
3）本文(wen)在優化模型(xing)的基礎上，根(gēn)據同一流量(liang)下的壓力變(bian)化情況，綜合(hé)所有實驗，确(que)定了DN20小型旋(xuán)進旋渦流量(liàng)計的最優測(cè)量點，爲DN20小型(xíng)流量計開發(fa)提供了理論(lun)依據。
4）在上述(shù)仿真研究和(he)DN20建模的基礎(chu)上，依次制作(zuò)了DN20小☔型流量(liang)計3D打印樣機(ji)，通過測試其(qi)實際K系數在(zai)小流量段👅基(jī)本🙇‍♀️接近理論(lùn)值，結果表明(míng)本文流量計(jì)的性能達到(dao)了開發預期(qi)。

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