摘要:爲了(le)解決數量逐年增(zēng)多的低産井流量(liang)測量問題,設計了(le)一種精度高渦輪(lun)流量計 。通過理論(lùn)分析與數值仿真(zhen)對 渦輪流量計 的(de)三維流場進行了(le)分析,并優化出其(qi)最合理結構。利用(yòng)實驗裝置将精度(dù)高渦輪流量計與(yǔ)傳統渦輪流量計(jì)的✍️響應特性進行(háng)🔴了對比,結果表明(míng),精度高渦輪流量(liàng)計在單相水介質(zhi)中，啓動排量0.3m³/d,低于(yú)傳統渦輪流量計(ji)的1.0m³/d,分辨率也有1.7倍(bèi)的提高,可見精度(dù)高🐅渦輪流量計在(zài)低流量測量中具(ju)有良📧好的應用前(qián)🆚景。
　　渦輪流量計以(yǐ)其結構簡單、測量(liàng)精度高、重複性好(hǎo)而廣泛♊應用于油(you)田流量測量領域(yu)。在我國,随着大部(bù)分油田進入開發(fa)中後期,低産井數(shù)量逐年增多。爲了(le)準⛱️确掌握這些低(di)🤩産井的産量情況(kuàng)，評估其可開采價(jià)值,需要準确測量(liàng)其流量信息。衆所(suǒ)周知，隻🔴有流量大(dà)于啓動排量,渦🧡輪(lún)流量計才💚會給出(chu)響應,所以研發設(she)計出一種啓動排(pai)量低的精度高渦(wo)輪流量計,無疑對(dui)于油田流量測量(liàng)具有重要的意義(yi)。自20世紀30年代渦輪(lún)流量計發明後,經(jing)過國内外無數科(kē)研工作者的研究(jiū)和探索,其基本理(li)論和相應的🚶模型(xing)都已非常成熟。但(dan)是💘目前對于渦輪(lun)流量計的研究主(zhǔ)要集👈中在大流量(liang)條件下的使用,低(di)流量條❌件下👨‍❤️‍👨的啓(qǐ)動和響應特性研(yan)究較少,難以滿足(zú)實際生産中對🥵于(yú)低流量條件下渦(wō)輪🎯流量計的使用(yong)需求。
　　利用目前流(liú)行的有限元計算(suàn)軟件AN-SYS對渦輪流量(liang)計✉️流場進行仿真(zhēn)計算,設計出一種(zhǒng)精度高渦輪流量(liàng)計,通過室内實⚽驗(yan)表明其啓動排量(liàng)和分辨率與傳統(tong)渦輪🏃‍♀️流量計相比(bi)都有了大幅度的(de)提高。
1理論分析①
　　渦(wō)輪流量計作爲速(su)度式儀表,以動量(liàng)矩守恒爲基🈲礎,渦(wo)💚輪流量計基本力(lì)矩平衡方程爲[1]:
 
式(shi)中
Tb一軸與軸承的(de)粘性摩擦阻力矩(ju)(流動産生的力矩(ju));
Td一渦輪流量計轉(zhuǎn)動的驅動力矩;
Th一(yī)輪毂表面的粘性(xìng)阻力矩;
Tm一磁電阻(zǔ)力矩和軸與軸承(chéng)的機械摩擦阻力(li)矩之⭐和;
T1一葉片頂(dǐng)端與傳感器外殼(ke)的粘性摩擦阻力(lì)矩;
Tw一輪毂端面粘(zhan)性摩擦阻力矩;
J一(yī)渦輪的轉動慣量(liàng);
ɷ-渦輪轉動的角速(su)度。
　　當流速較低時(shi),渦輪流量計處于(yu)靜止狀态,此時角(jiao)速💛度ɷ非常👅低,接近(jin)于0,Tb和Tw也可以忽略(luè)不計。在這種情況(kuang)下，式(1)可以簡💜化爲(wei):
 
　　由式(2)可以看出提(ti)高驅動力矩是降(jiang)低渦輪流量計啓(qǐ)🏒動排量的一-條捷(jié)徑。如圖1所示，傳統(tong)渦輪流量計入口(kou)端是❄️直管段和軸(zhóu)向導流片,流體流(liu)經渦輪葉片之前(qian)♈隻有軸向速度,對(duì)渦輪的驅動力矩(jǔ)隻是對⭐渦輪葉片(piàn)作用力的徑向分(fèn)力産生的力矩。因(yīn)爲渦🏃‍♂️輪葉片螺旋(xuán)角爲45°,如果将導流(liú)片改爲螺旋角爲(wei)-45°的📞螺旋導流片(圖(tu)⚽2),當流體進入導流(liu)片時會産生旋轉(zhuǎn)🔞,方向與渦輪葉片(piàn)正交,使得流體在(zai)軸向流動速度不(bu)變的基礎上增加(jia)⁉️了徑向的旋轉運(yùn)動,流體的旋🎯轉方(fang)向與❌渦輪葉片的(de)轉動方向一緻,在(zài)相同流量條件下(xia),增加了流🎯體對渦(wō)輪葉片的驅動力(li),實現降低啓動排(pai)量和提高分辨率(lü)的目的,整體結構(gòu)如圖✂️3所示。
 
2仿真研(yán)究
　　Workbench是ANSYS公司開發的(de)協同仿真環境,是(shi)将仿真過程結合(he)💘在--起的平台，可以(yǐ)大大簡化仿真過(guò)程中各模塊間的(de)交互操作。通👈過幾(ji)何建模(圖4)、網格劃(huà)分、計算求解👉及後(hòu)處理等過程,可以(yǐ)比較準确地仿真(zhen)複雜機械模型的(de)各物理參數場分(fen)布[2-4]。
 
　　利(li)用Turbogid對計算域進行(háng)網格劃分,将其劃(hua)分爲約10萬個六面(miàn)體網格。人口、出口(kǒu)部分爲.靜止網格(ge)，,采用絕對參考系(xi),葉片部分爲動網(wǎng)格,繞圓心轉動,采(cai)用相對😍參考系,參(cān)考系✉️轉動速度與(yu)網格轉速相同。網(wang)格劃☂️分情況如圖(tú)5所示。
 
　　如圖6~8所示,流體流(liú)經渦輪流量計之(zhī)前,壓力較高,速度(dù)較低，經✂️過🐕導流片(pian)時産生旋轉,速度(dù)得到提升,壓力降(jiang)低。當通過導流片(pian)後,壓力、速度基本(ben)不變,依然保持旋(xuan)轉狀态,遇到渦輪(lún)葉片🔴阻擋後🏒,流速(su)降低,壓力進一-步(bù)減小，流體所攜帶(dai)的🆚能量傳遞給渦(wō)輪葉👈片,對渦輪葉(yè)片産生較大的驅(qu)動力矩,推動其轉(zhuan)動⛹🏻‍♀️。
 
　　爲了得到導流(liu)片螺旋角與渦輪(lún)葉片螺旋角的匹(pǐ)配,利用ANSYS軟件😘對不(bu)同角度導流片的(de)驅動力矩進行計(jì)算✏️，其中🏃🏻管道直徑(jing)爲14mm,渦🌐輪葉片直徑(jìng)爲13.5mm,重疊度爲1.64,葉片(piàn)螺旋角爲45°,導流片(piàn)螺旋角🔞分别設爲(wèi)-35°、-45°和-55°,來流條件分别(bié)設爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于速🍓度較(jiao)低,采用層流模型(xíng),各不同工況條件(jiàn)下渦輪葉片受到(dào)的驅動力矩情況(kuang)如圖9所示。導流片(pian)🔴螺旋角爲-45°時渦輪(lún)葉片受力更大,更(geng)容易啓動。此時渦(wō)輪葉片螺旋角與(yǔ)導流片螺旋角恰(qia)好成90°,可充分利用(yong)流體動量使渦輪(lun)葉片更易啓動,模(mó)拟結果與上述理(lǐ)論分析相符。
 
3實驗(yàn)研究
　　通過搭建實(shi)驗平台(圖10)對計算(suan)結果進行驗證。實(shí)驗平💋台💜應具備以(yi)下兩個功能:在低(dī)流量下能夠非常(chang)🐅平穩的運行;具備(bei)精确測量流量的(de)功能。
　　該平台以單(dan)相水流爲介質,循(xún)環流動通過水泵(bèng)實🏃‍♀️現;流量的精确(què)控制主要通過固(gu)定上遊水位和調(diào)♌節閥🏒來實現,流🥵量(liàng)的測量♋采用簡便(bian)可靠的容積時間(jiān)法。
 
　　實驗平台中上(shang)方爲穩壓水箱,提(tí)供-一個穩定的壓(ya)力源,在管道内阻(zǔ)力不變的情況下(xia),保證管道内流速(sù)不會發生變化,經(jīng)過2m長的下降段,流(liu)人渦輪流量計,随(sui)後🈲流出實驗管道(dào),通過量⛱️筒計量可(ke)以精确得到管路(lù)内的流速。通⭕過高(gao)速攝影可以清晰(xī)的觀察🌏低速條件(jian)下渦輪流量計的(de)響應情況。
　　爲了驗(yan)證精度高渦輪流(liu)量計的響應情況(kuang),實驗将精度高渦(wo)輪流量計與傳統(tǒng)渦輪流量計在相(xiang)同條件下進行🌂對(dui)比🛀。
　　實驗介，質爲單(dan)相水,流量範圍0~20m³/d,通(tōng)過調節不同的流(liu)量點來記錄⚽輸出(chu)頻率,流量點誤差(cha)優于1%,每次測量時(shí)間爲60s,采樣間隔爲(wèi)5ms,每點測量3次取平(píng)均值,測量數據見(jian)表1。
 
4結論
4.1理論研究(jiū)與數值仿真确定(dìng)了精度高渦輪流(liú)量計的合理⛷️結構(gou),即導流片螺旋角(jiǎo)爲-45°與渦輪葉片正(zheng)交時,同樣來流條(tiao)件下驅動力矩大(da)。
4.2.在單相水條件下(xia),高靈敏渦輪流量(liang)計啓動排量0.3m³/d,遠低(di)于傳統渦輪流量(liàng)計的1.0m³/d,分辨率也有(yǒu)1.7倍的提高,可以解(jiě)決部分單井産量(liàng)低于1.0m³/d的低産井的(de)流量測量問題。
4.3該(gai)流量計結構簡單(dan)、調試方便、不改變(bian)現有儀器結構,易(yì)于規💘模推廣應用(yong)。

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