[摘(zhai)要]采用計算(suàn)流體力學(CFD)的(de)方法對一口(kou)徑爲80mm的氣體(ti)渦輪流量計(jì) 進行工況條(tiao)件的數值模(mo)拟研究.通過(guò)計算,分析了(le)💃🏻流量計在不(bú)同流量下,各(ge)部件包括前(qian)整流器.前導(dǎo)流器、機芯殼(ké)體、葉輪支座(zuo)、葉輪和後.導(dǎo)流器對壓力(lì)損失的影響(xiǎng),給出了各✌️部(bu)件的流量與(yǔ)壓力損失的(de)關系曲線及(jí)其壓力損失(shī)比例.數值模(mó)拟結果與實(shí)驗結果相符(fú),進而從流道(dao)内的壓力分(fen)🌂布和流場分(fen)🎯析壓力損失(shī)㊙️原🈲因并提出(chū)減少壓力損(sǔn)失的改進思(sī)路.
　　在天然氣(qì)的采集、處理(lǐ)、儲存、運輸和(hé)分配過程中(zhong),需要數以百(bai)📱萬✏️計的流量(liang)計,它既是天(tian)然氣供需雙(shuang)方貿易🐇結算(suàn)的依據,也是(shi)生産部門用(yong)氣效率的主(zhǔ)要技術指标(biāo)，因此🌈對流量(liàng)計測量🐇正确(que)率🤞和可靠性(xing)有要求.
　　氣體(tǐ)渦輪流量計(jì)屬于速度式(shi)流量計,是應(yīng)用于燃氣貿(mao)易計量的三(sān)大流量儀表(biǎo)之一，由于具(jù)有重複性好(hǎo)、量程範圍寬(kuan)、适㊙️應性強、精(jing)度高、對流量(liàng)變化反應靈(ling)敏、輸出脈沖(chòng)信号、複現性(xìng)❤️好和體積小(xiǎo)等特點，氣體(tǐ)渦輪流量計(ji)近年來已在(zai)石油、化工和(hé)天然氣等領(lǐng)域獲得🌍廣泛(fan)的應用”。
　　随着(zhe)渦輪流量計(ji)在管道計量(liang)領域的廣泛(fan)使用,天然氣(qì)管道🌏輸送過(guo)程中的能耗(hao)成爲不容忽(hu)視的問題，而(er)天然氣管道(dào)輸送過程中(zhong)的壓力損失(shī)是産生能源(yuan)消耗的主要(yào)原因之一.爲(wèi)🐉保證天👉然氣(qì)能順利輸送(sòng)至用戶端,就(jiù)需要提高各(ge)壓氣站的輸(shū)送壓力🐪并盡(jìn)量減少管道(dào)輸送過🔞程中(zhōng)的壓力損失(shi),而各級管道(dào)上的計量流(liú)量計所造成(cheng)🤞的壓力損失(shī)占有很❓大比(bǐ)重，因此,氣體(ti)渦輪流量計(jì)的壓力損失(shi)研究對節能(néng)減排和推動(dòng)我國燃氣計(jì)量儀表産業(ye)的發展具有(you)較好的推動(dong)作用，
　　目前，渦(wō)輪流量計的(de)優化主要通(tong)過改良其導(dǎo)流件、葉輪，軸(zhou)承、非☔磁電信(xin)号檢出器等(děng)部件的結構(gou)尺寸☁️和加工(gong)工藝，來改善(shan)流量🚶‍♀️計測量(liang)氣體、高粘度(du)流體和小流(liu)量時的特性(xìng).孫立軍[切對(duì)降低🌈渦輪流(liú)量傳感器粘(zhān)度變化敏感(gan)度進行了研(yán)究.SUN等0采用了(le)Standardke湍流模型數(shù)值模🌏拟口徑(jìng)爲15mm的渦輪流(liú)量計🈲的内部(bu)流動,結果表(biǎo)明壓力損失(shi)受到前端🥵和(he)後端形狀、導(dǎo)😘流體半徑、導(dao)流體的導流(liu)片和🏒渦輪葉(yè)片厚度的影(ying)響.劉正先和(he)徐蓮環回雖(suī)💃然對氣體渦(wo)輪流量計的(de)流動進行實(shí)驗🈲測量和數(shu)值計算，發現(xian)前導流器的(de)🧡結構變化對(dui)後面各部件(jiàn)内的氣體流(liu)動速度梯度(dù)和壓力恢複(fu)也有明顯影(ying)響,使總壓力(li)損失進一步(bu)放大或減📧小(xiao),但對流量計(ji)的其它部件(jiàn)未進行分析(xī).本文将對一(yi)種型号氣體(ti)渦輪流量計(jì)各部件的壓(ya)力損失與流(liu)量的關系進(jìn)行分析研究(jiū)，以提出其優(you)化🈲思路.
1渦輪(lun)流量計的基(jī)本結構及工(gōng)作原理
　　本文(wén)采用80mm口徑氣(qì)體渦輪流量(liàng)計作爲研究(jiū)對象,對🌈其進(jìn)行内部♋流道(dào)的壓力損失(shī)數值模拟.氣(qì)體渦輪流量(liàng)計結構示意(yì)圖如圖1.氣體(ti)渦輪流量計(jì)實物如圖2,其(qi)中圖2(a)爲渦🔞輪(lun)流量計實物(wu)圖,圖2(b)爲渦輪(lún)流量計機芯(xīn)葉輪❌實物圖(tu).
 
　　氣體渦輪流(liu)量計的原理(lǐ)是,氣體流過(guò)流量計推動(dòng)渦輪葉片🐉旋(xuan)轉,利用置于(yu)流體中的葉(ye)輪的旋轉角(jiao)速度⚽與流體(ti)流速成比例(li)的關系，通過(guò)測量葉輪轉(zhuǎn)速來得到流(liu)體🌈流速，進而(ér)得到☁️管道内(nei)❤️的流量值[10].渦(wō)輪流量計輸(shū)出的脈沖頻(pín)率S與所測體(ti)積㊙️;流量qv成正(zhèng)比，即
 
　　式(2)中:J一(yi)葉輪的轉動(dong)慣量;t一時間(jian);ω一葉輪的轉(zhuan)速;Tt一🔆推動力(li)矩;Trm一機械摩(mo)擦阻力矩;Ttf一(yī)流動阻力矩(jǔ);Tre一電⭐磁阻力(li)矩🛀.
2計算模型(xing)
2.1數學模型
　　設(shè)定渦輪流量(liàng)計數值模拟(nǐ)的工作介質(zhi)爲空氣.流動(dòng)處于湍流流(liú)動，數值模拟(ni)湍流模型采(cai)用RealizableK-e模型，該模(mó)型✍️适用于模(mo)♋拟計✨算旋轉(zhuǎn)流動.強逆壓(ya)梯度的邊界(jie)層流動、流動(dong)分離和二次(cì)流等,其模❤️型(xing)方程表示爲(wei)11]1:

 
2.2流體區域網(wang)格劃分
　　使用(yòng)Solidworks三維設計軟(ruan)件依照實物(wu)尺寸對渦輪(lun)流量計🐪各部(bù)件🐅進行建模(mó)及組裝，簡化(hua)主軸、取壓孔(kǒng)和加油孔等(deng)對流體區城(cheng)影響較小的(de)部分，
　　先對機(ji)芯部分做布(bù)爾運算得到(dào)純流體區域(yu)，然後對🚶‍♀️葉輪(lún)外加包絡體(tǐ)形成旋轉區(qū)域，在機芯進(jin)出口前後均(jun1)加上15倍機芯(xīn)☔口徑的直管(guan)段，以保證進(jin)出口流動爲(wèi)充分發😄展湍(tuan)流.
　　全部流體(ti)區域包括前(qián)後直管段、葉(ye)輪包絡體以(yi)及機👅芯💛部🏃分(fen)♊的流體區域(yu).用Gambit軟件對三(san)維模型進行(hang)網格劃分，對(duì)流體區域中(zhong)的小面和尖(jiān)角等難以生(shēng)成網格的部(bu)分進行優化(huà)和簡化處理(li)，流體區域使(shi)用非結構化(hua)㊙️混合網格，并(bìng)對機芯流道(dao)内葉輪等流(liu)動☎️情況較複(fu)雜區域進行(hang)了🏃局部加密(mì)，如圖3.其中圖(tu)3(a)爲機芯流體(tǐ)區👣域網格圖(tú)，圖3(b)爲葉🚶‍♀️輪網(wǎng)格圖,整體網(wang)格🔆總數量約(yuē)230萬.
 
2.3數值(zhi)模拟仿真條(tiao)件設置
　　數值(zhí)計算時，爲方(fang)便模拟結果(guo)與實驗結果(guo)的對比,環境(jing)溫度、濕度和(he)壓力設置與(yu)實驗工況相(xiang)同,流體介質(zhi)選擇💃空氣,空(kong)氣的密度ρ和(hé)動力粘度”根(gēn)據Rasmussen提出的計(jì)算規程拟合(hé)推導出的簡(jiǎn)化公式(5)和(6)計(ji)算獲得🧑🏽‍🤝‍🧑🏻：
 
　　模型(xíng)選擇Realizablek-e湍流模(mó)型，壓力插值(zhí)選擇Bodyforceweighted格式,湍(tuan)流動能、湍流(liú)🈚耗㊙️散項和動(dong)量方程均采(cǎi)用二階迎風(feng)格式離散，壓(ya)🤩力與速度的(de)耦合采✍️用SIMPLEC算(suàn)法求解，其餘(yu)設置均采用(yòng)Fluent默認值.
　　計算(suàn)區域管道人(rén)口采用速度(dù)入口邊界條(tiáo)件，速度方向(xiang)垂直于人口(kou)直管段截面(mian)，出口邊界條(tiáo)件采用壓力(li)出口.葉輪包(bao)絡體設置爲(wei)動流動區域(yù),其餘爲靜流(liú)動區域，采用(yòng)interface邊界‼️條件作(zuò)爲分界😍面，對(dui)于旋轉👅部分(fen)和靜🔴止部分(fen)之間的耦合(he)🐅采用多重參(can)考坐标模型(xíng)(MRF).葉輪采🔆用滑(huá)移邊界條件(jiàn)且相對于附(fù)近旋轉流體(ti)區域速度爲(wei)零.葉輪轉速(su)是通過使用(yong)FLUENT軟件中的TurboTopol-ogy與(yǔ)TurboReport功能，不斷調(diao)整葉輪✏️轉速(sù)，觀察葉輪轉(zhuan)速是否達到(dào)力矩平衡來(lái)确定的。
3數值(zhi)模拟結果分(fèn)析
　　在流量計(jì)流量範圍内(nèi)選取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這6個(ge)流量點進行(háng)同工況環境(jìng)數♊值模拟，得(dé)到氣體渦輪(lun)流量計的内(nei)部流場和壓(yā)力分布等數(shu)據.進口橫截(jié)面取于前整(zhěng)流器前10mm處💘，出(chū)口橫截面取(qu)于後導流體(ti)後🌈10mm處.計算渦(wō)輪流量計進(jìn)出口橫截面(mian)上的壓力差(cha)，即得到流量(liang)計的壓力損(sǔn)失。
 
　　圖4爲流量(liàng)與壓力損失(shī)之間的關系(xì)曲線,圖中實(shi)驗值是在工(gong)況❓條件下使(shǐ)用音速噴嘴(zui)法氣體流量(liàng)标準裝置測(ce)得.
　　根據圖4中(zhōng)壓力損失随(sui)流量的變化(huà)趨勢，可以将(jiang)流量與💯壓力(li)損失之間的(de)關系拟合曲(qu)線爲二次多(duo)項式,其🎯表達(dá)式爲
 
　　這與流(liú)量計的壓力(lì)損失計算公(gōng)式(8)趨勢相符(fu),均爲☂️二次函(han)數，且數值模(mó)拟結果與實(shi)驗結果吻合(hé)得較好，說明(ming)渦輪流量計(ji)的内部流場(chang)數值模拟方(fāng)法及結果是(shi)可行且可靠(kào)的.流量計❌的(de)壓力損失計(jì)算公式爲。
 
式(shi)(8)中:△P----壓力損失(shi);α壓力損失系(xi)數;υ----管道平均(jun)流速.
　　以流量(liang)Q=250m³/h的數值模拟(ni)計算結果爲(wèi)例進行渦輪(lun)流量計内部(bù)流場及壓力(li)場的分析.圖(tu)5爲渦輪流量(liàng)計軸向剖🈲面(mian)靜壓分布圖(tu).前導流器前(qian)後的壓力場(chang)分布較均勻(yún)且壓力❓梯度(du)較小，在機芯(xīn)殼體💘與葉輪(lun)支座連接凸(tū)台處壓力有(yǒu)♍所增加,連接(jie)面後壓力又(you)逐漸減小.故(gù)認爲流體流(liu)經葉輪支座(zuò)産生壓力損(sun)失的主要原(yuan)因是連接處(chù)存在凸台,導(dǎo)緻流場出現(xian)較大變化，不(bu)能🛀🏻平滑過渡(dù),建議将葉輪(lun)支座與機芯(xīn)殼體的連接(jie)改爲圓弧線(xiàn)型或流線型(xíng).
　　觀察圖5和圖(tu)6,當流體流經(jīng)葉輪從後導(dao)流器流出渦(wō)輪流量計時(shí)🤩,壓力梯度變(biàn)化明顯，存在(zai)負壓區域并(bing)造成很大的(de)壓降，在後導(dao)流器凸台及(jí)流量計出口(kǒu)處速度⛱️變化(huà)明💞顯，由于氣(qi)流通過後導(dǎo)流器後流道(dao)突擴,在後導(dao)流器背面形(xing)成明✏️顯的低(di)速♍渦區，産生(sheng)漩渦二次流(liu)💃🏻。
 
　　結合圖7、圖8流(liu)量計軸向剖(pou)面和出口橫(héng)截面的總壓(ya)及速度分布(bù)圖,其速度分(fèn)布與壓力分(fèn)布相似,流量(liang)計流☀️道内速(sù)度分布較均(jun1)勻的區域其(qi)壓力梯度變(biàn)化也較⛱️小，即(ji)流道内速度(dù)的分布和變(biàn)化與壓力損(sun)失大小相關(guān).由流量計軸(zhóu)向剖面和出(chū)口橫截面的(de)❓速度及壓力(lì)分布圖可以(yǐ)㊙️看出,流量計(jì)後導流器處(chu)産生的漩渦(wō)二次流影響(xiang)了出🌍口橫截(jie)面處的速度(du)及壓力分布(bù),流體呈螺旋(xuan)狀流動,故出(chū)口處速度及(jí)壓力較大區(qu)域均偏移向(xiàng)流體旋轉方(fang)向。
 
　　流量計各(ge)部件的壓力(lì)損失随流量(liàng)變化的趨勢(shi)與流量計總(zǒng)壓力損失随(suí)流量的變化(hua)趨勢相同,其(qi)拟合公式爲(wèi)系數不同的(de)二🈚次多項式(shì)，各部件的壓(ya)力🥰損失與流(liú)量呈二次函(han)數關系，随着(zhe)流量的增加(jiā)，壓力損失顯(xian)著增加.
 
　　觀察(chá)圖10各部件壓(ya)力損失百分(fen)比圖，可見前(qian)整流器、前導(dǎo)流器和機芯(xīn)殼體處的壓(yā)力損失很小(xiao)，葉輪支座處(chù)壓力損失約(yue)占總壓力損(sun)失的1/4.前整流(liú)器所占⛷️壓力(lì)損失比例在(zai)各流量點基(ji)本保持不變(biàn),前導流器和(hé)機芯殼體處(chù)的壓力損失(shi)随流量的增(zeng)加其比例略(lue)有降低,葉輪(lún)支座處💋壓力(li)損失随流量(liàng)的增加🈲其比(bǐ)例略有增加(jiā),但總體上受(shòu)流量影響不(bu)大🐕.葉輪處的(de)壓力損失随(sui)流量從13m³/h增加(jia)至250m³/h,其比例從(cóng)15.88%降至8.71%,降幅明(ming)顯.後導流器(qi)處的壓力損(sǔn)失占總壓😘力(li)損失的大半(bàn),随着流量從(cóng)13m³/h增加至250m³/h其壓(yā)力損失比例(lì)由43.77%升至📧55.83%,增幅(fu)明顯.總之,後(hou)導流器、葉輪(lún)支座和葉輪(lún)是流體👉流經(jīng)渦輪流量計(jì)産生壓⁉️力損(sǔn)失的主要影(ying)響部件,可通(tōng)過優化其結(jie)構以降低渦(wō)輪🏃🏻流量計的(de)總壓力♻️損失(shī).
4結語
　　本文采(cai)用Fluent軟件對一(yī)口徑爲80mm的渦(wō)輪流量計内(nei)部進行了數(shù)值模拟計算(suàn),分析内部流(liu)場、壓力場及(jí)各部件産生(sheng)的壓力損失(shi),得出以下結(jie)論:
1)漩渦二次(ci)流是産生能(néng)量消耗的主(zhǔ)要原因,故建(jian)議對渦輪流(liu)量計葉輪支(zhi)座及後導流(liu)器進行幾.何(he)參數的💜優化(huà),将其凸台♻️邊(biān)緣改爲流線(xian)型以減少流(liu)道🏃🏻突擴的影(ying)響.減少後導(dao)流器葉片厚(hòu)度并增加其(qí)長☀️度及數量(liàng)以減弱氣體(tǐ)螺旋狀流動(dòng),減弱漩渦二(èr)次🐪流,達到降(jiàng)低流量計壓(ya)力損失的目(mù)的.
2)分析各部(bu)件對壓力損(sun)失的影響,其(qi)壓力損失與(yu)流量🈲成二♉次(ci)函數關系.後(hou)導流器相對(dui)于其他部件(jian)是壓力損失(shī)的主🔞要因素(sù),約⭐占總壓力(li)損失的一半(ban),随着流量的(de)增加👨‍❤️‍👨其壓力(lì)損失占總壓(yā)力損失的比(bǐ)例上升了12.15%.葉(yè)輪支座的🤩壓(ya)力損失🌈約占(zhan)總壓力損失(shī)的1/4,其壓力損(sun)失比例随流(liú)量的增加基(jī)本不變.随着(zhe)流量的增加(jiā)葉輪産生的(de)壓力損失比(bi)例降幅明☎️顯(xian).
　　通過數值模(mó)拟分析得出(chū)速度的分布(bu)和變化與壓(ya)🆚力損失✉️大小(xiao)相關,通過優(yōu)化流量計流(liu)道内的速度(du)分布可降低(di)流量計⁉️的壓(ya)力損失,後續(xu)相關的渦輪(lun)🚶‍♀️流量計優化(hua)研究可從優(you)化其♊流道内(nèi)♉速度分布人(ren)手.

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