摘要(yào):利用數值計算(suan)方法研究了不(bú)同安裝條件對(dui)渦輪流量計 性(xìng)能的影響。計算(suàn)結果分析表明(míng),安裝于流量計(jì)前的單🌂彎頭、雙(shuāng)彎頭以及閥門(mén)等管道配件都(dōu)會造成流體㊙️速(su)度💜趨于扁平分(fèn)布和不對稱分(fen)布以及産生漩(xuan)渦流,都是影響(xiǎng)流量計計量精(jīng)度的主要原因(yin)。合理布置彎頭(tóu)和閥門開度的(de)方向,使流體通(tōng)過兩者時産生(shēng)的漩渦流旋轉(zhuan)方☔向相反,則有(you)利于降低流量(liang)計進口前😄漩渦(wō)流的強度,減少(shǎo)對流量計測量(liang)精度的影響。渦(wo)輪流量計的前(qian)導流件能有效(xiào)消除流體速度(dù)中的漩渦流🍉分(fèn)量,但在校正速(su)度分布的不對(duì)稱性和💔扁平性(xing)方面效果并不(bú)顯著。
1引言
渦輪(lún)流量計的測量(liang)精度易受到流(liú)量計前管線安(ān)裝條件🌍的🔞影📧響(xiang)。一般管線系統(tǒng)中的各種管配(pèi)件,包括閥門、彎(wan)頭、變⭐徑管等所(suo)産生的流體幹(gan)擾都會引起流(liu)體📧速度分布發(fā)生畸變,産☔生漩(xuan)渦流和非對稱(chēng)流等，影響了渦(wo)輪流量計的測(cè)♊量精度。安裝條(tiáo)件對㊙️渦輪流量(liang)計性能的影響(xiǎng)早就引起各國(guó)學者的廣泛關(guan)注,并對此問題(ti)進行了較爲系(xì)統的實驗研究(jiu)。先後利用實驗(yan)研究了渦輪流(liu)量計進口前裝(zhuang)有90°彎頭、不在同(tóng)一平面内的雙(shuāng)彎頭、IS09951推薦的能(neng)👄夠産生高和低(dī)流體幹擾的管(guǎn)線結構以及閥(fa)門]等對渦🏃‍♂️輪流(liú)量計測量精度(dù)的🔅影響。
近幾年(nian)數值計算方法(fa)逐漸應用于渦(wō)輪流量計的研(yán)究中🏃‍♀️(8-12],與實驗方(fang)法相比,數值計(jì)算方法具有成(chéng)本🤞低、更能提供(gòng)詳細的三維流(liú)場以及能掌握(wo)管線結構引起(qi)的各種🐇流體幹(gàn)擾的衰減規律(lǜ)等優點。數值計(ji)算方法💰的有效(xiao)性也逐漸得✌️到(dào)了驗證📱E[8.12].但是迄(qi)今爲止仍未見(jiàn)文獻報道利用(yòng)數值計算手段(duan)研究安裝條件(jiàn)對渦輪🥰流量計(jì)性能的影響。
另(lìng)一方面,機動油(you)料裝備逐漸向(xiàng)小型化發展,選(xuan)用計量裝置☂️時(shi)通常考慮選用(yong)測量精度高、質(zhì)量輕的🏃‍♂️流量🌏計(jì)，如渦輪流量計(jì)。然而渦輪流量(liàng)計對前後直管(guǎn)段的要求限制(zhi)了其在機動油(yóu)料裝備上的使(shi)用。爲此,本文利(li)用數值✍️計算手(shǒu)段就流量計進(jin)口前裝有90°彎頭(tóu)、不在同-平面内(nèi)的❌雙彎頭以及(jí)雙彎頭之間🏃🏻‍♂️有(you)一個半圓形💃🏻擋(dang)闆三種安裝條(tiáo)件對流量計内(nèi)部流場以及測(cè)量精度的影響(xiǎng)進行研⭕究,爲渦(wo)輪流量計在機(ji)動油料裝備上(shàng)的應用提供指(zhi)導。.
2流體速度分(fen)布的特征參數(shu)
流體幹擾影響(xiǎng)渦輪流量計測(cè)量精度的速度(dù)畸變主🔞要體現(xian)在⭐三個方面:速(sù)度分布的扁平(píng)性、漩渦流和速(sù)度分布的非對(dui)稱性📱。爲了能定(dìng)量描述流體幹(gan)擾引起的速度(du)㊙️畸變,Mickan定義了軸(zhóu)向動量數K。、漩流(liú)數K,和非對稱數(shù)K,三個特征參數(shù)5)。本文引人這三(sān)個參數,以🏃‍♀️便于(yu)後面的分析。
軸(zhou)向動量數K。用于(yu)衡量流體軸向(xiang)動量通量的轉(zhuan)動力矩的大⛹🏻‍♀️小(xiǎo),其計算式爲:
 
式(shi)中:u爲軸向流速(sù),um爲平均流速,r爲(wèi)徑向坐标，ρ爲流(liú)體密度,R爲管線(xiàn)半徑,A爲管線的(de)橫截面積。對于(yú)充分發展流,Ku爲(wei)定值,約爲0.62,而我(wǒ)們所關心的是(shì)充分發展流與(yu)幹擾流之間的(de)差别，故常用反(fan)映兩☀️者差别的(de)參😘量△Ku(其值等于(yu)Ku-Ku0),它對渦輪流量(liàng)計的測量精度(du)具有較大的影(yǐng)響。.
漩流數Kv用于(yu)衡量軸向漩渦(wō)的強度。由于渦(wō)輪流量🍓計的轉(zhuǎn)♻️速易受漩渦流(liu)的影響,因此Kv的(de)大小對其有重(zhong)要的影響。其計(jì)算式爲:
 
式中:v爲(wèi)切向流速。
非對(duì)稱數KA用于衡量(liang)速度分布對稱(chēng)性的程度,用管(guan)線橫截面上流(liu)體質心與對稱(chēng)軸之間的距離(lí)來表示,其♌計算(suàn)式爲:
 
式中:y、z分别(bié)爲管線橫截面(miàn)上的直角坐标(biao),m爲質量流量。
3數(shù)值計算模型
3.1基(jī)本方程組
描述(shu)渦輪流量計内(nei)部流場的基本(ben)方程組爲連續(xù)性方程、N-S運動方(fang)程和紊流模型(xíng)。目前還沒有普(pǔ)遍适💞用的紊流(liu)模型,本文選用(yong)較常用的标準(zhun)k-ε雙方程模型。模(mo)型方程中🐕相關(guān)系數取值分别(bié)爲:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃分和(he)邊界條件
在數(shù)值計算過程中(zhong),渦輪流量計的(de)葉輪處于旋轉(zhuǎn)狀态,故葉輪部(bù)分的網格劃分(fèn)疏密對計算結(jié)果的正确率具(jù)有重要的影響(xiǎng),在網格劃分時(shi)對葉輪表面的(de)網格進行了适(shì)當的局部✍️加密(mi)處理。前、後導流(liu)件部分區🚶‍♀️域采(cai)用六面體網格(ge),其他區域采用(yòng)四面體網格,葉(ye)輪部分全部采(cǎi)用四面體網格(ge),單流量計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計算(suan)區域内網📧格總(zong)數爲97.31萬個,其中(zhong)葉輪部分的網(wang)格總數爲67.42萬個(ge)。
爲了減少在計(ji)算過程中因計(ji)算域進口與出(chū)口位置對渦輪(lún)流量計内部流(liú)場的影響,本文(wén)計算域的進口(kou)🏃🏻‍♂️與出口适🔞當向(xiang)外作了延伸，上(shàng)遊直管段長度(du)❤️爲.5D,下遊爲10D。進口(kou)采用圓管紊流(liu)✏️流速分布的1/7律(lǜ)來确定。凡與流(liu)體相接觸的所(suǒ)有固體界面上(shang)🈲采用無滑移固(gu)體璧面條件,出(chū)口施加定靜壓(ya)。
4數值計算
4.1流量(liang)計前的管線結(jié)構
文中采用的(de)渦輪流量計結(jie)構如圖1所示。流(liú)量計的内徑爲(wei)🌈15mmm,葉輪葉片數爲(wei)4片,前、後導流件(jian)采用橢球形端(duān)面。
 
本文(wén)主要分析了Casel~Case5等(děng)5種結構，見圖2。
 
Case1:流(liú)量計前是一長(zhang)爲5D的直管段。
Case2:90°的(de)彎頭，其前有一(yī)5D長的直管段。考(kao)慮到機動油料(liào)裝備上流🚶‍♀️量計(ji)的安裝空間非(fei)常受限，彎頭與(yǔ)流量計進口🍓之(zhi)間的距離設☎️爲(wei)1D。
Case3:不在同一平面(miàn)内的雙彎頭,兩(liang)彎頭之間有一(yi)長爲0.5D的直管段(duan),進口管段長度(du)和第二個彎頭(tou)與流量計進口(kǒu)的距離同Case2。
Case4:在Case3的(de)雙彎頭中間位(wèi)置上布置了一(yī)個1mm厚的半圓薄(báo)闆，薄闆位于雙(shuāng)彎頭的外側位(wèi)置。
Case5:除了半圓薄(báo)闆的位置在雙(shuāng)彎頭的内側外(wài),管線結構🥵同Case4。
研(yán)究Case4和Case5的管線結(jié)構主要目的有(yǒu)兩個:一是研究(jiū)閥門對流量計(jì)👄測量精度的影(ying)響;二是閥門開(kāi)度與彎頭的相(xiang)對方向不同時(shi)對🌂流量計測量(liang)精度的影響。
4.2計(ji)算結果與分析(xī)
計算參數:流體(ti)的進口平均速(su)度um爲5m/s,計算介質(zhì)爲20℃的水。
 
圖3示出(chū)了不同條件下(xia)渦輪流量計進(jin)口處在4個方🥵向(xiang)上的軸向和切(qie)向流速分布。從(cong)圖中可以看到(dào),對于Casel這種管線(xiàn)結構,軸向流速(su)符合充分發展(zhan)流的速度分布(bu),切向流速分量(liàng)很小。而且在進(jìn)口橫截面上♍，根(gēn)據式(1)~(3)計算得到(dao)Ku0等于0.62,Kv和KA分别🌏等(deng)于0,因此可作爲(wèi)參🈲考量用于其(qi)它管線結構的(de)分析。本文對所(suo)有計算結果的(de)分析都以此作(zuo)爲參考✉️進行的(de)。
當流量計前裝(zhuāng)有90°彎頭時(Case2)，軸向(xiang)流速在管線對(dui)稱軸上附👣近表(biǎo)現爲最小，然後(hòu)向管壁兩側增(zēng)加,呈現了非對(duì)稱的💚馬鞍型分(fèn)🤩布,且切向流速(sù)表現出了二次(ci)流現象。
當流量(liàng)計前的管線結(jie)構爲不在同一(yī)平面内的雙彎(wan)頭時(Case3)，軸向流速(sù)出現了與Casel相似(si)的非對稱的馬(mǎ)鞍型分布,不過(guo)其不對稱程🐇度(du)要比Casel小，但流速(su)更呈扁🌐平分布(bù);切向流💞速同樣(yàng)出現了二次流(liú)現象,其漩渦強(qiáng)度則要比Casel強得(de)多。
對于兩個彎(wān)頭之間有一半(ban)圓薄擋闆的兩(liang)種管線結構Case4和(he)Case5,軸💚向流速的不(bu)對稱分布非常(cháng)嚴重。除了在θ=90°這(zhe)個😘方向上軸向(xiang)流速呈🏃‍♂️馬鞍型(xing)分布外,在其餘(yu)三個方向🏒上幾(jǐ)乎是從管璧的(de)一.側向另-側單(dān)調遞增的趨勢(shì)。不過,兩種管線(xian)結構的切向流(liu)速則表現出了(le)不同的分布趨(qū)勢。當半圓薄闆(pǎn)布置在雙彎頭(tóu)的‼️外側(Case4),流體速(su)度中含有很強(qiang)的切向流速分(fen)布,其最大值幾(jǐ)乎達到了平均(jun)流速的60%。當半圓(yuán)薄闆布置在雙(shuāng)彎頭的内側(Case5),切(qiē)向流速分量要(yao)比Case4的小得多,甚(shen)至小于Case3。
造成這(zhè)種差别主要是(shi)由于對于Case4,流體(tǐ)通過半圓薄闆(pan)後産生的漩渦(wo)方向和通過彎(wan)頭後産生的漩(xuan)渦方向相同，因(yin)此在流量計進(jin)口前表現出比(bi)Case3更高的切向流(liú)速分量,而Case5的情(qíng)☂️況則反之。由于(yú)這個原因,Case4計♌算(suàn)得到的渦輪流(liu)量計儀表系👈數(shù)與Casel相比,其誤差(chà)偏移爲-1.79%,而CaseS則僅(jin)🔅爲-0.23%,見表1。這個計(ji)算結果同時說(shuō)明了在渦輪流(liú)量計前合理布(bu)置彎頭❌和閥i]開(kāi)度之間的相對(duì)方向,有助于降(jiàng)低漩渦流的強(qiang)度🈲，從而減少對(duì)流量🎯計量性能(néng)的影響🔞。同樣我(wǒ)們研究了流體(ti)通過前導流件(jian)後在其輪毂末(mò)端處軸♻️向流速(su)和切向流速的(de)分布情況,見圖(tu)🚶4。
 
從圖4中可以看(kan)到,受導流件輪(lun)毂的影響，流道(dào)面積減少,軸向(xiang)流速增加;在θ=90°和(he)θ=0°兩個方向上正(zheng)對導流件葉片(piàn),受其尾流的影(yǐng)響,軸🍓向流速明(míng)顯要比其它兩(liǎng)👅個方向上的軸(zhou)向流速低。從圖(tu)中同時可以看(kàn)到,流體經過前(qian)導流件的導流(liú)作用後,切向流(liú)速顯著減小,在(zai)θ=90°和θ=0°兩個方向上(shang)漩渦角的大小(xiǎo)基本上能滿足(zú)🤩ISO9951規定的小于2°的(de)标準，圖中以虛(xū)線表示,在其它(ta)兩個方向上切(qiē)向流速🏃‍♂️的最大(da)✊分量也不超過(guo)平均流速的20%;但(dàn)是其軸向流速(sù)的不對稱分布(bù)和扁平性并沒(méi)有得到有效的(de)改善,同樣是Case5的(de)軸向流速的不(bú)對稱🐪分布最爲(wei)顯著。
不同安裝(zhuāng)條件下在渦輪(lún)流量計進口和(hé)前導流件輪毂(gu)末端兩個橫截(jié)面上Ku、Kv、KA、以及流量(liang)計儀表系數誤(wù)差偏💛移的💚計算(suan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻值見表1。
 
從表1中(zhong)可以看到，造成(chéng)流量計儀表系(xi)數誤差偏移最(zui)大🔴的是Case4這種管(guan)線結構,達到了(le)-1.79%,這和前述分析(xi)相📐一緻。表中的(de)結果同♌時說🔆明(ming)了渦輪流量計(ji)中的前導流件(jian)⛷️消除漩渦流的(de)效率非常高,但(dan)是其在改善速(su)度分布的不對(duì)稱⛱️性和扁平性(xìng)上的效果并不(bu)顯著。因此,認爲(wèi)若将渦輪流量(liang)計的前導流件(jian)結構進行改進(jìn),采用☁️孔闆整流(liu)器和翼式整流(liu)器相結合的組(zǔ)合式結構,這樣(yang)既能有效消除(chú)漩渦流,又能有(you)效改🔴善速度分(fèn)布的不👌對稱性(xìng)和扁平性,必将(jiang)顯著改善導流(liú)件的整流效果(guo)☀️,減少渦輪流量(liàng)計進口流速分(fèn)布對測量精度(dù)的影響,降低其(qi)安裝要求,使其(qí)更🏃‍♂️适合用于機(ji)動油料裝備上(shang)的計量裝置。
5結(jié)論
本文利用數(shù)值計算手段研(yán)究了流量計前(qian)安裝有單彎頭(tóu)、不在🚶同一平面(miàn)内的雙彎頭以(yǐ)及雙彎頭之🚶間(jian)有一半圓擋闆(pan)等管線結構對(dui)流量計内部流(liu)場和測量🍉精度(du)的影響,得到了(le)以下結論♌:
(1)由管(guan)線結構引起的(de)流體幹擾造成(cheng)流體速度分布(bù)含有漩渦👣流🥵分(fèn)量、軸向速度分(fèn)布不對稱性和(hé)扁平性,使流量(liàng)計計量産生誤(wù)差,本文的算例(lì)中最大誤🌈差達(dá)到了-1.79%。
(2)彎頭與閥(fá)廣1開度之間的(de)相對方向影響(xiǎng)流量計的🍓測🐪量(liàng)精💰度,若流體通(tōng)過彎頭和閥門(men)時所産生的漩(xuan)渦流方向相同(tóng)❤️，則增加了📧流量(liang)計的計量誤差(chà),反之則減少計(ji)量誤差。
(3)流量計(jì)中前導流件能(neng)有效減少漩渦(wo)流強度,但在改(gǎi)善速度分布的(de)不對稱性以及(ji)扁平性方面的(de)效果并不明顯(xian)。

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