摘(zhai)要：應(ying)用動(dong)量定(ding)理研(yan)究 渦(wo)輪流(liu)量計(ji) 的基(ji)本工(gong)作機(ji)理及(ji)儀表(biao)系數(shu)模型(xing)。通過(guo)數值(zhi)仿真(zhen)✍️和流(liu)動實(shi)驗，分(fen)析切(qie)向渦(wo)輪流(liu)量計(ji)葉片(pian)未轉(zhuan)動及(ji)轉動(dong)時流(liu)體在(zai)渦輪(lun)流量(liang)🐅計的(de)分布(bu)情況(kuang)，闡述(shu)切向(xiang)渦輪(lun)計葉(ye)片轉(zhuan)動機(ji)理。基(ji)于小(xiao)流量(liang)實驗(yan)裝置(zhi)，考察(cha)了渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在單(dan)相水(shui)及單(dan)👈相油(you)條件(jian)下的(de)響應(ying)特性(xing)。渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)純水(shui)與純(chun)油介(jie)質中(zhong)，啓動(dong)排量(liang)分别(bie)爲0.081m3/d與(yu)0.08m3/d，均遠(yuan)遠低(di)于普(pu)通螺(luo)旋式(shi)渦輪(lun)流量(liang)🐪計的(de)0.5m3/d，證明(ming)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)低流(liu)量測(ce)量中(zhong)具有(you)良好(hao)的應(ying)用🍉前(qian)景。
0、引(yin)言：
　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)廣泛(fan)應用(yong)于小(xiao)流量(liang)測量(liang)中。與(yu)軸向(xiang)式渦(wo)輪流(liu)㊙️量傳(chuan)感器(qi)相比(bi)，切向(xiang)渦輪(lun)流量(liang)傳感(gan)器的(de)啓動(dong)排量(liang)更低(di)，測量(liang)靈敏(min)度更(geng)高，動(dong)态響(xiang)應速(su)度更(geng)快［1］。随(sui)着國(guo)内大(da)部分(fen)油田(tian)進入(ru)開發(fa)中後(hou)期，低(di)産井(jing)數量(liang)逐年(nian)增多(duo)，大量(liang)油🍓井(jing)的日(ri)産量(liang)低于(yu)5m3/d，單層(ceng)産量(liang)甚至(zhi)低于(yu)1m3/d。低産(chan)液井(jing)對測(ce)井儀(yi)器提(ti)出了(le)新的(de)要求(qiu)，傳😘統(tong)螺旋(xuan)式渦(wo)輪流(liu)量計(ji)對低(di)流量(liang)的響(xiang)應較(jiao)差，啓(qi)動排(pai)量較(jiao)高，難(nan)以對(dui)低産(chan)井的(de)井下(xia)流動(dong)進行(hang)有效(xiao)監測(ce)。爲此(ci)，提出(chu)采用(yong)渦✏️輪(lun)流量(liang)計測(ce)量小(xiao)流量(liang)。
1、渦輪(lun)流量(liang)計工(gong)作原(yuan)理：
? 渦(wo)輪流(liu)量計(ji)基本(ben)構造(zao)見圖(tu)1。被測(ce)流體(ti)在流(liu)經葉(ye)輪之(zhi)前流(liu)道會(hui)減縮(suo)，流速(su)增加(jia)，流體(ti)經過(guo)葉輪(lun)後葉(ye)片旋(xuan)轉，磁(ci)電傳(chuan)感器(qi)記錄(lu)葉片(pian)轉動(dong)頻率(lü)，得到(dao)被測(ce)流體(ti)相對(dui)‼️應的(de)流㊙️量(liang)。

　　渦(wo)輪在(zai)轉動(dong)時所(suo)受的(de)力矩(ju)大緻(zhi)可分(fen)：流體(ti)對渦(wo)輪的(de)推🈚動(dong)力矩(ju)Ｔｒ，機械(xie)摩擦(ca)力矩(ju)Ｔｒｍ，流體(ti)對渦(wo)輪産(chan)生的(de)流動(dong)阻🌈力(li)矩🏃🏻Ｔｒｆ和(he)電磁(ci)阻📱力(li)矩Ｔｒｅ［２］。渦(wo)輪運(yun)動方(fang)程可(ke)以表(biao)示爲(wei)
　　式中(zhong)，Ｊ爲渦(wo)輪轉(zhuan)動慣(guan)量；ω爲(wei)渦輪(lun)轉動(dong)角速(su)度。渦(wo)輪正(zheng)常工(gong)作💃🏻時(shi)，ω可⛱️近(jin)似看(kan)作定(ding)值（切(qie)向渦(wo)輪轉(zhuan)動時(shi)由于(yu)驅動(dong)力矩(ju)随着(zhe)👉位置(zhi)變化(hua)而變(bian)化，所(suo)以轉(zhuan)動角(jiao)速度(du)ω也是(shi)變🚶化(hua)的，這(zhe)裏将(jiang)ω看☎️作(zuo)定值(zhi)）。
　　如圖(tu)2所示(shi)，渦輪(lun)流量(liang)計流(liu)道收(shou)縮後(hou)面積(ji)爲Ａ，從(cong)流道(dao)流出(chu)的流(liu)體速(su)度爲(wei)ｖ1，從渦(wo)輪流(liu)出的(de)流體(ti)速度(du)爲ｖ2；ｖ1和(he)ｖ2與渦(wo)🐆輪葉(ye)片速(su)度方(fang)向的(de)夾角(jiao)爲α1和(he)α2，渦輪(lun)的轉(zhuan)動角(jiao)速度(du)爲ω，假(jia)設出(chu)口處(chu)流體(ti)相對(dui)運動(dong)速度(du)的方(fang)向平(ping)行于(yu)葉片(pian)方向(xiang)。

在(zai)渦輪(lun)轉動(dong)時，隻(zhi)有垂(chui)直葉(ye)片方(fang)向的(de)力對(dui)驅動(dong)力矩(ju)有貢(gong)獻📧，因(yin)此隻(zhi)考慮(lü)垂直(zhi)葉片(pian)方向(xiang)的驅(qu)動力(li)ｆ。

 式中(zhong)，ｆＨｚ爲轉(zhuan)動頻(pin)率；Ｑ爲(wei)流量(liang)。
2、渦輪(lun)流量(liang)計流(liu)場分(fen)布特(te)性仿(pang)真分(fen)析：
　　Workbench是(shi)ANSYS公司(si)開發(fa)的協(xie)同仿(pang)真環(huan)境，大(da)大簡(jian)化了(le)仿真(zhen)過程(cheng)中各(ge)模💃塊(kuai)間的(de)交互(hu)操作(zuo)。通過(guo)幾何(he)建模(mo)、網格(ge)劃分(fen)、計算(suan)求解(jie)、後處(chu)理💯等(deng)過🌐程(cheng)，可以(yi)比較(jiao)準确(que)地仿(pang)真✔️複(fu)雜機(ji)械模(mo)型的(de)各個(ge)物理(li)參數(shu)的場(chang)分布(bu)［3］。
　　根據(ju)實際(ji)情況(kuang)采用(yong)了二(er)維計(ji)算，并(bing)将計(ji)算域(yu)劃分(fen)爲2個(ge)部分(fen)：葉輪(lun)轉動(dong)部分(fen)和入(ru)口出(chu)口部(bu)分（見(jian)圖3）。
　　在(zai)圖3中(zhong)葉輪(lun)部分(fen)和入(ru)口出(chu)口部(bu)分均(jun)采用(yong)四邊(bian)形網(wang)格，網(wang)格數(shu)各約(yue)2萬，整(zheng)個計(ji)算域(yu)網格(ge)數爲(wei)4萬。入(ru)口🤞出(chu)口部(bu)分爲(wei)靜止(zhi)網格(ge)采用(yong)參考(kao)系，葉(ye)輪部(bu)分爲(wei)動🙇‍♀️網(wang)格，繞(rao)圓心(xin)轉📐動(dong)，同時(shi)采用(yong)相對(dui)參考(kao)系，參(can)考系(xi)轉動(dong)速度(du)與👅網(wang)格轉(zhuan)速相(xiang)同。

　　渦(wo)輪流(liu)量計(ji)仿真(zhen)模型(xing)見圖(tu)4。圖4中(zhong)右側(ce)入口(kou)和左(zuo)側出(chu)🌂口均(jun)寬20ｍｍ，在(zai)計算(suan)中分(fen)别設(she)置爲(wei)速度(du)入口(kou)和速(su)度出(chu)口，轉(zhuan)動部(bu)分直(zhi)徑（圖(tu)4中Ｄ1）爲(wei)18ｍｍ，葉片(pian)頂端(duan)半徑(jing)爲8.5ｍｍ，轉(zhuan)動腔(qiang)上半(ban)部分(fen)直徑(jing)（Ｄ3）爲20ｍｍ，轉(zhuan)動腔(qiang)下半(ban)部分(fen)直徑(jing)（Ｄ2）爲19ｍｍ，轉(zhuan)動腔(qiang)入口(kou)出💜口(kou)寬度(du)均📞爲(wei)4ｍｍ。

　　圖5、圖(tu)6中速(su)度入(ru)口分(fen)别爲(wei)0.08m3/d及1m3/d。如(ru)圖5所(suo)示，當(dang)流速(su)較低(di)時，流(liu)體在(zai)切👄向(xiang)渦輪(lun)内可(ke)以近(jin)似看(kan)成繞(rao)角流(liu)動，此(ci)🙇‍♀️時腔(qiang)體内(nei)葉片(pian)壓強(qiang)對稱(cheng)分布(bu)，基本(ben)上不(bu)産生(sheng)壓差(cha)🚶‍♀️，無法(fa)驅動(dong)渦輪(lun)葉片(pian)轉動(dong)；随着(zhe)流速(su)增🌈大(da)，流體(ti)在流(liu)🐅入靠(kao)近入(ru)✊口的(de)腔體(ti)時，在(zai)腔體(ti)内産(chan)生旋(xuan)渦，旋(xuan)渦的(de)⁉️運動(dong)導緻(zhi)葉片(pian)壁面(mian)壓強(qiang)♻️分布(bu)不均(jun)勻，從(cong)而産(chan)生驅(qu)♊動矩(ju)，如圖(tu)6所示(shi)。可以(yi)看出(chu)對驅(qu)動力(li)矩有(you)貢獻(xian)的是(shi)靠近(jin)入口(kou)的腔(qiang)體，其(qi)他腔(qiang)🤩體基(ji)本上(shang)不産(chan)生壓(ya)差。

　　爲(wei)了驗(yan)證仿(pang)真的(de)準确(que)性，通(tong)過室(shi)内實(shi)驗對(dui)其驗(yan)證。切(qie)向🛀渦(wo)輪采(cai)用可(ke)視化(hua)研究(jiu)平台(tai)，整個(ge)渦輪(lun)的結(jie)構都(dou)采🔴用(yong)亞✂️克(ke)力闆(pan)雕刻(ke)組☔裝(zhuang)而成(cheng)。如圖(tu)7所示(shi)，水箱(xiang)主要(yao)提供(gong)♌穩定(ding)水壓(ya)，水平(ping)切向(xiang)渦👈輪(lun)做成(cheng)開口(kou)系統(tong)并放(fang)置在(zai)實驗(yan)支撐(cheng)架上(shang)，前置(zhi)閥門(men)可控(kong)制水(shui)流，在(zai)需💜要(yao)更換(huan)切向(xiang)渦輪(lun)的零(ling)件💘時(shi)可關(guan)閉，控(kong)制閥(fa)門主(zhu)要是(shi)控制(zhi)流經(jing)✍️切向(xiang)渦輪(lun)的流(liu)量，流(liu)量測(ce)量仍(reng)采用(yong)傳統(tong)可靠(kao)的容(rong)積時(shi)間法(fa)。實驗(yan)時以(yi)染✔️色(se)劑作(zuo)爲示(shi)蹤劑(ji)，以觀(guan)察流(liu)場的(de)分布(bu)情況(kuang)。


　　如圖(tu)8所示(shi)，記錄(lu)的是(shi)未啓(qi)動時(shi)切向(xiang)渦輪(lun)内的(de)流場(chang)，水從(cong)圖8左(zuo)側流(liu)入渦(wo)輪，從(cong)右側(ce)流出(chu)，實驗(yan)時水(shui)的流(liu)速很(hen)♋低（0.05m3/d），腔(qiang)體1中(zhong)的流(liu)動可(ke)近似(si)看作(zuo)不可(ke)壓縮(suo)無旋(xuan)繞角(jiao)流㊙️動(dong)，此時(shi)流體(ti)在腔(qiang)體1中(zhong)的速(su)度可(ke)看成(cheng)對稱(cheng)分布(bu)，由伯(bo)努利(li)方程(cheng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼算得(de)的壓(ya)強也(ye)是對(dui)稱分(fen)布，此(ci)時2個(ge)壁面(mian)幾乎(hu)沒有(you)壓強(qiang)差，所(suo)以渦(wo)輪未(wei)啓動(dong)。
　　圖9記(ji)錄的(de)是切(qie)向渦(wo)輪正(zheng)常轉(zhuan)動時(shi)的流(liu)場，圖(tu)9中水(shui)從左(zuo)💛向右(you)流動(dong)，實驗(yan)時水(shui)速較(jiao)快（1m3/d），渦(wo)輪葉(ye)片順(shun)時針(zhen)轉動(dong)。水速(su)變大(da)後，擾(rao)動變(bian)大，不(bu)再是(shi)無旋(xuan)繞角(jiao)流動(dong)，腔體(ti)1中流(liu)體形(xing)💃🏻成一(yi)個運(yun)動的(de)旋渦(wo)，導緻(zhi)腔内(nei)壓強(qiang)分布(bu)不再(zai)💔對稱(cheng)，産生(sheng)🍉壓差(cha)，緻使(shi)☀️渦輪(lun)葉片(pian)轉動(dong)，旋渦(wo)❓在随(sui)葉片(pian)運🔞動(dong)到腔(qiang)體2中(zhong)時逐(zhu)漸耗(hao)散消(xiao)失。數(shu)值仿(pang)💘真的(de)計算(suan)結果(guo)與物(wu)理實(shi)驗的(de)結果(guo)基本(ben)一緻(zhi)。

3、切向(xiang)渦輪(lun)在單(dan)相流(liu)體中(zhong)響應(ying)特性(xing)：
　　爲了(le)驗證(zheng)切向(xiang)渦輪(lun)在單(dan)相流(liu)體中(zhong)的響(xiang)應情(qing)況，在(zai)全集(ji)流條(tiao)件下(xia)對其(qi)在單(dan)相水(shui)及單(dan)相油(you)介質(zhi)中響(xiang)應規(gui)律進(jin)行了(le)🤩研究(jiu)。對于(yu)單相(xiang)水的(de)渦輪(lun)響應(ying)情況(kuang)，進行(hang)了在(zai)0～6m3/d流速(su)範圍(wei)内🌂的(de)渦輪(lun)🏒響應(ying)實驗(yan)，測得(de)單相(xiang)🈲水介(jie)質中(zhong)渦輪(lun)的啓(qi)動排(pai)量爲(wei)0.081m3/d，渦輪(lun)響應(ying)情況(kuang)見圖(tu)10。經過(guo)拟合(he)後的(de)響應(ying)關系(xi)爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采(cai)用同(tong)樣的(de)方法(fa)，對單(dan)相油(you)條件(jian)下渦(wo)輪響(xiang)應規(gui)律進(jin)行研(yan)究（見(jian)圖11），測(ce)得單(dan)相油(you)的啓(qi)動排(pai)量爲(wei)0.08m3/d。對單(dan)相油(you)的實(shi)驗🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結(jie)果進(jin)行拟(ni)合，可(ke)得單(dan)相油(you)的響(xiang)應曲(qu)線‼️爲(wei)ω＝6.73Ｑ－6.72。與水(shui)對比(bi)而言(yan)，油的(de)拟合(he)曲線(xian)斜率(lü)更大(da)，即随(sui)着流(liu)量增(zeng)加轉(zhuan)速增(zeng)加得(de)略快(kuai)。
　　爲了(le)深入(ru)分析(xi)渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)單相(xiang)低流(liu)量條(tiao)件下(xia)的響(xiang)應特(te)點，将(jiang)流量(liang)作爲(wei)橫坐(zuo)标，儀(yi)表Ｋ值(zhi)即轉(zhuan)速／流(liu)㊙️量作(zuo)爲縱(zong)坐标(biao)，繪制(zhi)單相(xiang)水（見(jian)圖12）和(he)單相(xiang)油（見(jian)圖13）的(de)渦輪(lun)流量(liang)計特(te)💃性曲(qu)線🏃‍♀️。

　　爲(wei)了深(shen)入分(fen)析切(qie)向渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在單(dan)相低(di)流量(liang)條件(jian)下的(de)響應(ying)特點(dian)，将流(liu)量作(zuo)爲橫(heng)坐标(biao)，儀表(biao)K值即(ji)轉速(su)／流❓量(liang)作爲(wei)縱坐(zuo)标，繪(hui)制💘單(dan)相水(shui)（見圖(tu)12）和單(dan)相油(you)（見圖(tu)13）的切(qie)向渦(wo)輪流(liu)量計(ji)⭐特性(xing)曲線(xian)。


　　可以(yi)看出(chu)，渦輪(lun)啓動(dong)後首(shou)先進(jin)入一(yi)個非(fei)線性(xing)段，在(zai)非線(xian)性相(xiang)應段(duan)，Ｋ值随(sui)着流(liu)量增(zeng)加而(er)增大(da)；當流(liu)量比(bi)較大(da)✨（單相(xiang)水超(chao)㊙️過0.5m3/d，單(dan)相油(you)超過(guo)1m3/d）時，渦(wo)輪進(jin)入線(xian)性段(duan)🔅，在線(xian)性🔞響(xiang)應段(duan)，Ｋ值達(da)到峰(feng)值，有(you)✏️相對(dui)較小(xiao)的波(bo)動。
4、結(jie)論：
（1）數(shu)值仿(pang)真結(jie)果與(yu)物理(li)實驗(yan)結果(guo)基本(ben)一緻(zhi)，當流(liu)速低(di)💚于啓(qi)動排(pai)量，渦(wo)輪未(wei)啓動(dong)時，流(liu)體沿(yan)葉片(pian)做繞(rao)角運(yun)動🈲，葉(ye)片兩(liang)側壓(ya)力相(xiang)等，葉(ye)片不(bu)轉動(dong)；當流(liu)速高(gao)于啓(qi)動排(pai)量，渦(wo)輪轉(zhuan)動時(shi)，流體(ti)在腔(qiang)内産(chan)生旋(xuan)渦，造(zao)成葉(ye)片兩(liang)邊壓(ya)差，從(cong)而造(zao)成葉(ye)片🍉轉(zhuan)動。
（2）渦(wo)輪流(liu)量計(ji)在純(chun)水與(yu)純油(you)介質(zhi)中，啓(qi)動排(pai)量分(fen)别✨爲(wei)0.081m3/d與0.08m3/d，均(jun)遠遠(yuan)低于(yu)普通(tong)螺旋(xuan)式渦(wo)輪流(liu)量計(ji)0.5m3/d的啓(qi)動排(pai)量💃🏻，在(zai)低🐪流(liu)量測(ce)量具(ju)有良(liang)好的(de)前景(jing)。
（3）渦輪(lun)流量(liang)計在(zai)未達(da)到穩(wen)定轉(zhuan)動前(qian)，Ｋ值不(bu)斷增(zeng)大，穩(wen)♍定轉(zhuan)動🙇‍♀️後(hou) K值趨(qu)于一(yi)條直(zhi)線，具(ju)有良(liang)好的(de)線性(xing)關系(xi)。

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