摘要:利(li)用數值(zhi)計算方(fang)法研究(jiu)了不同(tong)安裝條(tiao)件對渦(wo)輪流量(liang)計 性能(neng)的影響(xiang)。計算結(jie)果分析(xi)表明,安(an)裝于流(liu)量計前(qian)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的單彎(wan)頭、雙🍓彎(wan)頭以及(ji)閥門等(deng)管道配(pei)件都會(hui)造成流(liu)體速度(du)趨于扁(bian)平分布(bu)和不對(dui)稱分布(bu)以及産(chan)生💃漩渦(wo)流,都是(shi)影響流(liu)量計計(ji)量精度(du)的主要(yao)原因。合(he)理布置(zhi)彎頭和(he)閥門🐕開(kai)度的方(fang)☎️向,使流(liu)體通過(guo)兩者時(shi)産生的(de)漩渦流(liu)旋轉方(fang)向相反(fan),則有利(li)于降低(di)流❄️量計(ji)進口前(qian)漩渦流(liu)的強度(du),減少對(dui)流量計(ji)測量精(jing)度的影(ying)響。渦輪(lun)流量計(ji)的前導(dao)流件能(neng)有效消(xiao)除流‼️體(ti)速度中(zhong)的漩渦(wo)流分量(liang),但在校(xiao)正速度(du)分布的(de)不♉對稱(cheng)性和扁(bian)平性方(fang)面效果(guo)并不顯(xian)著。
1引言(yan)
渦輪流(liu)量計的(de)測量精(jing)度易受(shou)到流量(liang)計前管(guan)線安裝(zhuang)條件的(de)影響。一(yi)般管線(xian)系統中(zhong)的各種(zhong)管配件(jian),包🈲括閥(fa)門、彎頭(tou)、變徑管(guan)等所産(chan)生的流(liu)體幹擾(rao)都會引(yin)🈲起流體(ti)速度分(fen)布發生(sheng)畸變,産(chan)生漩渦(wo)流和非(fei)對稱流(liu)等，影響(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼了渦輪(lun)流量計(ji)的測💁量(liang)精度。安(an)裝條件(jian)對渦輪(lun)流量計(ji)性能的(de)影響早(zao)就引起(qi)各國學(xue)者的廣(guang)泛關注(zhu),并對此(ci)✌️問題進(jin)行了較(jiao)爲系統(tong)的實驗(yan)研究。先(xian)後利用(yong)實驗研(yan)究了渦(wo)輪流量(liang)計進口(kou)前裝有(you)90°彎頭♈、不(bu)在同一(yi)平面内(nei)🧡的雙彎(wan)頭、IS09951推薦(jian)的😄能夠(gou)産生高(gao)和低流(liu)體🤩幹擾(rao)的管線(xian)結構以(yi)及閥門(men)]等對渦(wo)輪流量(liang)計測量(liang)精度的(de)影響。
近(jin)幾年數(shu)值計算(suan)方法逐(zhu)漸應用(yong)于渦輪(lun)流量計(ji)的研🔱究(jiu)🈲中(8-12],與👅實(shi)驗方法(fa)相比,數(shu)值計算(suan)方法具(ju)有成本(ben)🍉低、更能(neng)提供詳(xiang)細的三(san)維流場(chang)以及能(neng)掌握管(guan)線結構(gou)引起的(de)各種流(liu)體幹擾(rao)的衰👉減(jian)規律㊙️等(deng)優點。數(shu)值計算(suan)方法的(de)有效性(xing)也逐漸(jian)得到了(le)驗證E[8.12].但(dan)是迄今(jin)爲止仍(reng)未見文(wen)獻報道(dao)利⛷️用數(shu)值計算(suan)手段研(yan)究安裝(zhuang)條件對(dui)渦輪流(liu)量計性(xing)能的☎️影(ying)響。
另一(yi)方面,機(ji)動油料(liao)裝備逐(zhu)漸向小(xiao)型化發(fa)展,選用(yong)計量裝(zhuang)置時🙇‍♀️通(tong)常考慮(lü)選用測(ce)量精度(du)高、質量(liang)輕的流(liu)量計，如(ru)渦輪流(liu)量🔱計。然(ran)而渦輪(lun)流量計(ji)對前後(hou)直管段(duan)的要求(qiu)限制了(le)其在機(ji)動油料(liao)裝備上(shang)的使用(yong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻。爲此,本(ben)文利用(yong)數值計(ji)算手段(duan)就流量(liang)計進口(kou)前裝有(you)90°彎頭、不(bu)在同-平(ping)面内的(de)雙彎頭(tou)以及雙(shuang)彎頭之(zhi)間有一(yi)個半圓(yuan)形擋闆(pan)三種安(an)裝條件(jian)對流量(liang)計内部(bu)流場以(yi)及測量(liang)精度的(de)影響進(jin)行研究(jiu),爲渦輪(lun)流量計(ji)✔️在機動(dong)油料裝(zhuang)備上的(de)應用提(ti)供指👣導(dao)。.
2流體速(su)度分布(bu)的特征(zheng)參數
流(liu)體幹擾(rao)影響渦(wo)輪流量(liang)計測量(liang)精度的(de)速度畸(ji)變主要(yao)❄️體現在(zai)♌三個方(fang)面:速度(du)分布的(de)扁平性(xing)、漩渦流(liu)和速度(du)分布的(de)非對㊙️稱(cheng)性。爲了(le)能定量(liang)描述流(liu)體幹擾(rao)引起的(de)速度畸(ji)變,Mickan定義(yi)了軸向(xiang)動量數(shu)K。、漩流數(shu)K,和非對(dui)稱數K,三(san)個特征(zheng)💋參數5)。本(ben)文引人(ren)這三個(ge)參數,以(yi)便于後(hou)面的分(fen)析。
軸向(xiang)動量數(shu)K。用于衡(heng)量流體(ti)軸向動(dong)量通量(liang)的轉動(dong)力矩的(de)大小,其(qi)計算式(shi)爲:
 
式中(zhong):u爲軸向(xiang)流速,um爲(wei)平均流(liu)速,r爲徑(jing)向坐标(biao)，ρ爲流體(ti)密度,R爲(wei)管線半(ban)徑,A爲管(guan)線的橫(heng)截面積(ji)。對于充(chong)分發展(zhan)流❤️,Ku爲定(ding)值,約爲(wei)0.62,而我們(men)所關心(xin)的是充(chong)分發展(zhan)流🏃‍♂️與幹(gan)擾流之(zhi)間⚽的差(cha)别，故常(chang)用反映(ying)兩者差(cha)别的參(can)量△Ku(其值(zhi)等于Ku-Ku0),它(ta)對渦輪(lun)流量計(ji)的測量(liang)精度具(ju)有較🐉大(da)的影響(xiang)。.
漩流數(shu)Kv用于衡(heng)量軸向(xiang)漩渦的(de)強度。由(you)于渦輪(lun)流量計(ji)的轉速(su)易受漩(xuan)渦流的(de)影響,因(yin)此Kv的大(da)小對其(qi)有重要(yao)的影響(xiang)。其計算(suan)式爲:
 
式(shi)中:v爲切(qie)向流速(su)。
非對稱(cheng)數KA用于(yu)衡量速(su)度分布(bu)對稱性(xing)的程度(du),用管線(xian)橫截面(mian)上流體(ti)質心與(yu)對稱軸(zhou)之間的(de)距離來(lai)表示,其(qi)計算式(shi)爲:
 
式中(zhong):y、z分别爲(wei)管線橫(heng)截面上(shang)的直角(jiao)坐标,m爲(wei)質量流(liu)量💜。
3數值(zhi)計算模(mo)型
3.1基本(ben)方程組(zu)
描述渦(wo)輪流量(liang)計内部(bu)流場的(de)基本方(fang)程組爲(wei)連續性(xing)方程、N-S運(yun)動🔆方程(cheng)和紊流(liu)模型。目(mu)前還沒(mei)有普遍(bian)适用的(de)紊流模(mo)型,本文(wen)選用較(jiao)常用的(de)标準k-ε雙(shuang)方程模(mo)型。模型(xing)方程中(zhong)相關系(xi)數取值(zhi)㊙️分别爲(wei):Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃(hua)分和邊(bian)界條件(jian)
在數值(zhi)計算過(guo)程中,渦(wo)輪流量(liang)計的葉(ye)輪處于(yu)旋轉狀(zhuang)态,故葉(ye)輪部分(fen)的網格(ge)劃分疏(shu)密對計(ji)算結果(guo)的正确(que)💘率具有(you)重要的(de)影響,在(zai)網格劃(hua)分時對(dui)葉輪表(biao)面的網(wang)格進行(hang)了适當(dang)的局部(bu)💜加密處(chu)理。前、後(hou)導流件(jian)部分區(qu)域采用(yong)六面體(ti)網格,其(qi)他區域(yu)采用四(si)面體網(wang)格,葉輪(lun)部分全(quan)部采用(yong)四面體(ti)網💘格,單(dan)流量計(ji)計算區(qu)域内網(wang)💜格總數(shu)爲97.31萬個(ge),其中葉(ye)輪部分(fen)🤞的網格(ge)總數爲(wei)67.42萬個。
爲(wei)了減少(shao)在計算(suan)過程中(zhong)因計算(suan)域進口(kou)與出口(kou)位置對(dui)渦㊙️輪🚶‍♀️流(liu)量計内(nei)部流場(chang)的影響(xiang),本文計(ji)算域的(de)進口與(yu)出口适(shi)⛷️當向外(wai)作了延(yan)伸，上遊(you)直管段(duan)長度🔴爲(wei).5D,下遊爲(wei)10D。進口😍采(cai)用圓管(guan)紊流流(liu)速分布(bu)的1/7律來(lai)确定。凡(fan)與流體(ti)相接觸(chu)的所有(you)固體界(jie)面上采(cai)用無滑(hua)移固體(ti)璧面條(tiao)件,出口(kou)施加定(ding)靜壓。
4數(shu)值計算(suan)
4.1流量計(ji)前的管(guan)線結構(gou)
文中采(cai)用的渦(wo)輪流量(liang)計結構(gou)如圖1所(suo)示。流量(liang)計的💃内(nei)徑爲15mmm,葉(ye)輪葉片(pian)數爲4片(pian),前、後導(dao)流件采(cai)用橢球(qiu)形端面(mian)。
 
本文主(zhu)要分析(xi)了Casel~Case5等5種(zhong)結構，見(jian)圖2。
 
Case1:流量(liang)計前是(shi)一長爲(wei)5D的直管(guan)段。
Case2:90°的彎(wan)頭，其前(qian)有一5D長(zhang)的直管(guan)段。考慮(lü)到機動(dong)油料裝(zhuang)📞備上流(liu)量計的(de)安裝空(kong)間非常(chang)受限，彎(wan)頭與流(liu)量計進(jin)口之間(jian)的距離(li)設爲1D。
Case3:不(bu)在同一(yi)平面内(nei)的雙彎(wan)頭,兩彎(wan)頭之間(jian)有一長(zhang)爲0.5D的直(zhi)管✉️段,進(jin)口管段(duan)長度和(he)第二個(ge)彎頭與(yu)流量計(ji)進口🐉的(de)距離同(tong)Case2。
Case4:在Case3的雙(shuang)彎頭中(zhong)間位置(zhi)上布置(zhi)了一個(ge)1mm厚的半(ban)圓薄闆(pan)❌，薄闆位(wei)于🎯雙彎(wan)頭的外(wai)側位置(zhi)。
Case5:除了半(ban)圓薄闆(pan)的位置(zhi)在雙彎(wan)頭的内(nei)側外,管(guan)線結👈構(gou)同♌Case4。
研究(jiu)Case4和Case5的管(guan)線結構(gou)主要目(mu)的有兩(liang)個:一是(shi)研究閥(fa)門對流(liu)量計測(ce)量精度(du)的影響(xiang);二是閥(fa)門開度(du)與彎頭(tou)的相對(dui)🐅方向不(bu)同時對(dui)✏️流量計(ji)測量精(jing)度的影(ying)響。
4.2計算(suan)結果與(yu)分析
計(ji)算參數(shu):流體的(de)進口平(ping)均速度(du)um爲5m/s,計算(suan)介質爲(wei)20℃的水。
 
圖(tu)3示出了(le)不同條(tiao)件下渦(wo)輪流量(liang)計進口(kou)處在4個(ge)方向上(shang)的🈲軸向(xiang)和切向(xiang)流速分(fen)布。從圖(tu)中可以(yi)看到,對(dui)于Casel這種(zhong)管線結(jie)構,軸向(xiang)流速符(fu)合充分(fen)發展流(liu)的速度(du)分布,切(qie)向流速(su)分量很(hen)小。而且(qie)在進口(kou)橫截面(mian)上，根據(ju)式(1)~(3)計算(suan)得到Ku0等(deng)于0.62,Kv和KA分(fen)别等于(yu)0,因此😍可(ke)作爲參(can)考量用(yong)于其它(ta)管線結(jie)構👈的分(fen)析。本文(wen)對所有(you)計算結(jie)果的分(fen)析💞都以(yi)此作爲(wei)參考進(jin)行的。
當(dang)流量計(ji)前裝有(you)90°彎頭時(shi)(Case2)，軸向流(liu)速在管(guan)線對稱(cheng)軸上附(fu)近表❗現(xian)💁爲最小(xiao)，然後向(xiang)管壁兩(liang)側增加(jia),呈現了(le)非對稱(cheng)的馬鞍(an)型分布(bu),且切向(xiang)流速表(biao)現出了(le)二次流(liu)現象。
當(dang)流量計(ji)前的管(guan)線結構(gou)爲不在(zai)同一平(ping)面内的(de)雙彎頭(tou)時🔅(Case3)，軸向(xiang)流速出(chu)現了與(yu)Casel相似的(de)非對稱(cheng)的馬鞍(an)型分布(bu),不過其(qi)不對稱(cheng)程度要(yao)比Casel小，但(dan)流速更(geng)呈扁平(ping)分布🈲;切(qie)向流速(su)同樣出(chu)現了二(er)次流現(xian)象,其漩(xuan)渦⚽強度(du)則要比(bi)Casel強得多(duo)。
對于兩(liang)個彎頭(tou)之間有(you)一半圓(yuan)薄擋闆(pan)的兩種(zhong)管線結(jie)構Case4和Case5,軸(zhou)向流速(su)的不對(dui)稱分布(bu)非常嚴(yan)重。除了(le)在🔞θ=90°這個(ge)方向上(shang)軸向流(liu)速呈馬(ma)鞍型分(fen)布外,在(zai)其餘三(san)個方向(xiang)上幾乎(hu)🐉是從管(guan)璧的一(yi).側向另(ling)-側單調(diao)遞增的(de)趨勢。不(bu)過,兩種(zhong)管🥰線結(jie)構的切(qie)向流速(su)則表現(xian)出了不(bu)同的分(fen)布趨勢(shi)。當半🌂圓(yuan)薄闆布(bu)置在雙(shuang)彎頭的(de)外側(Case4),流(liu)體速⛱️度(du)中含有(you)很強的(de)切向流(liu)速分布(bu),其最大(da)值幾乎(hu)☎️達到了(le)平均流(liu)速的60%。當(dang)半㊙️圓薄(bao)闆布置(zhi)在🚶‍♀️雙✔️彎(wan)頭的内(nei)側(Case5),切向(xiang)流速分(fen)量要比(bi)Case4的小得(de)多,甚至(zhi)小于Case3。
造(zao)成這種(zhong)差别主(zhu)要是由(you)于對于(yu)Case4,流體通(tong)過半圓(yuan)薄闆後(hou)産生的(de)漩渦方(fang)向和通(tong)過彎頭(tou)後産生(sheng)的漩渦(wo)方向👣相(xiang)同📐，因此(ci)🧡在流✏️量(liang)計💞進口(kou)前表現(xian)出比Case3更(geng)高的切(qie)向流🈲速(su)分量,而(er)Case5的情🏃況(kuang)則反🈲之(zhi)。由于這(zhe)個原因(yin),Case4計算得(de)到的渦(wo)輪流量(liang)計儀表(biao)系數與(yu)Casel相比,其(qi)誤差偏(pian)👈移爲-1.79%,而(er)CaseS則僅爲(wei)-0.23%,見表1。這(zhe)個計算(suan)結果同(tong)時說明(ming)了在渦(wo)輪流量(liang)計前合(he)理布置(zhi)彎頭🔴和(he)閥i]開度(du)之間的(de)相對方(fang)向,有助(zhu)于降低(di)漩渦流(liu)的強度(du)，從而減(jian)少對流(liu)量計量(liang)性能的(de)影響。同(tong)樣我們(men)研究了(le)流體通(tong)過前導(dao)流件後(hou)在其輪(lun)毂末端(duan)處軸向(xiang)流速和(he)切向流(liu)速‼️的分(fen)布情況(kuang),見圖⭕4。
 
從(cong)圖4中可(ke)以看到(dao),受導流(liu)件輪毂(gu)的影響(xiang)，流道面(mian)積減少(shao),軸向流(liu)速增加(jia);在θ=90°和θ=0°兩(liang)個方向(xiang)上正對(dui)導流件(jian)葉片,受(shou)其尾流(liu)的影響(xiang),軸向流(liu)速明顯(xian)要比其(qi)它兩個(ge)方向💘上(shang)的軸💁向(xiang)流速低(di)。從圖中(zhong)同時可(ke)以看到(dao),流體經(jing)過前導(dao)流件的(de)🌏導流作(zuo)用後,切(qie)向流速(su)顯著減(jian)👈小,在θ=90°和(he)θ=0°兩個🔱方(fang)向上漩(xuan)渦角的(de)大小基(ji)本上能(neng)滿足ISO9951規(gui)定的小(xiao)于2°的标(biao)準，圖中(zhong)以虛線(xian)表示,在(zai)其它兩(liang)個方向(xiang)上切向(xiang)流速的(de)最大分(fen)量也不(bu)超過平(ping)均流速(su)🔴的20%;但是(shi)其軸向(xiang)流速的(de)不對稱(cheng)分布和(he)扁🍓平性(xing)并沒有(you)得到有(you)效的改(gai)善,同樣(yang)是Case5的軸(zhou)向流速(su)的不對(dui)稱💯分布(bu)最爲顯(xian)著。
不同(tong)安裝條(tiao)件下在(zai)渦輪流(liu)量計進(jin)口和前(qian)導流件(jian)輪毂末(mo)端兩🤞個(ge)橫截面(mian)上Ku、Kv、KA、以及(ji)流量計(ji)儀表系(xi)數誤差(cha)偏💃移的(de)計算值(zhi)見表1。
 
從(cong)表1中可(ke)以看到(dao)，造成流(liu)量計儀(yi)表系數(shu)誤差偏(pian)移最大(da)的是Case4這(zhe)種管線(xian)結構,達(da)到了-1.79%,這(zhe)和前述(shu)分析相(xiang)一緻。表(biao)中的結(jie)果同時(shi)說明了(le)渦輪流(liu)量計中(zhong)的前🌂導(dao)流件消(xiao)除漩渦(wo)流的效(xiao)率非常(chang)高,但是(shi)其在改(gai)善速度(du)分布的(de)不對稱(cheng)性和扁(bian)平性上(shang)的效果(guo)并不顯(xian)著。因此(ci),認爲若(ruo)将渦輪(lun)流量計(ji)的前導(dao)流件結(jie)構進👈行(hang)改進,采(cai)用孔闆(pan)整流器(qi)和翼式(shi)整流器(qi)相結合(he)的🚶組合(he)式結構(gou),這樣既(ji)能有效(xiao)消除漩(xuan)渦流,又(you)能有效(xiao)改🏃善速(su)度分布(bu)的不對(dui)稱性和(he)扁平性(xing),必将顯(xian)著改善(shan)導流件(jian)的整流(liu)效果,減(jian)少渦🆚輪(lun)流量計(ji)進口流(liu)速分布(bu)對測量(liang)精度的(de)影響,降(jiang)低其安(an)裝要求(qiu),使其更(geng)适合用(yong)于機動(dong)油料裝(zhuang)備上的(de)計量裝(zhuang)置。
5結論(lun)
本文利(li)用數值(zhi)計算手(shou)段研究(jiu)了流量(liang)計前安(an)裝有單(dan)彎頭、不(bu)在🐪同一(yi)平面内(nei)的雙彎(wan)頭以及(ji)雙彎頭(tou)之間有(you)一半圓(yuan)擋闆等(deng)管線結(jie)構對流(liu)量計内(nei)部流場(chang)和測量(liang)❤️精度的(de)影響,得(de)🔞到了以(yi)下結論(lun):
(1)由管線(xian)結構引(yin)起的流(liu)體幹擾(rao)造成流(liu)體速度(du)分布⁉️含(han)有漩渦(wo)流分量(liang)、軸向速(su)度分布(bu)不對稱(cheng)性和扁(bian)平性,使(shi)流量計(ji)計量産(chan)生誤差(cha),本文的(de)算例中(zhong)最大誤(wu)差達到(dao)💯了-1.79%。
(2)彎頭(tou)與閥廣(guang)1開度之(zhi)間的相(xiang)對方向(xiang)影響流(liu)量計的(de)測量精(jing)度,若流(liu)體通過(guo)彎頭和(he)閥門時(shi)所産生(sheng)的漩渦(wo)流方向(xiang)♉相同，則(ze)增🧑🏽‍🤝‍🧑🏻加了(le)⚽流量計(ji)的計量(liang)誤差,反(fan)之則減(jian)少計量(liang)誤差。
(3)流(liu)量計中(zhong)前導流(liu)件能有(you)效減少(shao)漩渦流(liu)強度,但(dan)在改善(shan)速度分(fen)布的不(bu)對稱性(xing)以及扁(bian)平性方(fang)面的效(xiao)果并⭐不(bu)明顯。

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