1 引(yin) 言
　　氣體渦(wo)輪流量計(ji) 是一種速(su)度式流量(liang)計，具有重(zhong)複性好、量(liang)程範圍寬(kuan)💋、适應性♉強(qiang)、輸出脈沖(chong)信号等特(te)點，近年來(lai)已在石油(you)、化工和天(tian)然氣等領(ling)域獲得了(le)廣泛應用(yong)。流量計的(de)性能對工(gong)業發展有(you)着關鍵的(de)作用，因🐆此(ci)，通過優化(hua)流量計結(jie)構來提高(gao)其計量性(xing)能，一直是(shi)流量測量(liang)👈領域的研(yan)究熱點問(wen)題。
　　通過優(you)化渦輪流(liu)量計的表(biao)體結構，擴(kuo)大了流量(liang)計的🔞測🌈量(liang)範圍。Svedin［3］研制(zhi)了靜态葉(ye)輪渦輪流(liu)量計，降低(di)了流量計(ji)的✊壓損。葉(ye)輪的多☂️參(can)數定量優(you)化方法，針(zhen)對🐆 15 mm口徑的(de)傳感器确(que)定了一組(zu)能夠實現(xian)黏度不敏(min)感的幾何(he)參數。郭素(su)娜等［5］研究(jiu)了📐葉輪參(can)數對渦輪(lun)傳❤️感器性(xing)能的影響(xiang)，确定了葉(ye)片切角參(can)❤️數爲 0． 25 時傳(chuan)感㊙️器性能(neng)佳。
前人的(de)工作主要(yao)集中在對(dui)葉輪部分(fen)的優化，對(dui)其它結構(gou)📱的研究相(xiang)對較少。前(qian)導流器作(zuo)爲渦輪流(liu)量計的主(zhu)要組件之(zhi)一，具有整(zheng)形流場、壓(ya)縮流體、導(dao)向流動、創(chuang)造充分🌈發(fa)展的速度(du)分布的作(zuo)用。整流效(xiao)果直接影(ying)響流量計(ji)的品質優(you)劣。因此，前(qian)導流器的(de)結⭕構優化(hua)對于提高(gao)渦輪流量(liang)計性能具(ju)有重要意(yi)義😍。
　　CFD 數值模(mo)拟已經成(cheng)爲預測傳(chuan)感器性能(neng)［6-7］、研究渦輪(lun)流量計内(nei)部流場信(xin)息［8-9］的有效(xiao)方法。本研(yan)究以氣體(ti)渦輪流量(liang)計前流器(qi)爲優化對(dui)象，通過Fluent 軟(ruan)件對不同(tong)前導流器(qi)🛀結構的渦(wo)輪流量計(ji)内部流場(chang)進行仿真(zhen)分析，引入(ru)了流場均(jun)勻性指數(shu)來評價前(qian)導流器的(de)整流效果(guo)，給出了針(zhen)對前導流(liu)器部件的(de)優化建議(yi)，并且通過(guo)實驗驗證(zheng)了優化方(fang)案🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。
2 渦輪流(liu)量計簡介(jie)及優化評(ping)價指标
2．1 結(jie)構及特征(zheng)參數
　　氣體(ti)渦輪流量(liang)計的主要(yao)組件包括(kuo)前導流器(qi)、葉輪、後⛹🏻‍♀️導(dao)流🔴件等，其(qi)結構簡圖(tu)如圖 1 所示(shi)。

　　前導流器(qi)的主要特(te)征參數有(you): 導流器直(zhi)徑、導流體(ti)長度、導流(liu)器葉片數(shu)目、導流葉(ye)片長度。
2.2 工(gong)作原理
　　氣(qi)體渦輪流(liu)量計的工(gong)作原理: 氣(qi)體流過流(liu)量計推動(dong)渦輪📞葉片(pian)旋轉，葉片(pian)轉速與流(liu)體流速成(cheng)正比，通💚過(guo)測量轉速(su)來得到流(liu)速🚩，進而得(de)到管道内(nei)的流量值(zhi)。待測🌈體積(ji)流量 qv與輸(shu)出脈沖頻(pin)率 f 的關系(xi)式爲:

式中(zhong): K 指流量計(ji)的儀表系(xi)數。
根據運(yun)動定律建(jian)立渦輪的(de)運動方程(cheng)爲

　　式中: J 爲(wei)渦輪的轉(zhuan)動慣量; ω 爲(wei)渦輪的旋(xuan)轉角速度(du)，t 爲時間💞，Tr爲(wei)☁️氣流對葉(ye)片的推動(dong)力矩，Trm爲機(ji)械摩擦力(li)矩，Trf爲流動(dong)阻力矩，Tre爲(wei)電磁阻力(li)矩。
2.3 優化評(ping)價指标
　　本(ben)文選取數(shu)值模拟過(guo)程中的定(ding)性指标和(he)實驗測得(de)的定量指(zhi)标作爲優(you)化評價指(zhi)标，從仿真(zhen)與實驗兩(liang)方面綜合(he)評價優化(hua)結果。
2．3．1 流場(chang)均勻性指(zhi)數
　　氣體渦(wo)輪流量計(ji)作爲速度(du)式流量計(ji)，是在氣流(liu)入口處👈接(jie)近平均速(su)度輪廓的(de)條件下設(she)計和标定(ding)的［10］。要想達(da)到正确計(ji)量的目的(de)，應當使葉(ye)輪處氣流(liu)的速度場(chang)盡量均勻(yun)。當氣體來(lai)流的速度(du)場紊亂時(shi)，氣💚流對渦(wo)輪葉片的(de)推動力矩(ju) Tr随之紊亂(luan)，導緻葉片(pian)發生震顫(chan)，計量性能(neng)變差，嚴重(zhong)時造成葉(ye)❓片與輪軸(zhou)間磨損失(shi)效。而💜前導(dao)流器的作(zuo)用就是整(zheng)形流場，使(shi)氣體流速(su)均勻，故引(yin)入流場均(jun)勻性指數(shu)作爲優化(hua)評價指标(biao)。
　　均勻性指(zhi)數 γ［11］描述了(le)指定表面(mian)上指定物(wu)理量的變(bian)化情況，γ 取(qu)🥵［0，1］，γ 越大表示(shi)均勻性越(yue)好。均勻性(xing)指數采用(yong)面積進行(hang)衡量: 面積(ji)加權均勻(yun)性指數 γα。
面(mian)積加權均(jun)勻性指數(shu)( γα) ，利用下式(shi)進行計算(suan):

　　從均勻性(xing)指數的定(ding)義可以看(kan)出，當指定(ding)物理量爲(wei)速度時，γα表(biao)示流場速(su)度分布均(jun)勻性。面積(ji)加權均勻(yun)性指🐅數在(zai)數值模拟(ni)中均可由(you)程序自身(shen)提供，這樣(yang)大大提高(gao)了計算的(de)便捷性。因(yin)此，在數‼️值(zhi)模拟中用(yong) γα評價截面(mian)💚的流動均(jun)勻性具有(you)明顯的優(you)勢。
2．3．2 計量性(xing)能指标
　　基(ji)于氣體渦(wo)輪流量計(ji)的工作原(yuan)理，依據渦(wo)輪流量🥵計(ji)的檢定規(gui)程［12］，确定了(le)渦輪流量(liang)計的計量(liang)性能指标(biao): 儀表系數(shu)、線性度、重(zhong)複🔞性以及(ji)壓力損失(shi)。1) 儀表系🤞數(shu) K，依據規程(cheng)按下式計(ji)算:

式中: ( Ki)max、( Ki)min分(fen)别指在整(zheng)個流量範(fan)圍内，各流(liu)量點儀表(biao)系數的最(zui)大值和最(zui)小值。
2) 重複(fu)性 Er，依據規(gui)程按下式(shi)計算：

　　式中(zhong): ( Er)i爲第 i 個流(liu)量點的重(zhong)複性誤差(cha); Eij爲第i 個流(liu)量點第 j 次(ci)測量的✍️相(xiang)對示值誤(wu)差，% ; Ei爲第i 個(ge)流量點的(de)平均相對(dui)示值誤差(cha)，% 。
　　重複性是(shi)評價儀器(qi)穩定的重(zhong)要指标，重(zhong)複性越高(gao)🙇‍♀️說明流量(liang)👌計穩定性(xing)越好。
3) 線性(xing)度 δ，依據規(gui)程按下式(shi)計算:

4) 壓力(li)損失 Δp，依據(ju)規程規定(ding)爲流量計(ji)入口上遊(you) 1DN 和出口下(xia)遊🧑🏾‍🤝‍🧑🏼 1DN 的兩點(dian)間的壓力(li)差值。較小(xiao)的壓力損(sun)失可減少(shao)輸運氣體(ti)的能量消(xiao)耗，降低運(yun)輸成本。所(suo)以将🆚壓損(sun)作爲優化(hua)評價的☎️一(yi)個重要指(zhi)标。

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