[摘要(yao)]采用計算(suan)流體力學(xue)(CFD)的方法對(dui)一口徑爲(wei)80mm的氣體渦(wo)輪流量計(ji) 進行工況(kuang)條件的數(shu)值模拟研(yan)究.通過計(ji)算,分析了(le)流量😘計在(zai)不同流量(liang)下,各部件(jian)包括前整(zheng)流器.前導(dao)流器、機芯(xin)殼體、葉輪(lun)♈支座、葉輪(lun)和後.導流(liu)器對壓力(li)損失的影(ying)響,給出了(le)各部件的(de)流量與壓(ya)力損失的(de)關系曲線(xian)及其壓力(li)㊙️損失比例(li).數值模拟(ni)結果與實(shi)驗結果相(xiang)符,進而從(cong)流道内的(de)壓力分布(bu)和流場分(fen)析壓力損(sun)失原因并(bing)提出減少(shao)壓力損失(shi)的改進思(si)路.
　　在天然(ran)氣的采集(ji)、處理、儲存(cun)、運輸和分(fen)配過程中(zhong),需要數以(yi)⛱️百萬計的(de)流量計,它(ta)既是天然(ran)氣供需雙(shuang)方貿易結(jie)算的依據(ju),也是生産(chan)部門用氣(qi)效率的主(zhu)要技術指(zhi)🙇‍♀️标，因此對(dui)流量計測(ce)量正确率(lü)和可靠性(xing)有要求.
　　氣(qi)體渦輪流(liu)量計屬于(yu)速度式流(liu)量計,是應(ying)用于燃氣(qi)貿易計量(liang)的三大流(liu)量儀表之(zhi)一，由于具(ju)有重複性(xing)好、量程範(fan)圍寬、适♉應(ying)性強、精度(du)高、對流量(liang)變化反應(ying)靈敏、輸出(chu)脈沖信号(hao)、複現性好(hao)和體🚶‍♀️積小(xiao)等特點，氣(qi)體渦輪流(liu)量計近年(nian)來已在石(shi)油、化工和(he)天然氣等(deng)領域獲得(de)廣泛的應(ying)用”。
　　随着渦(wo)輪流量計(ji)在管道計(ji)量領域的(de)廣泛使用(yong),天🐅然氣管(guan)道輸🏃🏻送過(guo)程中的能(neng)耗成爲不(bu)容忽視的(de)問題，而🏃‍♀️天(tian)然氣管道(dao)輸送過程(cheng)中的壓力(li)損失是産(chan)生能源消(xiao)耗的主要(yao)原因之一(yi).爲保證天(tian)⁉️然氣能順(shun)利輸送至(zhi)用戶端,就(jiu)需要提高(gao)各壓氣站(zhan)的輸送壓(ya)力并盡量(liang)減少管道(dao)輸送過程(cheng)中的壓力(li)損失,而各(ge)級🍉管道上(shang)的計量流(liu)量計所造(zao)成的壓力(li)損失占有(you)很大比重(zhong)，因🏒此,氣體(ti)渦輪流量(liang)計的壓💃🏻力(li)損失研究(jiu)對節能減(jian)排和推動(dong)我🔴國燃氣(qi)計量儀表(biao)産業的發(fa)展具有較(jiao)好的推動(dong)作用，
　　目前(qian)，渦輪流量(liang)計的優化(hua)主要通過(guo)改良其導(dao)流件、葉輪(lun)，軸🏃承、非磁(ci)電信号檢(jian)出器等部(bu)件的結構(gou)尺寸和加(jia)工工藝，來(lai)改善流量(liang)計測量氣(qi)體、高粘度(du)流體和小(xiao)流🈲量時的(de)特性.孫立(li)軍[切對降(jiang)低🔴渦輪流(liu)量傳感器(qi)粘度變化(hua)敏感度進(jin)行了研究(jiu).SUN等0采用了(le)Standardke湍流⛷️模型(xing)數值模拟(ni)口徑爲15mm的(de)渦輪流量(liang)計的内部(bu)流動,結果(guo)表明壓🌍力(li)損失受到(dao)前端和後(hou)端形狀、導(dao)流體半徑(jing)、導流體的(de)導流片和(he)渦輪葉片(pian)厚度的影(ying)響.劉正先(xian)和徐蓮環(huan)回雖然對(dui)氣體渦輪(lun)流量計的(de)流動進行(hang)實驗測量(liang)和數值🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計(ji)算，發現前(qian)導流器的(de)結構變化(hua)對後面各(ge)部件内的(de)👅氣體流動(dong)速度梯度(du)和壓力恢(hui)複也有明(ming)顯影響,使(shi)總壓力損(sun)失進一步(bu)放大或減(jian)小,但對流(liu)量計的其(qi)它部件未(wei)進行分析(xi).本文将對(dui)一種型号(hao)氣體渦輪(lun)流量計🥰各(ge)部件的壓(ya)力損失與(yu)流量的關(guan)系進⭕行分(fen)析研究，以(yi)提出其優(you)化♌思💃🏻路.
1渦(wo)輪流量計(ji)的基本結(jie)構及工作(zuo)原理
　　本文(wen)采用80mm口徑(jing)氣體渦輪(lun)流量計作(zuo)爲研究對(dui)象,對其✂️進(jin)行内部流(liu)道的壓力(li)損失數值(zhi)模拟.氣體(ti)渦輪📱流量(liang)計結構示(shi)意圖如圖(tu)1.氣體渦輪(lun)流量計實(shi)物如圖2,其(qi)中圖2(a)爲渦(wo)💘輪流量計(ji)實物圖,圖(tu)2(b)爲渦輪流(liu)量計機芯(xin)葉輪實物(wu)圖.
 
　　氣(qi)體渦輪流(liu)量計的原(yuan)理是,氣體(ti)流過流量(liang)計推動渦(wo)🏒輪葉片⭐旋(xuan)🐅轉,利用置(zhi)于流體中(zhong)的葉輪的(de)旋轉角速(su)度與流體(ti)流速成比(bi)例的關系(xi)，通過測量(liang)葉輪轉速(su)來得🚶到流(liu)體流速，進(jin)而得到管(guan)道内的流(liu)量值[10].渦輪(lun)流量計輸(shu)出的脈沖(chong)頻率S與所(suo)測體積;流(liu)量qv成正比(bi)，即
 
　　式(2)中:J一(yi)葉輪的轉(zhuan)動慣量;t一(yi)時間;ω一葉(ye)輪的轉速(su);Tt一推🍓動力(li)矩;Trm一機械(xie)摩擦阻力(li)矩;Ttf一流動(dong)阻力矩;Tre一(yi)電☁️磁阻力(li)矩.
2計算模(mo)型
2.1數學模(mo)型
　　設定渦(wo)輪流量計(ji)數值模拟(ni)的工作介(jie)質爲空氣(qi).流動處于(yu)湍流♌流動(dong)，數值模拟(ni)湍流模型(xing)采用RealizableK-e模型(xing)，該模型适(shi)用☁️于模拟(ni)計算旋轉(zhuan)流動.強逆(ni)壓梯度的(de)邊界層流(liu)動、流動🈲分(fen)離和📧二次(ci)流🐆等,其模(mo)型方程表(biao)示🔅爲11]1:

 
2.2流體(ti)區域網格(ge)劃分
　　使用(yong)Solidworks三維設計(ji)軟件依照(zhao)實物尺寸(cun)對渦輪流(liu)量計各部(bu)💁件❄️進行🈲建(jian)模及組裝(zhuang)，簡化主軸(zhou)、取壓孔和(he)加油孔等(deng)對流❌體區(qu)城影響較(jiao)小的部分(fen)，
　　先對機芯(xin)部分做布(bu)爾運算得(de)到純流體(ti)區域，然後(hou)對葉🧡輪🧡外(wai)加⚽包絡體(ti)形成旋轉(zhuan)區域，在機(ji)芯進出口(kou)前後均加(jia)🥵上15倍機芯(xin)口徑的直(zhi)管段，以保(bao)證進出口(kou)流動爲♊充(chong)分發展湍(tuan)流.
　　全部流(liu)體區域包(bao)括前後直(zhi)管段、葉輪(lun)包絡體以(yi)及機芯部(bu)分的流體(ti)區域.用Gambit軟(ruan)件對三維(wei)模型進行(hang)網格劃分(fen)，對🥰流體區(qu)域👄中的小(xiao)面和尖角(jiao)等難以生(sheng)成網格的(de)部分進行(hang)優化和簡(jian)化處理，流(liu)體區域使(shi)用👌非結構(gou)化㊙️混合網(wang)格，并對機(ji)芯流道内(nei)葉輪等流(liu)動情況較(jiao)複雜區域(yu)進行了🛀🏻局(ju)部加密，如(ru)圖3.其中圖(tu)3(a)爲💯機芯流(liu)體區域網(wang)格圖，圖3(b)爲(wei)葉輪網格(ge)圖,整體網(wang)格總數量(liang)約230萬.
 
2.3數值(zhi)模拟仿真(zhen)條件設置(zhi)
　　數值計算(suan)時，爲方便(bian)模拟結果(guo)與實驗結(jie)果的對比(bi),環境溫度(du)👉、濕度和壓(ya)力設置與(yu)實驗工況(kuang)相同,流體(ti)🧡介質選擇(ze)空氣,空氣(qi)的密度ρ和(he)動力粘度(du)”根據Rasmussen提出(chu)✍️的計算規(gui)程拟🌏合推(tui)導出的簡(jian)化公式(5)和(he)(6)計算獲得(de)：
 
　　模型選擇(ze)Realizablek-e湍流模型(xing)，壓力插值(zhi)選擇Bodyforceweighted格式(shi),湍流動能(neng)、湍流耗散(san)項💃和動量(liang)方程均采(cai)用二階迎(ying)風格式離(li)散，壓🌏力與(yu)🌏速度的耦(ou)合采用SIMPLEC算(suan)法求解，其(qi)餘設置均(jun)采用Fluent默認(ren)值.
　　計算區(qu)域管道人(ren)口采用速(su)度入口邊(bian)界條件，速(su)度方向🔞垂(chui)直🔱于人口(kou)直管段截(jie)面，出口邊(bian)界條件采(cai)用壓力出(chu)口.葉輪包(bao)絡體設置(zhi)爲動流動(dong)區域,其餘(yu)爲靜流動(dong)⁉️區域，采⚽用(yong)interface邊界條件(jian)作爲分界(jie)面，對于旋(xuan)轉部分和(he)靜止部分(fen)之間的耦(ou)合采用多(duo)重參考坐(zuo)标模型(MRF).葉(ye)輪采用滑(hua)移邊界條(tiao)件且相對(dui)于附近旋(xuan)轉💋流體區(qu)域速度爲(wei)零.葉輪轉(zhuan)速是通過(guo)使用FLUENT軟🚶件(jian)中的TurboTopol-ogy與TurboReport功(gong)能，不斷調(diao)整葉輪轉(zhuan)速，觀察葉(ye)輪轉速是(shi)否達到力(li)矩平衡來(lai)确定的。
3數(shu)值模拟結(jie)果分析
　　在(zai)流量計流(liu)量範圍内(nei)選取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhe)6個流量點(dian)進行同工(gong)況♈環境😘數(shu)值模拟，得(de)到氣體渦(wo)輪流量計(ji)的内部流(liu)場和壓力(li)分布等數(shu)據.進口橫(heng)截面取于(yu)前整流器(qi)前10mm處⭐，出口(kou)橫截面取(qu)于後導流(liu)體後♋10mm處.計(ji)算渦輪流(liu)量計進🙇🏻出(chu)口橫截面(mian)上的壓力(li)差，即得到(dao)流量計🎯的(de)壓力損失(shi)。
 
　　圖4爲流量(liang)與壓力損(sun)失之間的(de)關系曲線(xian),圖中實驗(yan)值🤟是在工(gong)況條件下(xia)使用音速(su)噴嘴法氣(qi)體流量标(biao)準裝置測(ce)得.
　　根據圖(tu)4中壓力損(sun)失随流量(liang)的變化趨(qu)勢，可以将(jiang)流量與壓(ya)力損失之(zhi)間的關系(xi)拟合曲線(xian)爲二次多(duo)項🐇式,其表(biao)達🈲式爲
 
　　這(zhe)與流量計(ji)的壓力損(sun)失計算公(gong)式(8)趨勢相(xiang)符,均爲二(er)次函數，且(qie)數值模拟(ni)結果與實(shi)驗結果吻(wen)合得較好(hao)，說明渦✂️輪(lun)流量計的(de)内❌部流場(chang)數值模拟(ni)方法及結(jie)果是可行(hang)且可靠的(de).流量計的(de)壓力損失(shi)計算公式(shi)爲。
 
式(8)中:△P----壓(ya)力損失;α壓(ya)力損失系(xi)數;υ----管道平(ping)均流速.
　　以(yi)流量Q=250m³/h的數(shu)值模拟計(ji)算結果爲(wei)例進行渦(wo)輪流量計(ji)内📐部流㊙️場(chang)及壓力場(chang)的分析.圖(tu)5爲渦輪流(liu)量計軸向(xiang)剖面靜壓(ya)分布圖.前(qian)導流器前(qian)後的壓力(li)場分布較(jiao)均勻且壓(ya)力梯度較(jiao)小，在機芯(xin)殼體與葉(ye)輪支座連(lian)接凸台處(chu)壓力有所(suo)增加,連接(jie)面後壓🐕力(li)又逐漸👨‍❤️‍👨減(jian)小.故認爲(wei)流體流經(jing)葉輪支座(zuo)産生壓力(li)損失的主(zhu)要原因是(shi)❗連接處存(cun)在凸台,導(dao)緻流場出(chu)現較大變(bian)化，不能平(ping)滑過渡,建(jian)議将葉輪(lun)支座與機(ji)芯殼體的(de)連接改爲(wei)圓弧線💁型(xing)或流線型(xing).
　　觀察圖5和(he)圖6,當流體(ti)流經葉輪(lun)從後導流(liu)器流出渦(wo)輪💋流💞量計(ji)時,壓力梯(ti)度變化明(ming)顯，存在負(fu)壓區域并(bing)造成♻️很大(da)的壓降，在(zai)後導流器(qi)凸台及流(liu)量計出口(kou)🐇處速度變(bian)化明顯，由(you)于氣流通(tong)過後導流(liu)器後流道(dao)突擴,在後(hou)導流器背(bei)面形成明(ming)顯的低速(su)🚶‍♀️渦區，産生(sheng)漩渦二次(ci)流。
 
　　結合圖(tu)7、圖8流量計(ji)軸向剖面(mian)和出口橫(heng)截面的總(zong)壓及速度(du)分布👨‍❤️‍👨圖,其(qi)速度分布(bu)與壓力分(fen)布相似,流(liu)量計流道(dao)内速度分(fen)布較均勻(yun)的區域其(qi)壓力梯度(du)變化也較(jiao)小，即流道(dao)内速度的(de)分布和變(bian)化與壓力(li)損失大小(xiao)相關.由流(liu)量計軸向(xiang)剖面和出(chu)口橫截面(mian)的🤩速度及(ji)壓力分布(bu)圖可以看(kan)出,流量計(ji)後導流器(qi)處産生的(de)漩渦二次(ci)流影響了(le)出口橫截(jie)面處的❓速(su)度及壓力(li)分布,流體(ti)呈螺旋狀(zhuang)流動,故出(chu)口處速度(du)及壓力較(jiao)大區域均(jun)偏移向流(liu)體旋轉方(fang)向。
 
　　流量計(ji)各部件的(de)壓力損失(shi)随流量變(bian)化的趨勢(shi)與🎯流量計(ji)總壓力損(sun)失随流量(liang)的變化趨(qu)勢相同,其(qi)拟合公式(shi)爲🐕系數不(bu)同的二次(ci)多項式，各(ge)部件的壓(ya)力損失與(yu)流量呈二(er)次函數關(guan)系，随着流(liu)量的增加(jia)，壓📐力損失(shi)顯著增加(jia).
 
　　觀察圖10各(ge)部件壓力(li)損失百分(fen)比圖，可見(jian)前整流器(qi)、前導流🏒器(qi)🐅和機芯殼(ke)體處的壓(ya)力損失很(hen)小，葉輪支(zhi)座處壓力(li)損失約占(zhan)總壓力損(sun)失的1/4.前整(zheng)流器所占(zhan)壓力損失(shi)比例在各(ge)流量點基(ji)本保持不(bu)變,前導流(liu)器和機芯(xin)殼體處的(de)壓力損失(shi)随流量的(de)增加其比(bi)例略有降(jiang)低,葉輪支(zhi)座處壓力(li)損失随流(liu)量的增加(jia)📞其比例略(lue)有增加,但(dan)總體上受(shou)流量影響(xiang)不大.葉輪(lun)處的壓力(li)損失随流(liu)量從13m³/h增加(jia)至250m³/h,其比例(li)從15.88%降至8.71%,降(jiang)幅明顯.後(hou)導流器處(chu)的壓力損(sun)失占總壓(ya)🏃‍♂️力損失的(de)大半,随着(zhe)流量從13m³/h增(zeng)加至250m³/h其壓(ya)力損失比(bi)例由43.77%升至(zhi)❄️55.83%,增幅明顯(xian).總之,後導(dao)流器♊、葉輪(lun)支座和葉(ye)輪是流體(ti)流經渦輪(lun)流量計産(chan)生壓力損(sun)失的主要(yao)影響部件(jian),可通過優(you)化其結構(gou)以降低渦(wo)☀️輪流量計(ji)的總壓力(li)損失.
4結語(yu)
　　本文采用(yong)Fluent軟件對一(yi)口徑爲80mm的(de)渦輪流量(liang)計内部進(jin)🈲行了數值(zhi)模拟計算(suan),分析内部(bu)流場、壓力(li)場及各部(bu)件産生的(de)壓力損失(shi),得出🌐以下(xia)結論:
1)漩渦(wo)二次流是(shi)産生能量(liang)消耗的主(zhu)要原因,故(gu)建議對渦(wo)輪流👌量計(ji)葉輪支座(zuo)及後導流(liu)器進行幾(ji).何參數的(de)優化,将其(qi)凸台🈲邊緣(yuan)改爲流線(xian)型以減少(shao)流道突擴(kuo)的影響.減(jian)少後導流(liu)器葉片厚(hou)度并增加(jia)其長度及(ji)數量以減(jian)弱氣體螺(luo)旋狀流動(dong),減弱😘漩渦(wo)二次流,達(da)到降低流(liu)量計壓力(li)損失的目(mu)的.
2)分析各(ge)部件對壓(ya)力損失的(de)影響,其壓(ya)力損失與(yu)流量成二(er)🌐次函數關(guan)系.後導流(liu)器相對于(yu)其他部件(jian)是壓力損(sun)失💃的主要(yao)因素,約占(zhan)總壓力損(sun)失的一半(ban),随着流量(liang)🧡的增加其(qi)壓力損失(shi)占總壓力(li)損失的比(bi)例✂️上升了(le)11.27%.葉輪支座(zuo)的壓力損(sun)失約占總(zong)壓力損失(shi)的1/4,其壓力(li)損失🧑🏾‍🤝‍🧑🏼比例(li)随流量的(de)增加基本(ben)不變.随着(zhe)流量的增(zeng)加葉輪産(chan)生的壓力(li)損失比例(li)降幅明🌈顯(xian).
　　通過數值(zhi)模拟分析(xi)得出速度(du)的分布和(he)變化與壓(ya)🏃‍♂️力損失大(da)💃小相關,通(tong)過優化流(liu)量計流道(dao)内的速度(du)分布可降(jiang)低流量計(ji)的壓力損(sun)失,後續相(xiang)關的渦輪(lun)流量計⁉️優(you)化研究可(ke)從優化其(qi)流道内速(su)度分布人(ren)手.

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