摘要：根(gen)據已有(you)的DN25旋進(jin)旋渦流(liu)量計的(de)結構參(can)數，設計(ji)了DN20小型(xing)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計 ，而後(hou)借助ANSYSFluent流(liu)體仿真(zhen)對DN20小型(xing)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計進行(hang)了結構(gou)與流場(chang)關系的(de)研究。通(tong)過正交(jiao)試驗，獲(huo)得了DN20小(xiao)型流量(liang)計不同(tong)結🔞構的(de)内部流(liu)場及其(qi)信息，分(fen)析了流(liu)量計工(gong)作範圍(wei)内旋渦(wo)規✨律和(he)流量之(zhi)間的關(guan)系；進一(yi)步更換(huan)不同測(ce)量橫截(jie)面，查看(kan)壓力場(chang)及其變(bian)化規律(lü)，與原結(jie)構方案(an)的測量(liang)截面進(jin)行比較(jiao)，選🥰定最(zui)優測量(liang)截面與(yu)測量點(dian)，爲DN20流量(liang)計産品(pin)研❌發提(ti)❄️供了理(li)論依據(ju)。
0引言
　　旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)是根據(ju)旋渦進(jin)動現象(xiang)設計的(de)一種流(liu)體振🈲蕩(dang)式流量(liang)計，具有(you)流量範(fan)圍寬、無(wu)可動部(bu)🌈件、不易(yi)腐蝕、可(ke)靠性高(gao)、安裝使(shi)用方便(bian)、直管段(duan)要求短(duan)等優點(dian)，适用于(yu)石油🎯、蒸(zheng)汽、天然(ran)氣、水等(deng)多種介(jie)質的流(liu)量測量(liang)[1]。20世紀70年(nian)代，對旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)性能進(jin)行了比(bi)較全面(mian)的實驗(yan)研究，驗(yan)證了此(ci)流量計(ji)線性🐇輸(shu)出特性(xing)，同時發(fa)現此流(liu)量計不(bu)易受介(jie)質粘度(du)和密度(du)影響，指(zhi)出旋⭐進(jin)旋渦流(liu)量計在(zai)高壓氣(qi)體測量(liang)方面的(de)商業應(ying)用前景(jing)。對旋進(jin)旋渦流(liu)量計做(zuo)了實際(ji)工況下(xia)❗的儀表(biao)特征測(ce)試，探索(suo)該流量(liang)計在計(ji)量領域(yu)應用的(de)可行性(xing)。
　　對于旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)内部流(liu)動特性(xing)及流量(liang)計改進(jin)方面，科(ke)研人員(yuan)也進行(hang)了一定(ding)的探索(suo)，彭傑剛(gang)等人[4]對(dui)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計内🏃🏻‍♂️部(bu)流場進(jin)行了數(shu)值模拟(ni)分析，研(yan)究了旋(xuan)💘渦流量(liang)計内部(bu)流場的(de)演變情(qing)況，分析(xi)了流場(chang)🧡幹擾對(dui)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計流場(chang)進動效(xiao)應🔅的影(ying)響。何馨(xin)雨等人(ren)[5]對旋進(jin)旋渦内(nei)部流場(chang)進行了(le)數值模(mo)拟分♉析(xi)，獲得了(le)比較全(quan)面的流(liu)場信息(xi)，對這種(zhong)流量計(ji)的内部(bu)流動特(te)性有了(le)更🔴加深(shen)入的理(li)解。

　　目(mu)前，針對(dui)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計，特别(bie)是小型(xing)和微型(xing)流量計(ji)還存在(zai)👈流量計(ji)低流量(liang)工況條(tiao)件下測(ce)量不準(zhun)确、過程(cheng)不穩定(ding)的問☀️題(ti)，開㊙️發小(xiao)型流量(liang)計，相較(jiao)于普㊙️通(tong)流量計(ji)需要在(zai)結構上(shang)做出🥵改(gai)進和✂️優(you)化。比如(ru)，可采用(yong)導流片(pian)來降低(di)壓損，提(ti)高流量(liang)計的性(xing)能。本文(wen)🐇着重考(kao)慮對小(xiao)型旋進(jin)旋渦流(liu)量計的(de)起旋角(jiao)、收縮角(jiao)和收縮(suo)比🚶‍♀️進行(hang)優化研(yan)究，從🐇而(er)爲進一(yi)步開發(fa)和🌏定型(xing)小型🔞流(liu)量計提(ti)供理論(lun)上的支(zhi)🏒持。
1旋進(jin)旋渦流(liu)量計工(gong)作原理(li)[6]
　　旋進旋(xuan)渦流量(liang)計 主要(yao)由起旋(xuan)器、文丘(qiu)裏管、消(xiao)旋器和(he)檢測傳(chuan)感器組(zu)♻️成，其結(jie)構原理(li)如圖1所(suo)示。
　　旋進(jin)旋渦流(liu)量計是(shi)基于旋(xuan)渦進動(dong)現象工(gong)作的。流(liu)體💚流入(ru)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計後，首(shou)先通過(guo)一組由(you)固定螺(luo)旋形葉(ye)片組成(cheng)的起旋(xuan)㊙️器後被(bei)強制旋(xuan)轉，使流(liu)體🔴形成(cheng)旋渦，旋(xuan)渦👉中心(xin)爲🚶‍♀️“渦核(he)”是流體(ti)旋轉運(yun)動速度(du)很高的(de)區🔴域，其(qi)外圍是(shi)環流。流(liu)🈚體流經(jing)收縮段(duan)時旋🏃‍♀️渦(wo)加速，沿(yan)流📧動方(fang)向渦核(he)與流量(liang)計的軸(zhou)線相一(yi)緻。當進(jin)入擴大(da)段後，旋(xuan)渦急劇(ju)減速，壓(ya)力上升(sheng)，中心區(qu)域的壓(ya)力比周(zhou)圍壓力(li)低，于是(shi)産生了(le)局部回(hui)流；在回(hui)流作用(yong)下，渦核(he)開❤️始像(xiang)剛體一(yi)樣圍繞(rao)中心軸(zhou)在擴張(zhang)段壁面(mian)做螺旋(xuan)進動。其(qi)進動頻(pin)率與流(liu)體的流(liu)速成正(zheng)比。因此(ci)，測得旋(xuan)進旋渦(wo)的頻率(lü)即💚能反(fan)映流速(su)和體積(ji)流量的(de)大小。
2模(mo)型建立(li)與計算(suan)
2.1仿真模(mo)型的建(jian)立
　　根據(ju)現有的(de)實物模(mo)型使用(yong)NX建立仿(pang)真模型(xing)，根據測(ce)繪得出(chu)DN25旋進漩(xuan)渦流量(liang)計重要(yao)尺寸：進(jin)出口直(zhi)徑爲25mm，收(shou)縮比爲(wei)1.25，收縮段(duan)夾角爲(wei)🚩12°，起旋器(qi)葉片夾(jia)角爲42°，擴(kuo)張段夾(jia)角爲60°，建(jian)立❄️如圖(tu)2所🔞示三(san)維💋模型(xing)。

　　再根據(ju)實物參(can)數建立(li)好的DN25旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)模型的(de)基礎上(shang)進行修(xiu)改，得到(dao)DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)模💘型。DN20旋(xuan)進旋⛱️渦(wo)流量計(ji)具體結(jie)構尺寸(cun)數據如(ru)下：進出(chu)口直徑(jing)🚩爲φ20mm，收縮(suo)段夾角(jiao)爲12°，起旋(xuan)器葉片(pian)入射角(jiao)爲42°，收🙇🏻縮(suo)比爲1.25（喉(hou)部直徑(jing)爲φ16mm），擴張(zhang)段夾角(jiao)爲60°，結構(gou)尺寸如(ru)圖3所示(shi)。

2.2流體力(li)學控制(zhi)方程和(he)湍流模(mo)型
　　旋進(jin)旋渦流(liu)量計的(de)流體動(dong)力特性(xing)，可以用(yong)流體力(li)學基本(ben)方🍉程進(jin)行描述(shu)。
　　連續性(xing)方程和(he)動量方(fang)程：

式（1）、式(shi)（2）中：p——靜壓(ya)；ui——流動速(su)度；f——質量(liang)力；τij——應力(li)質量。

　　流(liu)量計内(nei)部爲湍(tuan)流流動(dong)，需引入(ru)湍流模(mo)型，标準(zhun)的K-Epsilon湍流(liu)模型用(yong)于強旋(xuan)流或帶(dai)有彎曲(qu)壁面的(de)流動時(shi)㊙️，會出現(xian)一定的(de)失真🌈，因(yin)此本文(wen)選用RNGk-?湍(tuan)流模型(xing)。湍流模(mo)型和㊙️相(xiang)關方程(cheng)在文獻(xian)[5]中有詳(xiang)細說🐉明(ming)。
3K值系數(shu)的确定(ding)
3.1不同流(liu)量下的(de)K值系數(shu)
　　DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)的範圍(wei)爲2.5m3/h～25m3/h，分别(bie)選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和(he)2.5m3/h，作爲仿(pang)真計⛷️算(suan)的進出(chu)口流量(liang)，出口的(de)相對壓(ya)力設爲(wei)0Pa，壁面爲(wei)無滑移(yi)邊界。先(xian)常定計(ji)算，然後(hou)在常定(ding)計算的(de)基礎上(shang)進行非(fei)常定計(ji)算。
　　選取(qu)上述4組(zu)仿真的(de)同一截(jie)面的同(tong)選定一(yi)測量點(dian)，分别計(ji)🏃🏻‍♂️算點的(de)壓力變(bian)化頻率(lü)與壓差(cha)，從而判(pan)斷不同(tong)流量下(xia)‼️DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)的性能(neng)優劣。
　　截(jie)面取喉(hou)部（擴張(zhang)段前截(jie)面處），截(jie)面上節(jie)點位置(zhi)距👣離壁(bi)面3mm，具體(ti)位置如(ru)圖4所示(shi)。不同流(liu)量下的(de)節點的(de)壓力變(bian)化雲圖(tu)🤟如圖5所(suo)示。

　　根據(ju)圖5數據(ju)，整理可(ke)得到以(yi)下數據(ju)：流量爲(wei)25m3/h時，0.002s内壓(ya)力變化(hua)㊙️約爲3.9次(ci)，頻率爲(wei)1950Hz，換算得(de)K此時K系(xi)數約爲(wei)281000；流量爲(wei)12.5m3/h時，0.005s内壓(ya)力變化(hua)約爲4.5次(ci)，頻率爲(wei)900Hz，換算得(de)K此時K系(xi)數約爲(wei)259366；流量爲(wei)5m3/h時，0.02s内壓(ya)力🈲變化(hua)約爲6.5次(ci)，頻㊙️率爲(wei)325Hz，換算得(de)K此時K系(xi)數約爲(wei)233981；流量爲(wei)2.5m3/h時，0.1s内壓(ya)力變化(hua)約🐪爲17次(ci)，頻率👈爲(wei)170Hz，換算得(de)K此時K系(xi)數約爲(wei)244957。
　　根據上(shang)述數據(ju)整理可(ke)得：平均(jun)K系數值(zhi)約爲254825。
　　以(yi)上數據(ju)存在以(yi)下問題(ti)：當測量(liang)低流量(liang)（2.5m3/h）時，出現(xian)壓差減(jian)小，壓力(li)🥵變化的(de)範圍不(bu)大，渦核(he)轉動幅(fu)度減小(xiao)🏃，脈動效(xiao)應不明(ming)顯，不利(li)于傳感(gan)器的測(ce)量。針對(dui)此問題(ti)，本文對(dui)DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)進行✍️結(jie)構優化(hua)，以📐提高(gao)流量計(ji)在測量(liang)低流量(liang)時的測(ce)量精度(du)。
3.2針對小(xiao)流量測(ce)量的結(jie)構優化(hua)
　　參考相(xiang)關論文(wen)[7]，影響流(liu)量計儀(yi)表精度(du)與最小(xiao)測量流(liu)量的3個(ge)🔅相關因(yin)素爲：收(shou)縮段角(jiao)度、起旋(xuan)器入射(she)角和喉(hou)部直徑(jing)（收縮比(bi)）。
　　仿真實(shi)驗選用(yong)三因素(su)三水平(ping)正交實(shi)驗，三因(yin)素分❓别(bie)爲：起旋(xuan)角、收縮(suo)角和收(shou)縮比。起(qi)旋角對(dui)應的三(san)水平爲(wei)40/42/45，收縮比(bi)對✌️應的(de)❤️三水平(ping)爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮(suo)角對應(ying)的三水(shui)平爲13/11/27。綜(zong)合考慮(lü)所有的(de)❌因素要(yao)實驗27次(ci)，而正交(jiao)實驗隻(zhi)要選取(qu)9組關鍵(jian)實驗，表(biao)1爲正交(jiao)實驗表(biao)。

　　依照三(san)因素三(san)水平正(zheng)交實驗(yan)表，按順(shun)序進行(hang)正交實(shi)㊙️驗，得到(dao)不同情(qing)況下的(de)相同時(shi)刻的截(jie)面壓力(li)雲圖如(ru)🏃‍♀️圖6所示(shi)，截面壓(ya)力的變(bian)化圖如(ru)圖7所示(shi)。圖片按(an)實驗序(xu)🐕号一一(yi)對應。、


　　由(you)正交實(shi)驗所得(de)到的數(shu)據可知(zhi)，模型六(liu)與模型(xing)九在低(di)流🤟量💋的(de)情況下(xia)仿真，壓(ya)力變化(hua)明顯，壓(ya)力變化(hua)幅度較(jiao)原模型(xing)顯著提(ti)高，脈動(dong)效應明(ming)顯，即相(xiang)較于原(yuan)模型💜得(de)到優化(hua)。
3.3确定模(mo)型
　　爲了(le)進一步(bu)驗證模(mo)型參數(shu)的優化(hua)情況，選(xuan)擇最優(you)模型，分(fen)别取不(bu)同的進(jin)口流量(liang)，對模型(xing)六與模(mo)型九進(jin)行仿真(zhen)實驗，計(ji)算對應(ying)的頻率(lü)和K系數(shu)值。
　　考慮(lü)到原模(mo)型的流(liu)量範圍(wei)在2.5m3/h～25m3/h，頻率(lü)爲150Hz～1500Hz，此次(ci)仿真實(shi)🛀驗取對(dui)應的進(jin)口流量(liang)爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模(mo)型六不(bu)同進口(kou)流量的(de)對應壓(ya)力變化(hua)圖如圖(tu)8所示。根(gen)據4組仿(pang)❗真實驗(yan)所得數(shu)據，得到(dao)模型六(liu)的頻率(lü)輸出範(fan)圍約爲(wei)💜162Hz～2100Hz，K值平均(jun)爲279845，較原(yuan)模型提(ti)高約27%。

　　模(mo)型九不(bu)同進口(kou)流量的(de)對應壓(ya)力變化(hua)圖如圖(tu)9所示。根(gen)🤟據4組仿(pang)🔞真實驗(yan)所得數(shu)據，得到(dao)模型九(jiu)的頻率(lü)輸出範(fan)圍約爲(wei)200Hz～2350Hz，K值平均(jun)爲322343，較原(yuan)模型提(ti)高約46%。

　　根(gen)據所有(you)相關數(shu)據得出(chu)結論：模(mo)型九相(xiang)較于模(mo)型六🎯有(you)🔆更好的(de)優化效(xiao)果。因此(ci)，選取模(mo)型九做(zuo)爲最優(you)模型
3.4測(ce)量點的(de)選定
　　由(you)于流量(liang)計的脈(mo)動複雜(za)性，在管(guan)道内部(bu)對流場(chang)壓力測(ce)量點的(de)選取至(zhi)關重要(yao)。爲了選(xuan)擇最優(you)測量點(dian)🔞，對整🔴個(ge)模型進(jin)行仿真(zhen)實驗，根(gen)據以往(wang)經驗，選(xuan)取喉🏃‍♀️部(bu)附近不(bu)同的♉8個(ge)位置進(jin)行相應(ying)的測量(liang)，查看對(dui)應的壓(ya)力變化(hua)，從而判(pan)斷最優(you)的測量(liang)點。本次(ci)仿真實(shi)🔱驗選擇(ze)的8個測(ce)量點的(de)位置如(ru)圖10所示(shi)。

　　在低流(liu)量2.5m3/h仿真(zhen)環境下(xia)，選擇如(ru)圖10所示(shi)的8個不(bu)同節點(dian)，比較壓(ya)力變化(hua)幅度及(ji)峰值的(de)變化。由(you)上述實(shi)驗🍉知模(mo)型九優(you)化效果(guo)最好，所(suo)以選用(yong)模型九(jiu)做爲本(ben)次仿真(zhen)實驗的(de)🤞仿真模(mo)型，圖11爲(wei)各個不(bu)同節點(dian)的壓力(li)變化圖(tu)，其中a、b、c、d、e、f、g和(he)h與💯圖10上(shang)節點♍一(yi)一對應(ying)。
　　由于脈(mo)動信号(hao)的拾取(qu)是通過(guo)壓力傳(chuan)感器測(ce)得，在傳(chuan)感器測(ce)量條件(jian)一定的(de)情況下(xia)，壓力幅(fu)值變化(hua)越大越(yue)容易測(ce)量。由圖(tu)11所得❄️數(shu)據可知(zhi)，c點和d點(dian)的壓力(li)♍幅值與(yu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼極值大(da)于其他(ta)測量點(dian)🙇🏻，有利于(yu)壓力傳(chuan)感器的(de)檢測，綜(zong)合所有(you)實驗的(de)壓力截(jie)面圖判(pan)斷，确定(ding)最優的(de)檢測點(dian)在距離(li)喉部末(mo)端約0mm～1mm，且(qie)距壁面(mian)2mm～4mm處。

4結語(yu)
1）本文根(gen)據DN25旋進(jin)旋渦流(liu)量計實(shi)物模型(xing)，繪制出(chu)DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)，借助ANSYSFluent對(dui)DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)進行仿(pang)真實驗(yan)，獲得了(le)DN20小型流(liu)量計不(bu)同結構(gou)的内部(bu)流場及(ji)其信息(xi)🌈，分析了(le)流量計(ji)工作範(fan)圍内旋(xuan)渦規律(lü)和流量(liang)之間的(de)關系，綜(zong)合分析(xi)後确定(ding)其K值系(xi)數。
2）根據(ju)DN20微型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)在小流(liu)量工況(kuang)下的壓(ya)力變化(hua)情況，優(you)化了其(qi)結構，确(que)定起旋(xuan)角爲45°、收(shou)縮比爲(wei)20：15、收縮角(jiao)爲12°時🏃‍♀️，可(ke)有效解(jie)決DN20微型(xing)旋進旋(xuan)渦流量(liang)計對小(xiao)流🍓量的(de)測量不(bu)精☎️确的(de)問題。
3）本(ben)文在優(you)化模型(xing)的基礎(chu)上，根據(ju)同一流(liu)量下的(de)壓力🐕變(bian)化情📱況(kuang)，綜合所(suo)有實驗(yan)，确定了(le)DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(ji)的最優(you)測量點(dian)，爲DN20小型(xing)流量計(ji)開發提(ti)供了理(li)論依🔞據(ju)。
4）在上述(shu)仿真研(yan)究和DN20建(jian)模的基(ji)礎上，依(yi)次制作(zuo)了DN20小型(xing)流量計(ji)3D打印樣(yang)機，通過(guo)測試其(qi)實際K系(xi)數在小(xiao)流量段(duan)基本接(jie)近理論(lun)值，結果(guo)表明本(ben)文流量(liang)計的性(xing)能達到(dao)🐪了開發(fa)預期。

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