0引言(yan)
　　氣體渦輪流(liú)量計 是計量(liang)天然氣、液化(huà)氣、煤氣等介(jie)質的速度式(shì)儀表[1-2]。爲了💋改(gǎi)🈲善㊙️氣體渦輪(lun)流量計的性(xìng)能，爲設計提(ti)供指導和方(fāng)向，近年來一(yi)些學者利用(yong)CFD技術對其内(nèi)部流場進行(hang)了研究。LavanteEV等[3]利(li)用FLUENT對氣體🚶渦(wō)輪流💛量計内(nèi)部流❄️場進行(háng)數值模拟，并(bing)根據仿真結(jie)果解釋實驗(yan)過程🈲中的現(xian)象。對前導流(liu)器引起的流(liu)量計壓力損(sun)失進☂️行數值(zhi)計算和實驗(yan)測量，從流動(dong)機理上解釋(shì)了結構和壓(ya)損📞之間的關(guān)系。LIZhifei等[6]利用數(shu)值模拟得到(dào)了導流器内(nei)部的速度場(chang)和壓力場，并(bìng)以減小壓力(li)損失爲目标(biāo)優化了導流(liú)器🙇🏻的結構。通(tong)過對氣體渦(wo)輪流量計進(jìn)行CFD仿真，研🐉究(jiū)不同流量下(xia)的壓損值，并(bing)通過📐實驗證(zheng)明了數值模(mo)拟的有效性(xing)。對渦輪傳感(gan)器内🤟部的㊙️速(su)度場和壓力(lì)場進行了數(shu)😄值仿真，提出(chū)對前後導流(liu)器✊、葉輪葉片(piàn)形狀和頁頂(ding)🔱間隙的改進(jìn)。
　　上述研究中(zhong)未涉及針對(dui)不同螺旋升(shēng)角渦輪内流(liu)場的數值模(mo)拟，以及渦輪(lún)葉片螺旋升(shēng)角的改變對(duì)🎯儀表性能影(yǐng)響的研究。本(běn)文對安裝35°和(hé)45°葉片螺旋升(shēng)角渦輪的DN150型(xíng)氣體渦輪🔆流(liú)量計的内流(liú)場進行數值(zhí)模拟，通過🐅模(mó)拟結果預測(ce)儀表💚的始動(dong)流量和壓力(lì)🔴損失，并利用(yong)預測的正确(que)⛹🏻‍♀️性，爲渦輪葉(ye)片螺旋升角(jiao)的進一步提(tí)供數值方法(fa)。
1數學模型及(jí)邊界條件
　　利(lì)用FLUENT軟件對渦(wō)輪内流場進(jin)行數值模拟(nǐ)時，忽略天然(ran)氣的密度變(biàn)化，在0～1200m3/h内，介質(zhi)流動速度遠(yuǎn)遠小于聲速(sù)（即馬赫數遠(yuǎn)🛀🏻小于0.3），認爲流(liu)體不可壓縮(suō)，且假設流動(dòng)中無熱量交(jiao)😄換，不考慮能(neng)量守恒方🙇🏻程(chéng)。
1.1微分控制方(fang)程
　　氣體渦輪(lun)流量計内部(bu)流動爲湍流(liú)黏性流動，滿(man)足連續性方(fāng)程和黏性流(liú)體運動方程(cheng)。
基本微分方(fāng)程[9]：
連續性方(fang)程：

1.2
　　湍流模型(xing)選擇由于雷(lei)諾應力項的(de)加入使時均(jun)N-S方程🌈不封閉(bì)，爲了求解引(yǐn)入k-ε兩方程湍(tuān)流模型。兩方(fāng)程湍流模型(xing)有标準k-ε模型(xíng)，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可實(shi)現的k-ε模型。其(qi)中，RNGk-ε模型主要(yao)應用于旋轉(zhuǎn)機械的流動(dòng)問題，在大範(fan)圍的湍流模(mo)拟中有較高(gāo)的精度。該模(mó)型能♌夠比較(jiao)準确地模拟(ni)各種複雜流(liú)動，其中湍流(liú)黏度由下式(shì)确📐定：

1.3網格劃(hua)分與定解條(tiáo)件
　　根據流量(liàng)計的實際工(gong)況分别在介(jiè)質入口和出(chū)口🎯處添加10倍(bèi)管徑的直管(guan)段，并把整個(ge)模型剖分爲(wèi)3個區域：入口(kou)💚管道，旋轉🏃🏻‍♂️區(qū)，出口管道。旋(xuán)轉區域又細(xì)分爲渦輪轉(zhuǎn)子和支架定(ding)子兩個區域(yu)，定子和轉子(zǐ)之間的耦合(hé)采用多參考(kao)MRF(MultipleReferenceFrame)模型。利用GAMBIT前(qián)處理模塊對(duì)進、出口直管(guǎn)段采用結構(gòu)化網格，而對(dui)旋轉區采用(yong)非結構化網(wang)格進行劃分(fèn)以滿足對葉(yè)輪内部複🔞雜(za)區域的網格(ge)描述，各塊網(wang)格通過塊之(zhī)間的交界面(miàn)拼接在一起(qi)。網格總數💛爲(wèi)30多萬個四面(mian)體🔴非結構化(hua)網格和100多萬(wan)個六面體結(jié)構化網格，旋(xuán)轉區網格如(rú)圖1所示。

　　定解(jiě)條件包括介(jie)質入口、出口(kou)和固壁邊界(jiè)的設置🌈。入口(kou)處給定相應(ying)流量（1200m3/h）下的主(zhǔ)流速度值；出(chu)口采用壓力(lì)出口✉️邊界🆚條(tiáo)件，出口壓力(lì)相對大氣壓(ya)爲0；進、出口管(guǎn)道内壁，支架(jià)均取無滑移(yi)固壁邊界條(tiáo)件。葉輪部分(fèn)采用旋轉坐(zuo)标系，給定相(xiàng)應流量下的(de)葉輪轉🐪速，将(jiang)葉片的吸力(lì)面和壓力面(miàn)以及輪毂定(ding)義爲旋轉壁(bì)面條件，在旋(xuán)轉壁面條件(jiàn)的定義中，按(an)照MRF的要🌂求，将(jiang)旋轉壁面的(de)旋轉速度定(dìng)義爲相對速(su)度，并且相❓對(duì)周圍流體速(sù)度爲0。
2計算結(jié)果分析
2.1壓力(lì)場分析
　　 流量(liàng)計 全壓定義(yi)爲入口全壓(yā)與出口全壓(yā)之差，通過全(quan)壓分析能💔夠(gòu)直接反映儀(yí)表壓損的大(dà)小。全壓越大(dà)表明流♍體經(jing)過流量計💃🏻後(hòu)産生的壓損(sun)越大，壓損過(guo)大會導緻📐流(liu)量計不能正(zheng)常使用。進口(kǒu)全壓一定時(shí)，出口全壓Pout越(yuè)大，則流量🚩計(jì)的全壓△P越小(xiao)，壓力損失越(yue)小。如圖2（a）和圖(tú)3（a）所👣示，35°渦輪出(chū)口全壓要明(ming)顯小于45°渦輪(lún)出♌口處的全(quán)壓，這說明相(xiang)同的工況下(xia)45°渦輪所産生(shēng)的壓損較小(xiao)。

　　渦輪葉片(pian)動壓的分布(bù)和大小直接(jiē)影響渦輪驅(qū)動🔴力矩的大(dà)小，35°葉片所受(shòu)動壓明顯小(xiǎo)于45°葉片所受(shòu)動壓，說明在(zai)相同工況下(xià)45°螺旋升角渦(wō)輪能獲得較(jiào)大♌的驅動力(li)矩，如圖2（b）和圖(tu)3（b）所示，與🛀🏻35°渦輪(lun)相比，較小的(de)流量就可推(tui)動渦輪穩定(dìng)旋轉，從💰而使(shi)儀表👄進入線(xian)性工作區。由(yóu)此可預測安(an)裝45°螺旋角渦(wo)輪的儀表能(néng)獲得較小的(de)始動流量。
2.2速(su)度場分析
　　當(dāng)氣體介質以(yi)充分發展的(de)湍流經過渦(wō)輪時，35°渦輪的(de)速度✉️矢🆚量方(fang)向變化較大(dà)且向壁面集(ji)中，使得與葉(yè)片直接作用(yong)産生推動力(lì)矩的速度矢(shi)量減少，如圖(tú)（4a)所示，且在出(chu)口處速度衰(shuāi)減較大，間💯接(jiē)說明介質流(liu)經渦輪後壓(yā)損的增加，如(rú)圖4（b）所示。而45°渦(wo)輪内部的速(su)度矢量分布(bù)比較均勻，過(guò)流性較好，與(yǔ)葉片直接作(zuò)用的速度矢(shi)量較多，産生(sheng)較大的驅動(dong)力矩，如圖（5a)所(suo)示，且在出口(kǒu)處速度衰減(jiǎn)較小，如圖（5b)所(suo)示。



3實驗對比(bǐ)
　　氣體渦輪流(liú)量計的檢定(dìng)采用負壓檢(jiǎn)測方法，如圖(tú)6所示，由标準(zhǔn)吸風裝置産(chǎn)生負壓使标(biao)準羅茨流量(liang)計和被檢定(ding)的氣體渦輪(lun)流量計同時(shí)測量，安裝在(zai)被測儀表兩(liǎng)端取壓口💛處(chu)的U型管可以(yi)測量流量計(jì)進、出口處的(de)壓力，從而得(de)到儀表的壓(yā)力🔞損失。
　　利用(yòng)黃金分割法(fa)選取0～1200m3/h範圍8個(ge)流量點，在每(mei)一個流量點(diǎn)随機采集3組(zǔ)不同時刻的(de)數據，包括标(biao)準羅茨🚶‍♀️流量(liàng)計和被檢定(dìng)流量計的累(lèi)積流量及其(qi)輸出脈沖數(shu)，對每組數🔆據(jù)進行㊙️算術平(ping)均得到流量(liàng)點處的⛹🏻‍♀️平均(jun)儀表系數。通(tōng)過💁采集U型管(guan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓差裝置⛷️的(de)指示值🍉記錄(lù)每個流量點(diǎn)處的壓力損(sun)失，檢定結果(guo)如表2所示。

　　利(lì)用多項式插(cha)值對表2中的(de)數據進行密(mì)化，得到20組插(cha)值數據🌐，通🈲過(guo)3次B樣條拟合(hé)得到儀表系(xì)數曲線和壓(ya)力損失曲線(xian)🔆。
始動流量以(yi)儀表系數進(jìn)入線性區的(de)最小流量來(lai)确📱定🐅，在小❗流(liu)量區内安裝(zhuāng)45°螺旋升角渦(wo)輪的流量計(ji)在流量20m3/h左右(yòu)即進入線性(xìng)工作區；而安(ān)裝35°螺旋升角(jiao)渦輪的🍉流量(liàng)計📧則在流量(liang)150m3/h左右時才進(jìn)✉️入線性工作(zuo)區，而且在線(xiàn)性工作㊙️區内(nei)也存在着明(ming)顯的波動，如(ru)✔️圖7所示.

　　35°渦輪流(liú)量計在各工(gōng)況點處的壓(yā)損明顯大于(yu)45°渦輪流量💋計(jì)，最❓大壓損達(dá)到3500Pa以上，如圖(tú)8所示。上述分(fen)析表明安😍裝(zhuang)45°螺♍旋升角渦(wō)輪的流量計(ji)與安裝35°螺旋(xuan)升角📐渦輪的(de)🌈流量計相比(bǐ)具有較小的(de)始動流量，較(jiao)小的壓力損(sǔn)失，而且儀表(biao)計量的線性(xìng)度較好。

4結(jié)論
　　對螺旋升(shēng)角爲35°和45°的氣(qì)體渦輪流量(liang)計旋轉部件(jiàn)内流🈲場進行(hang)數值模拟，分(fen)析描述其内(nei)部流動的壓(ya)力場和速度(du)場，安裝45°螺旋(xuan)升角渦輪的(de)流量計比安(an)裝35°螺旋升角(jiao)渦輪的流量(liàng)🛀計具有較小(xiǎo)的♋始動流量(liang)和🏃‍♀️壓力損失(shi)。
利用黃金分(fen)割法選取儀(yi)表流量範圍(wei)内的檢定點(diǎn)🏃，通☀️過儀表負(fù)壓檢定平台(tái)獲得了儀表(biao)系數曲線和(hé)壓力損失曲(qu)線，與數值仿(páng)🈲真中的預測(ce)相吻合，表明(míng)數值模在流(liu)量計性能預(yù)測中的有效(xiao)性。
　　渦輪葉片(piàn)的螺旋升角(jiao)是影響儀表(biǎo)性能的關鍵(jian)參數，合理選(xuan)✨擇㊙️渦輪的葉(yè)片螺旋升角(jiǎo)，可進一步改(gǎi)善儀表的性(xing)能。

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