[摘要] 渦輪流量(liang)計 性能會随着(zhe)被測流體粘度(dù)的增大而變差(cha)，爲了降低㊙️介質(zhì)💛粘度對渦輪性(xìng)能的影響，采用(yòng)計算流體力學(xué)CFD)仿真的✔️方法，通(tong)過适當地增大(da)頂端間隙，實現(xian)了對液體渦輪(lun)流量計 參數的(de)定量優化，并從(cong)葉輪尾部流場(chang)、葉片表面壓力(lì)🐅場及葉輪受力(lì)情況等方面分(fen)析了不同的葉(yè)輪頂端問隙⚽對(duì)葉輪性能産生(shēng)影響的機理。
　　液(ye)體渦輪流量計(ji)具有測量精度(du)高、量程寬、壓損(sun)小、輸出脈💋沖信(xìn)号、重複性和動(dòng)态響應好等多(duo)種優點。在用于(yú)低粘度液體👈流(liú)量測量時，在相(xiàng)當寬的流量範(fàn)圍内，其測量精(jīng)度可❤️達0.5%~0.15%，重複性(xìng)可達0.1%~0.05%。缺點在于(yú)儀表系數受👨‍❤️‍👨被(bèi)測流體粘度變(biàn)化☀️的影響較大(dà)。一般來☂️說，粘度(dù)變化對線性.特(te)性的影響随着(zhe)流量計口徑的(de)減小而增大。目(mu)前，國.内渦輪♉流(liú)量計出廠時，一(yī)般都是用水或(huò)粘度㊙️比較低的(de)柴油進行檢定(ding)，但很多使用者(zhě)卻用其來測♻️量(liang)液壓油、潤滑油(you)等中粘度甚至(zhi)高粘度㊙️液體的(de)流量。這就迫切(qiē)要求提高渦💜輪(lún)流📞量計在測量(liang)粘性🐕介質時的(de)精度。
　　通過改變(biàn)葉輪葉片頂端(duān)間隙來實現渦(wo)輪的優化在.以(yi)往的㊙️文♍獻口.四(si)中已有出現，但(dan)如何進行定量(liàng)的優化及改變(biàn)💔頂端間隙🤟會對(dui)渦輪的性能造(zao)成多大的影響(xiang)等，卻仍需作進(jin)一步的研究。
　　通(tong)過對不同葉輪(lún)頂隙的渦輪流(liu)量計進行計算(suan)流體力學CFD)仿真(zhen)四，當流體粘度(du)爲9.1cSt時，渦輪的線(xiàn)性度誤差由0.987%減(jiǎn)小至0.014%;當流體粘(zhan)度⁉️爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差由(you)5.568%減小至3.693%。
1渦輪流(liu)量計CFD仿真方法(fa)
1.1三維仿真模型(xing)建立
　　以DN10渦輪流(liu)量傳感器爲例(lì)進行研究，按照(zhao)實驗所用渦輪(lún)流量傳感器的(de)幾何結構參數(shù)建立仿真模型(xing)，如圖1所示。在渦(wo)輪前後分别增(zēng)加10D的直管段以(yi)模拟實流實🤟驗(yàn)中的流動狀态(tài)。

1.2網格劃分
　　對(duì)模型的網格劃(huà)分是仿真的關(guan)鍵。網格質量直(zhí)接😄影響💰仿真的(de)求解過程和結(jie)果，若所劃網格(ge)質量太差，在後(hòu)續的仿真過程(cheng)中會産生很多(duo)問題，減小收斂(liǎn)速度，影響求解(jie)結果的準确性(xìng)。在既保證網格(gé)質量又控制網(wang)格數量的條件(jiàn)下，對網格進🏃‍♂️行(hang)如下的劃分。
　　葉(ye)輪處結構較爲(wèi)複雜，所以在網(wǎng)格劃分時采用(yòng)四面體網格，其(qí)🏃‍♀️intervalsize爲0.12。在葉輪兩側(cè)定義了interface面，以聯(lian)接葉輪👨‍❤️‍👨轉動區(qu)域和其它靜止(zhi)區城。網格質量(liang)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于(yu)0.82.
1.3參數設定
　　選取(qǔ)SSTk-w湍流模型，對流(liú)體特性及邊界(jie)條件等都嚴格(ge)按照實流實驗(yan)進行設置，并采(cǎi)用多參考坐标(biao)系的方法解決(jué)轉動的流體區(qū)域流場變化問(wen)題。通過監🈚測葉(ye)輪㊙️及輪毂的力(lì)矩，并根據驅動(dong)力矩與阻力.矩(ju)的差值對葉輪(lún)轉速大小進行(hang)👄調節，當力矩系(xì)數Cm值達到10-9時，認(ren)爲葉輪所受力(li)矩達到平衡，則(zé)此時的葉輪轉(zhuan)速即爲合🌂适的(de)轉速。.
2葉輪頂端(duān)間隙影響的仿(pang)真
2.1頂端間隙影(yǐng)響的理論依據(ju)
　　當流體在管道(dao)内部流動時，渦(wō)輪流量計同時(shí)受到驅動力矩(jǔ)及阻力矩的作(zuò)用。其中阻力矩(jǔ)主要包括粘性(xing)摩擦阻力矩、機(jī)🌈械摩🙇‍♀️擦阻力矩(jǔ)和磁阻力矩等(děng)。而在測🍉量粘性(xing)流體時機械摩(mo)擦阻力矩和磁(cí)阻力矩可以忽(hu)略不計。葉🌏片邊(biān)緣與殼體内壁(bi)之間充滿🐕了流(liú)體，因此這一形(xing)式的摩擦阻力(li)實際上是由流(liú)體與固體壁面(mian)之間由于存在(zai)着相對運動而(er)引起❗的粘性摩(mo)擦阻力⛹🏻‍♀️。但是由(yóu)于其間隙相當(dāng)小，因此流體⭕在(zài)這一狹小間隙(xì)中的流動始終(zhong)認爲☀️是處在層(céng)流流動狀态，從(cong)而可直接應用(yong)納維埃一斯托(tuo)克斯💃方程對流(liu)場求解。

　　式中:T1爲(wei)葉片頂端與傳(chuan)感器外殼内壁(bì)之間的粘性摩(mo)擦阻力矩，n·m;r,爲葉(ye)片頂端處半徑(jing)，m;r。爲流量計殼體(tǐ)内壁半徑，m;C爲葉(yè)片寬，m;ρ爲🈲流體🔅密(mì)度，kg/m';v爲流體運動(dong)粘度，m2/s;0爲葉輪旋(xuan)轉角速🍓度，rad/s。由(1)式(shi)可以看出，通過(guò)減小r,即葉片頂(dǐng)端處半徑可以(yi)減小粘性摩擦(ca)阻力矩。
　　雖然葉(ye)片頂端間隙的(de)增大可以減小(xiao)T1的數值，增加葉(yè)輪轉速，降低渦(wō)輪對流體粘性(xing)的敏感程度，但(dan)是由于🐕随着頂(ding)隙的增大，漏流(liú)也增大，這會給(gěi)測量的精度帶(dai)來影響，因此要(yao)兼顧兩者以達(da)到平衡。
2.2仿真數(shu)據
通常采用葉(ye)片頂端間隙與(yǔ)管道半徑之比(bǐ)δ對頂端✂️間隙進(jìn)行無量綱化

　　選(xuan)擇了運動粘度(du)分别爲9.1cSt、31.6eSt的柴油(you)-機油混合液，對(duì)不同🌈頂端💯間隙(xi)的渦輪流量計(jì)進行仿真，仿真(zhen)結果如表1所示(shì)。從表中數據可(kě)以看出，渦輪流(liu)量計在測量時(shi)，一般在小流量(liàng)點處的儀表系(xi)數會✔️小于大流(liú)量😘點處的儀表(biao)系數，這是造成(cheng)線㊙️性度誤差的(de)原因。對于相同(tóng)粘度🏃‍♀️的流體，在(zài)相同流速時，随(suí)着頂端間隙🥰的(de)增大,渦輪流量(liang)計的旋轉角速(sù)度增大，相應的(de)儀表系數也增(zēng)大。而渦輪流量(liang)計在測量粘性(xing)流體時主要受(shòu)影響的是在小(xiǎo)流量點，頂端間(jiān)隙增大後，渦輪(lun)在小流量點處(chù)的儀📐表系數相(xiang)對于大流量點(diǎn)得🐪到了更大的(de)提高💜,故減小了(le)線性度誤差。即(ji)對于同一介質(zhi)粘度，渦輪流量(liang)計的儀表系數(shù)受流量變化㊙️的(de)影🎯響在減小。

3頂(dǐng)端間隙影響的(de)機理分析
　　通過(guò)分析渦輪流量(liàng)傳感器内部的(de)速度場和壓力(lì)場變化以及😘葉(ye)片受力情況等(děng)，可以理解在測(ce)量粘性流體時(shí)頂端間隙⛷️變化(huà)對流量傳感器(qi)特性産生影響(xiang)的流體力學機(ji)理。
3.1速度場分析(xī)
　　圖2爲渦輪葉片(pian)尾部流體速度(du)矢量圖，灰色部(bù)分爲葉片。可以(yǐ)看出在葉片的(de)尾部，流體出現(xiàn)了流動分☀️離。靠(kào)近葉輪的流體(ti)🔅，其速度可以認(ren)爲與葉輪的轉(zhuǎn)速相同，葉輪的(de)轉速越☀️慢，其尾(wěi)部的低流速區(qū)越大👅。

　　比較圖3(a)和(he)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可以(yi)看出當流體粘(zhān)度一定時✌️，流量(liàng)越大，葉輪的尾(wěi)部低流速區越(yuè)小。當頂端間隙(xì)由0.2mm增加:至0.5mm時，對(duì)于相同粘度的(de)流體和相同的(de)流量點，葉輪尾(wěi)部低流速區變(bian)小，表明葉輪旋(xuan)轉角速度增大(da)，即儀表系數變(biàn)大。但在小流量(liang)點處，低流速區(qu)☁️的相對變化較(jiao)之于大流✉️量點(dian)處要大，即小流(liu)量點🌍處葉輪轉(zhuan)速的相對變化(huà)比大流量點處(chù)要大😍，則儀表系(xi)數的增加值相(xiàng)對也大，故渦輪(lún)的線性度誤差(cha)減小。

3.2壓力場分(fèn)析
　　比較圖5(a)和圖(tu)5(b)、圖6中的圖6(a)和圖(tú)6(b)，可以看出，對于(yu)相同粘‼️度🌈的流(liu)體，随着流量的(de)增大，高壓區的(de)面積變大，且向(xiàng)葉片的尾部和(hé)頂端移動，緻使(shǐ)葉片所受驅動(dòng)力矩增加🏃‍♀️，葉輪(lún)旋轉角速度增(zēng)大。對于相同粘(zhan)度的流體在相(xiàng)同的流量點處(chu)，頂端間隙由0.2mm增(zēng)大✌️至0.5mm時，比較圖(tu)5和圖6可以看出(chu)，葉片表面的高(gao)壓區面積變大(da)，且向葉片的尾(wěi)部✌️和頂端移動(dong)，緻❓使葉輪所受(shou)驅動力矩增加(jiā)，而由圖7和圖8可(ke)以✉️看出葉片尾(wěi)部的低壓區面(mian)積變小，葉輪旋(xuán)轉的阻力減小(xiǎo)，則旋轉🏒的角速(su)度🛀增大，即儀表(biǎo)系數增大。

　　由3)式(shi)可以看出，當其(qi)它條件一定時(shí)，對于.确定的葉(ye)輪👄轉速💔，葉♋輪受(shou)到的粘性阻力(li)矩也是一定的(de)。那麽，反過來亦(yi)可以通過粘性(xing)阻力矩來判斷(duàn)葉輪轉速的大(dà)小。
利用Fluent中的Report可(kě)以得到渦輪流(liú)量計所受的壓(ya)力力矩和粘性(xìng)阻力矩，如表2所(suǒ)示。

　　比較表格(gé)中的數據可以(yi)得出，對于具有(you)相同粘度的✂️流(liú)體和相同的流(liu)量點，當渦輪的(de)頂端間隙增大(dà)時，葉輪所受到(dào)的粘♈性阻🌈力矩(jǔ)變小，這直接導(dǎo)緻了渦輪的轉(zhuǎn)速增⚽大即儀表(biǎo)系數增大。在小(xiao)流量點，粘性阻(zu)力矩相對減小(xiao)了16.64%，在大流量點(dian)，粘性阻力矩相(xiàng)對減小了13.79%，這樣(yàng)渦輪轉速🥰在小(xiao)流量點處相對(duì)增加較爲顯著(zhe)，故渦輪的線性(xing)度誤差得到了(le)降低。
4結論
　　對具(ju)有不同頂端間(jiān)隙的液體渦輪(lun)流量計進行CFD仿(pang)🚩真分🐪析，當流👉體(ti)粘度爲9.leSt時，渦輪(lun)的線性度誤差(chà)由.0.987%減小至0.014%;當流(liú)體粘度爲31.6cSt時，渦(wō)輪的線性度誤(wù)差由5.568%減小至3.693%。通(tōng)過分析渦輪的(de)内❌部流場及葉(yè)輪受力情況，可(ke)以得出以下
結(jié)論:
(1)适當增大葉(ye)輪的頂端間隙(xi)，流體粘度和流(liú)量一定時，葉輪(lun)尾部低流速區(qū)減小，葉輪旋轉(zhuan)角速度增大，即(ji)儀表系🈲數變大(dà)。而小流量點處(chu)的低流速區相(xiàng)對變化較📐之于(yú)大🔱流量點處要(yào)大，即小流量點(diǎn)處葉輪轉速的(de)相🍓對變化比大(dà)流量點🤟處要大(dà)，則儀表系數的(de)增加值相✨對也(ye)大，故渦輪的線(xiàn)性度誤差減小(xiao)。
(2)對于相同粘度(du)的流體，在相同(tóng)的流量點，渦輪(lun)的頂端間隙适(shì)當增加時，葉片(piàn)尾部的低壓區(qū)面積變小，葉片(piàn)表面的高壓區(qu)向葉片的尾部(bu)和頂端移動且(qiě)♊面積變大，緻使(shǐ)葉輪所受驅動(dòng)力矩增加，旋轉(zhuan)的角㊙️速度增大(da)，儀表系數增大(da)。
(3)對于相同粘度(dù)的流體和相同(tong)的流量點，葉輪(lun)所受到的粘性(xìng)阻力矩随着葉(yè)輪頂端間隙增(zēng)大而變小，則葉(yè)輪的🔱轉速增大(da)，液體渦輪流量(liang)計系數增大。在(zai)小流量點，粘性(xìng)阻力矩相對減(jiǎn)🆚小值較🔱大流量(liang)點處更爲顯著(zhe)❤️，即儀表系數相(xiang)對增加值更大(da)，故渦輪的線性(xing)度誤差得到了(le)降低。

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