摘要：根據(ju)已有的DN25旋進旋(xuan)渦流量計的結(jie)構參數，設計🏃‍♂️了(le)DN20小型旋進旋渦(wō)流量計 ，而後借(jiè)助ANSYSFluent流體仿真對(duì)DN20小型旋進旋渦(wō)流量計進行🏃了(le)結構與流場關(guān)系的研究。通過(guo)正交試驗，獲得(de)了DN20小型流量計(jì)不同結構的内(nei)部流場及其信(xìn)息，分析了流量(liàng)🌈計工作範圍内(nei)旋渦規🌈律和流(liú)量之間的關系(xì)；進一步更換不(bu)同測量橫截🥵面(miàn)，查看壓力場及(ji)其🌂變化規律，與(yǔ)原結構方案的(de)測量截面進行(háng)比較，選❓定最優(you)測量截面與測(cè)量點，爲DN20流量計(ji)産品研🔅發提供(gong)了理論依據。
0引(yǐn)言
　　旋進旋渦流(liu)量計是根據旋(xuan)渦進動現象設(shè)計的一👄種流體(tǐ)振蕩式流量計(ji)，具有流量範圍(wei)寬、無可動部件(jian)、不易腐蝕、可靠(kao)性高、安裝使用(yong)方便、直管段要(yào)求短等優點，适(shi)用于石油、蒸汽(qi)、天然氣、水🤞等多(duo)種介質的流量(liàng)測量[1]。20世紀70年代(dài)，對旋進旋渦流(liú)量計性能進行(háng)了比較全面的(de)實驗研♋究，驗證(zheng)了此流量計線(xiàn)性🤟輸出特性，同(tóng)時發現此流量(liàng)計不易受介質(zhi)粘度和密度影(yǐng)響😄，指出旋進旋(xuán)渦流量計在高(gāo)壓氣體測量方(fāng)面的商業應用(yòng)前景。對旋進旋(xuán)渦流量計做了(le)實✌️際工況下的(de)儀表特征測試(shi)，探索該流量計(ji)在計量♍領域應(yīng)用的可行性。
　　對(dui)于旋進旋渦流(liú)量計内部流動(dong)特性及流量計(jì)改進方面，科🏃🏻研(yán)人員也進行了(le)一定的探索，彭(péng)傑剛等👅人[4]對旋(xuan)進旋渦流量計(ji)内🔞部流場進行(háng)了數值模拟分(fen)析，研究了旋渦(wo)流量計内部流(liú)場的演變情況(kuàng)，分析了流場幹(gàn)擾對旋進旋渦(wo)流量計流場進(jìn)動效應的影響(xiǎng)。何馨雨等人[5]對(duì)旋進旋渦内部(bu)流場進行了數(shù)值模拟分析🌍，獲(huò)得了比較全面(miàn)的流場信息🈚，對(duì)這種流量計的(de)内部流動特性(xìng)有了更加深入(ru)的理解🈚。

　　目前(qián)，針對旋進旋渦(wō)流量計，特别是(shì)小型和微型流(liu)量💰計🍓還存在流(liú)量計低流量工(gong)況條件下測量(liang)不準确、過程不(bú)穩定的問題，開(kai)發小型流量計(jì)，相較于普通流(liú)量計需要在結(jié)構上做出改進(jìn)和優化。比如，可(ke)采用導流片來(lai)降低壓損，提高(gao)流量計的性能(néng)。本文着重考慮(lü)對🌍小型旋進旋(xuan)渦流量計的起(qǐ)旋角、收縮角和(he)收縮比進行優(you)化研究，從而爲(wèi)進一步開🚶發和(hé)定型小型流量(liang)計提供理論上(shàng)的支持。
1旋進旋(xuan)渦流量計工作(zuò)原理[6]
　　旋進旋渦(wo)流量計 主要由(you)起旋器、文丘裏(lǐ)管、消旋器和檢(jiǎn)測傳感器組👉成(cheng)，其💞結構原理如(rú)圖1所示。
　　旋進旋(xuán)渦流量計是基(ji)于旋渦進動現(xiàn)象工作的。流體(ti)流入旋✏️進旋渦(wō)流量計後，首先(xian)通過一組由固(gu)定螺旋🎯形葉片(pian)組成的起旋🏃🏻器(qi)後被強制旋轉(zhuan)，使流體🤩形成旋(xuan)渦，旋渦中心爲(wei)“渦核”是流體旋(xuan)轉運動速度很(hen)高的區域，其外(wài)圍🔞是環流。流體(ti)流經收縮段時(shí)旋🛀🏻渦加速，沿流(liu)💁動方向渦核與(yǔ)流量計的軸線(xian)相一緻。當進入(rù)擴大段後，旋渦(wō)急劇減速，壓力(lì)上升，中心區域(yù)的壓力比周圍(wéi)壓力低，于是産(chǎn)生🔱了局部回流(liú)；在回流作用下(xià)，渦核開始像剛(gang)體一樣圍繞中(zhong)心軸在擴張段(duan)壁🚩面做螺旋進(jin)動。其進❄️動頻率(lü)與流體的流速(su)成正比。因此，測(cè)得旋進旋渦的(de)頻率即能反映(yìng)流👈速和體積流(liu)🍓量的大小。
2模型(xing)建立與計算
2.1仿(pang)真模型的建立(li)
　　根據現有的實(shi)物模型使用NX建(jiàn)立仿真模型，根(gēn)據測繪得出DN25旋(xuán)🐕進漩渦流量計(ji)重要尺寸：進出(chu)口直徑爲25mm，收縮(suo)💔比爲1.25，收縮段夾(jiá)角爲❌12°，起旋器葉(ye)片夾角爲42°，擴張(zhang)段夾角爲60°，建立(li)如圖2所示三維(wei)⭐模型。

　　再根據實(shi)物參數建立好(hǎo)的DN25旋進旋渦流(liu)量計模型🎯的基(jī)礎上進🈲行修改(gǎi)，得到DN20小型旋進(jin)旋渦流量計模(mo)型。DN20旋進旋渦流(liú)量計具體🐕結構(gou)尺寸數據如下(xià)：進出口直徑爲(wei)φ20mm，收縮段夾角爲(wei)12°，起旋📞器葉片入(ru)射角爲42°，收☂️縮比(bǐ)爲1.25（喉部直徑爲(wèi)φ16mm），擴張段夾角爲(wei)60°，結構🏃尺寸如圖(tu)3所示。

2.2流體力學(xué)控制方程和湍(tuan)流模型
　　旋進旋(xuan)渦流量計的流(liu)體動力特性，可(ke)以用流體力學(xue)基㊙️本方程進行(hang)描述。
　　連續性方(fāng)程和動量方程(chéng)：

式（1）、式（2）中：p——靜壓；ui——流(liu)動速度；f——質量力(li)；τij——應力質量。

　　流量(liàng)計内部爲湍流(liu)流動，需引入湍(tuān)流模型，标準的(de)K-Epsilon湍流模型用于(yú)強旋流或帶有(you)彎曲壁面的流(liú)動時，會出🧑🏾‍🤝‍🧑🏼現一(yī)定的失真，因此(ci)本文選用RNGk-?湍流(liu)模型。湍流模型(xing)和相關方程在(zài)文獻[5]中有詳細(xi)說明。
3K值系數的(de)确定
3.1不同流量(liàng)下的K值系數
　　DN20小(xiǎo)型旋進旋渦流(liu)量計的範圍爲(wei)2.5m3/h～25m3/h，分别選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuò)爲🚶‍♀️仿🐇真計算的(de)進出口流量，出(chu)口的相對壓力(li)設爲0Pa，壁面爲無(wú)滑移邊界。先常(cháng)定計算，然後在(zài)常定計算的🌏基(ji)礎上🌏進行非常(chang)定計算。
　　選取上(shang)述4組仿真的同(tong)一截面的同選(xuǎn)定一測量點，分(fèn)别計算點的壓(yā)力變化頻率與(yu)壓差，從而判斷(duàn)不同流量下DN20小(xiǎo)型旋進旋渦流(liu)量計的性能優(yōu)劣。
　　截面取喉部(bu)（擴張段前截面(mian)處），截面上節點(dian)位置距離壁面(miàn)3mm，具體位置如圖(tu)4所示。不同流量(liang)下的節點的壓(ya)力🏃🏻‍♂️變化雲圖🔴如(rú)圖😄5所示。

　　根據圖(tu)5數據，整理可得(de)到以下數據：流(liu)量爲25m3/h時，0.002s内壓力(li)變化約🙇🏻爲3.9次，頻(pin)率爲1950Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約爲281000；流(liú)量爲12.5m3/h時💃，0.005s内壓力(li)變✏️化約爲4.5次，頻(pín)率爲900Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約爲259366；流(liu)量爲5m3/h時，0.02s内壓力(li)變化約爲6.5次，頻(pín)☀️率爲325Hz，換算得K此(ci)時K系數約爲233981；流(liú)量爲2.5m3/h時，0.1s内壓力(lì)變化約爲17次，頻(pin)率爲170Hz，換算得K此(cǐ)👈時K系數約爲244957。
　　根(gen)據上述數據整(zheng)理可得：平均K系(xi)數值約爲254825。
　　以上(shang)數據存在以下(xia)問題：當測量低(di)流量（2.5m3/h）時，出現壓(ya)差減小，壓力🌈變(biàn)化的範圍不大(dà)，渦核轉動幅度(du)減小，脈動效應(yīng)♈不明顯，不利于(yú)✌️傳感器的測量(liang)。針對此問題，本(běn)文對DN20小型♍旋進(jìn)旋渦流量🔞計進(jìn)行💘結構優化，以(yǐ)提高流量計在(zài)測量低流量時(shí)的測量精☎️度。
3.2針(zhēn)對小流量測量(liàng)的結構優化
　　參(cān)考相關論文[7]，影(yǐng)響流量計儀表(biao)精度與最小測(cè)量流量✨的3個相(xiàng)關因素爲：收縮(suō)段角度、起旋器(qi)入射角和喉部(bù)直✏️徑（收縮比🈲）。
　　仿(páng)真實驗選用三(san)因素三水平正(zheng)交實驗，三因素(sù)分别爲🔴：起旋角(jiao)、收縮角和收縮(suo)比。起旋角對應(yīng)的三水平爲40/42/45，收(shōu)縮比對應的三(sān)水平爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角(jiǎo)對應的三水平(ping)爲13/12/16。綜合考慮所(suǒ)有的🙇‍♀️因素要實(shí)驗27次，而正交實(shi)驗隻要選取9組(zu)關鍵實驗，表1爲(wei)正交實驗表。

　　依(yī)照三因素三水(shuǐ)平正交實驗表(biao)，按順序進行正(zheng)交👣實驗，得到不(bu)同情況下的相(xiang)同時刻的截面(miàn)壓力雲圖如圖(tu)6所示，截面壓力(li)的變化圖如圖(tu)7所示。圖片按實(shí)驗序号一一對(duì)應。、


　　由正交實驗(yàn)所得到的數據(ju)可知，模型六與(yu)模型九在低流(liu)量😍的情況下仿(pang)真，壓力變化明(míng)顯，壓力變化幅(fú)度🐉較原模型顯(xian)著提高🧡，脈動效(xiào)應明顯，即相較(jiào)于🔴原模型得到(dào)優化。
3.3确定模型(xíng)
　　爲了進一步驗(yan)證模型參數的(de)優化情況，選擇(zé)最優模型，分别(bie)取不同的進口(kou)流量，對模型六(liù)與模型九☂️進行(hang)仿真實驗，計算(suàn)🍓對應🎯的頻率和(he)K系數值。
　　考慮到(dào)原模型的流量(liàng)範圍在2.5m3/h～25m3/h，頻率爲(wèi)150Hz～1500Hz，此次仿真實驗(yan)取對應的進口(kou)流量爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xíng)六不同進口流(liú)量的對應壓力(lì)變化圖如圖8所(suǒ)示。根據4組仿真(zhen)實驗所得數據(ju)，得到模型六的(de)頻率輸出範圍(wei)約爲162Hz～2100Hz，K值平均爲(wèi)㊙️279845，較原模型提高(gao)約27%。

　　模型九不同(tóng)進口流量的對(dui)應壓力變化圖(tu)如圖9所示。根據(jù)🏒4組仿真實驗所(suǒ)得數據，得到模(mó)型九的頻率🈚輸(shu)出範圍約爲200Hz～2350Hz，K值(zhi)平均爲322343，較原模(mo)型提高約46%。

　　根據(jù)所有相關數據(ju)得出結論：模型(xíng)九相較于模型(xíng)六有更好的優(yōu)化效果。因此，選(xuan)取模型九做爲(wèi)最優✌️模型
3.4測量(liàng)點的選定
　　由于(yú)流量計的脈動(dòng)複雜性，在管道(dào)内部對流場壓(ya)力測量點的選(xuan)取至關重要。爲(wei)了選擇最優測(cè)量點，對整個模(mó)型進行仿真實(shi)驗，根據以往經(jīng)驗，選取喉部附(fu)近♍不同的8個位(wei)置進行相🌍應的(de)測量，查看對應(yīng)的壓力變化，從(cong)而判斷最優的(de)測量點。本次仿(páng)真實驗選擇的(de)8個測量點的位(wèi)置如圖10所示。

　　在(zai)低流量2.5m3/h仿真環(huan)境下，選擇如圖(tu)10所示的8個不同(tong)節🌈點，比較壓力(li)變化幅度及峰(fēng)值的變化。由上(shàng)述實驗知模型(xíng)九優化效果最(zui)好，所以選用模(mó)型九做爲本💃次(ci)仿真🙇🏻實驗的仿(páng)真模🔴型，圖11爲❄️各(ge)個不同節點的(de)壓力變化圖，其(qí)中a、b、c、d、e、f、g和h與圖10上節(jie)點一一對應。
　　由(you)于脈動信号的(de)拾取是通過壓(yā)力傳感器測得(dé)，在傳🤟感🐕器測量(liàng)條件一定的情(qíng)況下，壓力幅值(zhi)變化越大越容(rong)易⭐測量。由圖11所(suǒ)得數據可知，c點(dian)和d點的壓力幅(fú)值與🛀🏻極值大于(yu)其他測量點♉，有(yǒu)利于💛壓力傳感(gǎn)器的檢測，綜合(hé)所有實驗的壓(yā)力截面圖判斷(duan)，确定最優的檢(jiǎn)測點在距離喉(hou)部末端約0mm～1mm，且距(ju)壁面2mm～4mm處。

4結語
1）本(běn)文根據DN25旋進旋(xuán)渦流量計實物(wù)模型，繪制出DN20小(xiao)型旋進🚩旋🔴渦流(liu)量計，借助ANSYSFluent對DN20小(xiǎo)型旋進旋渦流(liú)量計進行仿真(zhen)實驗，獲得了DN20小(xiao)型㊙️流量計不同(tóng)結構的内部流(liu)場及其信息，分(fèn)析了🥰流量計💁工(gong)作範圍内旋渦(wo)規律和流量🚶‍♀️之(zhi)間的關☎️系，綜合(hé)分析後确定💃🏻其(qi)K值系數。
2）根據DN20微(wei)型旋進旋渦流(liu)量計在小流量(liàng)工況下的壓力(lì)♍變化情況，優化(hua)了其結構，确定(ding)起旋角爲45°、收縮(suō)比✌️爲20：15、收縮角爲(wèi)12°時，可有效解決(jue)DN20微型旋進旋渦(wo)流量計對小流(liu)量的測🈲量不精(jing)确的問題。
3）本文(wen)在優化模型的(de)基礎上，根據同(tóng)一流量下的壓(ya)力變化情況🔴，綜(zong)合所有實驗，确(que)定了DN20小型旋進(jìn)旋渦流量計的(de)📧最優測量點，爲(wèi)DN20小型流量計開(kāi)發提供了🤟理論(lùn)依🌈據。
4）在上述仿(páng)真研究和DN20建模(mó)的基礎上，依次(ci)制作了DN20小型流(liu)量計3D打印樣機(jī)，通過測試其實(shi)際K系數在小流(liu)量段基本接近(jin)理論值，結果表(biǎo)明本文流量計(jì)的性能達到🧡了(le)開發預期。

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