摘要(yao)：爲優化(huà)小流量(liàng)渦輪流(liú)量計 結(jié)構,建立(li)小流量(liàng)渦輪流(liú)量計的(de)數學模(mó)型和三(san)維模型(xíng),通過其(qi)流場特(tè)性進行(háng)仿真分(fèn)析,研究(jiu)導流架(jià)端部的(de)形🥵狀、葉(yè)輪與導(dǎo)流架之(zhi)間凹槽(cáo)寬度、葉(ye)輪面積(jī)和形狀(zhuàng)對葉輪(lún)穩定旋(xuan)轉的影(yǐng)響,并🍓對(dui)不同結(jie)構導流(liú)架端部(bu)的小流(liú)量渦輪(lún)流量計(jì)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了分(fen)析,圓錐(zhui)形結構(gòu)葉輪的(de)高壓低(di)速區面(mian)積最✔️小(xiao)，能夠有(yǒu)效減少(shǎo)壓力損(sǔn)失,提高(gāo)流量計(jì)的測量(liàng)精度。
0引(yǐn)言
　　渦輪(lun)流量計(ji) 是一種(zhong)典型的(de)速度式(shì)流量計(jì),具有精(jing)度高、重(zhòng)複性好(hǎo)、結構簡(jiǎn)單👄、在石(shi)油、化工(gōng)、航空航(háng)天、電力(lì)等領域(yù)有着及(jí)其重要(yào)的應用(yong)中。爲解(jie)決氣液(yè)兩相流(liu)量計量(liàng)問題,文(wen)獻[2]設計(ji)了一種(zhǒng)雙渦輪(lún)質量流(liu)量計;文(wén)獻[3]針對(duì)傳統渦(wo)輪流量(liàng)計需鋪(pù)設電源(yuan)線和信(xin)🐪号傳輸(shū)電💔纜,使(shi)用不方(fang)便的問(wen)題,設計(jì)了一種(zhǒng)基🈚于ARM單(dan)片機的(de)💛無線渦(wo)輪流量(liàng)計;文獻(xiàn)[4]采用3葉(yè)🈚片長螺(luo)旋形結(jié)構設計(ji)了一種(zhǒng)新型的(de)渦輪流(liú)量計;文(wen)獻[5]研究(jiū)了基于(yú)渦輪式(shi)氣體流(liu)量傳感(gǎn)器的呼(hū)氣容量(liàng)計算方(fāng)法;文獻(xiàn)[6]研究了(le)渦輪流(liu)量計變(biàn)粘度流(liu)✂️量計算(suàn)與校準(zhǔn)🎯方法♉;文(wen)獻[7]研究(jiu)了一種(zhong)高壓氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)。這些研(yán)究推動(dòng)了渦輪(lun)流量計(jì)研究和(he)應用,随(sui)着小流(liú)量計量(liàng)精度要(yao)求的不(bu)斷提高(gāo)，小流量(liang)渦輪流(liu)量計的(de)流場特(te)性等受(shòu)到關注(zhu)。本文從(cóng)小流量(liàng)🈲渦輪流(liu)量計設(shè)計需求(qiu)出發,通(tōng)過建立(li)小流量(liàng)渦輪流(liú)👉量計的(de)數學模(mo)型、三維(wei)模型,仿(páng)真分🐇析(xī)小流量(liàng)渦輪流(liu)量計的(de)流場特(tè)性，研究(jiu)其優化(hua)設計。
1渦(wō)輪流量(liang)傳感器(qi)工作原(yuan)理
　　渦輪(lun)流量計(ji)依靠流(liu)經管道(dao)的流體(tǐ)對置于(yu)管道内(nei)葉輪葉(yè)🤞片的沖(chong)擊驅動(dong)葉輪轉(zhuǎn)動,如圖(tú)1所示，其(qi)核心結(jie)構🐆包括(kuò)殼體、前(qian)後導流(liú)架、葉輪(lún)、軸承和(he)磁鋼。其(qí)中殼體(ti)連接外(wai)部管道(dao),固定内(nei)部😍結構(gou)部件,對(duì)進入殼(ke)體内的(de)流體進(jin)行微整(zheng)流;葉輪(lún)空心輪(lun)毂⚽内裝(zhuang)磁鋼,兩(liǎng)端裝有(you)軸㊙️承,與(yu)導流架(jia).配合,保(bǎo)證葉輪(lún)穩定旋(xuán)轉,實現(xiàn)流量大(dà)小的計(ji)量。
 
2小流(liu)量渦輪(lun)流量計(jì)數學模(mó)型
　　流體(ti)流速流(liu)量與葉(ye)輪角速(sù)度成比(bi)例關系(xi),通過對(duì)渦.輪葉(ye)片.上力(li)矩的分(fèn)析,綜合(hé)小流量(liang)渦輪流(liú)量計的(de)葉🏃🏻‍♂️輪結(jié)⭐構特性(xìng)及其制(zhì)造工藝(yì),依據動(dong)量矩定(ding)理⚽得到(dao)葉輪運(yùn)動方程(chéng)爲:
 
　　式(1)中(zhong),J爲葉輪(lun)轉動動(dòng)量;ɷ爲葉(ye)輪旋轉(zhuǎn)角速度(dù);Md爲葉輪(lún)驅動力(lì)矩,Mr,爲😄葉(ye)片表面(mian)粘性摩(mó)擦阻力(li)矩;Mb爲軸(zhou)與軸承(cheng)間的粘(zhān)性摩擦(ca)阻力矩(jǔ)♉;Mh爲輪毂(gū)周面上(shang)粘性摩(mó)擦阻力(lì)矩💋;Mw爲輪(lún)毂端面(mian)上的粘(zhān)性摩擦(cā)阻力矩(ju);Mt爲葉片(piàn)🍓頂端與(yǔ)殼體間(jiān)隙的粘(zhan)性摩擦(ca)阻力矩(ju);Mm爲電磁(cí)阻力矩(ju)和軸承(chéng)上摩擦(ca)阻力矩(ju)之和。
式(shi)(1)中:
 
　　式(3)中(zhōng)ρ爲流體(ti)密度;Q爲(wèi)流體體(ti)積流量(liàng);u1爲流體(ti)的軸向(xiang)來流速(su)度🏃🏻‍♂️;u2爲㊙️流(liu)體流出(chū)時葉片(pian)速度;a1爲(wèi)流體流(liú)人時☂️與(yǔ)葉輪圓(yuán)📞周方向(xiang)的夾角(jiǎo);a2爲流體(tǐ)流出葉(ye)片與葉(yè)輪🏃🏻圓周(zhōu)切向的(de)夾角;如(rú)圖⭐2葉片(piàn)入☁️口和(hé)出口的(de)速度平(ping)面圖所(suo)示💁。
　　當流(liú)量恒定(ding)時,式(3)中(zhong)ρ、Q、u1、a1爲已知(zhi)量,考慮(lǜ)到葉輪(lun)葉片旋(xuan)轉🔆方向(xiàng)上☁️流體(ti)進出口(kou)線速度(du)相同,記(ji)進出口(kǒu)線速度(dù)分别設(she)爲Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記(ji)流㊙️體與(yǔ)💔葉輪葉(ye)片出入(rù)口的相(xiàng)對角速(su)度分别(bié)爲ɷ1和ɷ2,則(zé)圓💋周運(yun)動方向(xiàng)夾角β2與(yǔ)葉片與(yǔ)🔞軸線結(jie)構夾角(jiǎo)θ之間㊙️有(yǒu)式(4)所示(shi)♋關系:
 
 
　　式(shì)(9)中,ɷh?爲輪(lún)毂處角(jiǎo)速度;βw爲(wei)平均相(xiàng)對流速(sù)方向與(yǔ)葉輪軸(zhóu)🌏線間角(jiǎo)度;Ah爲葉(ye)片部分(fèn)輪毂面(miàn)積,R0爲葉(ye)輪所在(zài)殼體内(nei)徑,Rh爲輪(lún)毂半徑(jing)
輪毂周(zhōu)面粘性(xìng)摩擦阻(zu)力矩Mhf爲(wei):
 
3渦輪流(liú)量計三(san)維流場(chang)仿真與(yǔ)優化設(she)計
3.1葉輪(lun)三維模(mo)型建立(lì)
　　基于上(shang)述分析(xi)可見，葉(ye)輪的運(yùn)動特性(xing)主要受(shou)其結🔞構(gòu)⭐參數🎯、流(liu)體粘性(xìng)系數等(deng)影響。爲(wèi)分析小(xiǎo)流量渦(wo)輪結構(gòu)的流場(chang)特性,設(shè)🥰計參數(shu)如表1所(suǒ)示葉輪(lún)系統,借(jie)助UG軟件(jiàn)❗建立其(qí)三維仿(pang)真模型(xíng);将該三(sān)維模型(xing)導入ANSYSWork-bench軟(ruǎn)件中仿(pang)真。
 
　　考慮(lü)到葉輪(lún)的運動(dong)性能是(shi)流量計(jì)量的核(hé)心,仿真(zhēn)中采用(yong)🐪小四面(mian)體網格(ge)。小尺寸(cun)窄表面(mian)采用局(jú)部網格(gé),渦輪旋(xuan)轉區劃(hua)分的網(wǎng)格數約(yue)爲230萬,整(zhěng)個模型(xing)劃分的(de)網格總(zǒng)數爲353萬(wàn)。
3.2葉輪流(liú)場特性(xing)分析
3.2.1葉(ye)輪速度(du)場分析(xī)
　　分别取(qǔ)流量爲(wèi)5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪(lun)流場仿(páng)真分析(xi),獲得上(shang)述流量(liàng)下⁉️葉輪(lún)後導流(liu)架後端(duān)速度矢(shi)量圖(圖(tu)3(a),(b),(c)所示),可(kě)見🚩流體(ti)與前導(dao)流架前(qian)🐇端碰撞(zhuàng)産生低(di)速區，靜(jing)壓力變(biàn)大,且随(suí)♈流量增(zēng)大而變(bian)大,壓力(lì)損失明(míng)顯;流體(tǐ)進入前(qian)導流架(jià)後,流速(sù)加快,雷(lei)諾數✊增(zēng)加,湍流(liú)強度變(biàn)大。流體(tǐ)進入葉(yè)輪前，先(xiān)流經🐕葉(yè)輪與前(qian)後導流(liú)架連接(jiē)♋的槽,由(you)于槽内(nei)㊙️流速低(dī),此時流(liú)☎️量的速(su)度分布(bu)不均😍,且(qie)有強渦(wo)🔞流産生(shēng)。回流導(dǎo)葉尾端(duan)速🏃度矢(shi)量圖如(ru)圖3(d)所🤩示(shì),流體在(zài)後導流(liu)🐕架後端(duan)出現長(zhang)尾流,尾(wei)流長度(dù)随流量(liàng)增大而(er)減小。
 
 
3.2.2壓(yā)力場分(fèn)析
　　分析(xī)上述三(san)個不同(tóng)流量時(shi)流道内(nèi)壓力場(chang),發現随(sui)着流💰量(liàng)增加,葉(ye)輪、導流(liu)架上遊(you)面形成(cheng)的靜壓(ya)變高,葉(ye)片上遊(you)面和♉葉(yè)片下遊(yóu)面的壓(ya)力随着(zhe)流量的(de)增加而(ér)減小(如(ru)圖4所示(shi)),可🌈見,導(dao)流架端(duān)部的形(xíng)狀、葉輪(lún)與導流(liu)架之間(jiān)凹槽⚽寬(kuan)度、葉輪(lún)面積和(hé)形狀對(dui)葉輪穩(wen)定旋轉(zhuǎn)均有明(míng)顯影響(xiang)。
3.3結構優(you)化設計(jì)
3.3.1導流架(jia)頭部結(jie)構設計(jì)
　　基于上(shàng)述CFD仿真(zhen)分析結(jie)果,爲有(yǒu)效減小(xiǎo)葉輪壓(ya)力.損失(shī),将原🈲導(dǎo)流架頭(tóu)部的球(qiu)形分别(bie)設計橢(tuo)球型和(he)圓錐形(xíng),改進後(hou)的導流(liu)架頭㊙️部(bu)尺寸如(rú)圖5所示(shi)。
 
3.3.2結構優(you)化後葉(yè)輪三維(wei)流場特(tè)性
　　基于(yu)上述結(jié)構,仿真(zhēn)流量爲(wei)Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時，不(bu)同導流(liú)架結構(gòu)下葉輪(lún)⛱️速度🐕場(chǎng),由.圖6可(kě)見,圓錐(zhui)形結構(gou)葉輪的(de)高壓低(dī)速區面(mian)💞積最小(xiǎo),其🥵次是(shi)✨橢圓形(xing)體,球形(xíng)結構葉(ye)輪的高(gāo)壓低速(sù)區面積(ji)最大,圓(yuán)錐形結(jie)構🏃‍♂️能夠(gou)有效減(jian)📱少壓力(li)損失,提(tí)高流量(liang)計的測(ce)量精度(du)。在前導(dao)流架🏃‍♂️環(huán)狀流動(dong)路徑中(zhōng)，圓錐形(xíng)流體的(de)速度分(fèn)布最均(jun)勻的，橢(tuo)圓體結(jié)構次之(zhi),球形結(jie)構最差(chà),圓錐結(jié)構🍉具有(you)較好的(de)整流效(xiao)果。
流量(liàng)爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shi),改進後(hou)導流架(jia)頭部形(xíng)狀後端(duān)形成的(de)尾流如(ru)圖7所示(shì)。圓錐形(xing)結構尾(wei)流面積(ji)最小,橢(tuǒ)球形較(jiào)小，球形(xíng)結構尾(wěi)流🤞面積(jī)🌍最大,三(san)種形狀(zhuang)的尾流(liu)中均有(you)渦流出(chu)現,圓錐(zhui)形産生(shēng)渦流最(zuì)小,壓力(li)損失最(zuì)小。
4結論(lun)
　　本文從(cong)小流量(liàng)渦輪流(liú)量計設(shè)計需求(qiú)出發,通(tong)過建🔞立(lì)小流量(liang)渦輪流(liu)量計的(de)數學模(mo)型、三維(wei)模型,基(ji)于👉小流(liú)🈲量渦輪(lún)流量計(ji)的流場(chang)特性,優(yōu)化改進(jin)了其導(dǎo)流架結(jié)構,所得(de)結論如(ru)下:
(1)由于(yú)流體對(dui)前導流(liu)架沖擊(jī),會導緻(zhi)葉輪靜(jìng)壓力變(bian)㊙️.大,流道(dào)面積🏃‍♀️變(biàn)小,流速(su)增大,經(jing)前導流(liu)架進人(ren)葉輪旋(xuán)轉區後(hòu)随葉輪(lún)旋轉形(xíng)❄️成旋流(liú)。
(2) 随着流(liú)量增加(jiā),葉輪、導(dǎo)流架上(shàng)遊面形(xing)成的靜(jìng)壓變高(gao),葉片上(shàng)遊❓面和(hé)葉片下(xià)遊面的(de)壓力随(suí)着流量(liang)的✍️增加(jia)❗.而減小(xiao)。
(3)圓錐形(xíng)結構葉(yè)輪的高(gao)壓低速(su)區面積(ji)最小，能(néng)夠有效(xiao)減少❓壓(ya)力損失(shī),提高流(liu)量計的(de)測量精(jīng)度。此外(wài),在前導(dǎo)🔴流架🌈環(huán)狀流動(dong)💃路徑中(zhong),圓錐形(xíng)流體的(de)速度分(fèn)☀️布最均(jun1)勻的，較(jiao)橢圓體(tǐ)🔞球形導(dǎo)流架結(jié)構,圓錐(zhui)結構具(ju)有最好(hǎo)的整流(liu)效果。

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