摘要:利(li)用數值計算(suàn)方法研究了(le)不同安裝條(tiáo)件對渦輪流(liu)量計 性能的(de)影響。計算結(jié)果分析表明(míng),安裝于流量(liang)計前的單彎(wan)頭、雙彎頭以(yǐ)及閥門等管(guan)道配件都會(hui)造成流體速(sù)度趨于扁平(píng)分布和不對(duì)稱分布以及(jí)産生漩渦流(liu),都是影🐅響流(liu)量計計量精(jīng)度的👄主要原(yuan)因。合理布置(zhì)彎頭和閥門(men)開度的方㊙️向(xiang),使流體通過(guo)兩者時産生(shēng)的漩🌈渦流旋(xuan)轉方向相反(fǎn),則有⭐利于降(jiang)低流❤️量計進(jin)口前漩㊙️渦流(liú)的強度,減👌少(shǎo)對流量計測(ce)量精🏃‍♂️度的影(yǐng)響。渦輪流量(liàng)計的前導流(liu)件能有效消(xiao)除流體速度(dù)中的漩渦流(liu)🏃🏻‍♂️分量,但在校(xiào)正速度分布(bu)的不對稱性(xìng)和扁平性方(fāng)面效果并不(bu)顯著。
1引言
渦(wō)輪流量計的(de)測量精度易(yì)受到流量計(jì)前管線安裝(zhuang)條件♻️的影響(xiǎng)。一般管線系(xi)統中的各種(zhong)管配件,包括(kuò)閥🌈門、彎頭、變(biàn)徑管等所産(chan)生的流體幹(gan)擾都會引✍️起(qi)流體速度分(fèn)🚶‍♀️布發生畸變(biàn),産🌈生漩渦流(liú)和非對稱流(liú)等，影響了渦(wō)輪流量計的(de)測量精度。安(an)😍裝條件對渦(wo)輪流量計性(xìng)能的影響早(zǎo)就引起各國(guó)學者的廣泛(fàn)關注,并對💔此(cǐ)問題進行了(le)較爲系統的(de)實驗研究。先(xian)後利用實驗(yan)研究了渦💃🏻輪(lún)流量計進口(kǒu)前裝有90°彎🍉頭(tóu)、不在同一平(ping)面内的雙彎(wān)頭、IS09951推薦的能(neng)夠産生高💛和(he)低流體幹擾(rao)的管線結構(gòu)以及閥門]等(děng)對渦輪流量(liàng)計測量精度(du)的影響。
近幾(jǐ)年數值計算(suàn)方法逐漸應(yīng)用于渦輪流(liu)量計的研究(jiu)中(8-12],與‼️實驗方(fang)法相比,數值(zhi)計算方法具(ju)有成本低、更(geng)能提供詳細(xì)的三維流場(chǎng)以及能掌握(wò)管線結構引(yin)起的各種流(liú)體幹擾的衰(shuai)㊙️減規律🔆等優(yōu)點。數值計算(suan)方法🐕的有效(xiao)性也逐漸得(de)💋到了驗證⛷️E[8.12].但(dan)是迄今爲止(zhi)仍未見文獻(xiàn)報道利☎️用數(shù)值計算手段(duàn)研究安裝條(tiao)件對渦輪流(liu)量計性能的(de)影響。
另一方(fāng)面,機動油料(liào)裝備逐漸向(xiàng)小型化發展(zhan),選用計量裝(zhuāng)㊙️置時通常考(kǎo)慮選用測量(liang)精度高、質量(liang)輕的❓流量計(ji)，如渦輪流量(liàng)計。然而渦輪(lun)流量計對前(qian)後直👅管段的(de)要求限制了(le)其😄在機動油(yóu)料裝備上的(de)使用🛀🏻。爲此,本(ben)文利用數值(zhí)計算手段就(jiu)流量計進口(kou)前裝有90°彎頭(tou)、不在♊同-平面(mian)内的🏃‍♀️雙彎頭(tóu)以及雙彎頭(tou)之間有一個(ge)半圓🍓形擋闆(pan)三種安裝條(tiáo)件對流量計(ji)✊内部流場以(yǐ)及測量精度(du)的影🧑🏾‍🤝‍🧑🏼響進行(háng)研究,爲渦輪(lun)流量計⛹🏻‍♀️在機(jī)動油料裝備(bèi)上的應用提(tí)供指導。.
2流體(tǐ)速度分布的(de)特征參數
流(liú)體幹擾影響(xiǎng)渦輪流量計(jì)測量精度的(de)速度畸變主(zhu)要體現在三(san)個方面:速度(du)分布的扁平(píng)性、漩渦流和(he)速📞度分布的(de)🥰非對稱性。爲(wei)了能定量描(miáo)述流體幹擾(rǎo)引起的速度(dù)畸變,Mickan定義了(le)軸向動量數(shu)K。、漩流數K,和非(fēi)對稱數K,三個(ge)特征參數5)。本(běn)文引人這三(san)個參數,以便(bian)于後面的分(fèn)析。
軸向動量(liang)數K。用于衡量(liàng)流體軸向動(dong)量通量的轉(zhuan)動🤟力矩的大(dà)小,其計算式(shi)爲:
 
式中:u爲軸(zhóu)向流速,um爲平(ping)均流速,r爲徑(jìng)向坐标，ρ爲流(liu)體密😍度,R爲管(guǎn)🈲線半徑,A爲管(guǎn)線的橫截面(miàn)積。對于充分(fèn)發展流,Ku爲定(dìng)值,約爲0.62,而我(wǒ)們🏃🏻‍♂️所關心的(de)是充分發展(zhan)流與幹擾🛀🏻流(liu)之間💁的差别(bie)🌈，故常用反映(ying)兩者差别的(de)參量△Ku(其值等(deng)于Ku-Ku0),它對渦輪(lun)流量計的測(ce)量精🌈度具有(yǒu)較大的影響(xiǎng)。.
漩流數Kv用于(yu)衡量軸向漩(xuan)渦的強度。由(you)于渦輪流量(liang)🐪計的轉速易(yì)受漩渦流的(de)影響,因此Kv的(de)大小對其有(you)重要的影響(xiǎng)。其計算式爲(wèi):
 
式中:v爲切向(xiang)流速。
非對稱(chēng)數KA用于衡量(liàng)速度分布對(dui)稱性的程度(dù),用管🍓線橫截(jie)面上流體質(zhi)心與對稱軸(zhóu)之間的距離(lí)來表示,其計(ji)算式爲:
 
式中(zhōng):y、z分别爲管線(xiàn)橫截面上的(de)直角坐标,m爲(wei)質量流量❌。
3數(shu)值計算模型(xíng)
3.1基本方程組(zu)
描述渦輪流(liú)量計内部流(liu)場的基本方(fang)程組爲連續(xu)性💋方程、N-S運動(dòng)方程和紊流(liu)模型。目前還(hái)沒有普遍适(shì)用的紊流模(mó)型,本文選用(yòng)較常用的标(biao)準k-ε雙方程模(mó)型。模型方程(cheng)中相關系數(shu)取值分别爲(wei):Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃分和(he)邊界條件
在(zài)數值計算過(guo)程中,渦輪流(liú)量計的葉輪(lun)處于旋轉狀(zhuang)态,故葉輪部(bù)分的網格劃(hua)分疏密對計(jì)算結果的正(zhèng)确率具有重(zhòng)💯要的影響,在(zài)網格劃分時(shí)對葉輪表面(miàn)的網格進行(háng)了适當的局(jú)部加密處理(li)。前、後導流件(jiàn)部分區域采(cai)用六🏃🏻面體網(wǎng)格,其他區域(yù)采用四面體(ti)網格,葉輪部(bu)分全部采用(yong)四面體網格(gé),單流量計計(ji)算區域内網(wǎng)格總數爲97.31萬(wan)個,其中葉輪(lún)部分❄️的網格(ge)總數爲67.42萬個(gè)。
爲了減少在(zai)計算過程中(zhong)因計算域進(jìn)口與出口位(wei)置對渦輪流(liu)量計内部流(liú)場的影響,本(ben)文計算域的(de)進口㊙️與出🌈口(kou)适當向外作(zuò)了延伸，上遊(you)直管段長度(dù)🏒爲.5D,下遊爲10D。進(jin)口采用圓管(guǎn)紊流流速分(fèn)布的1/7律來确(que)定。凡與流體(tǐ)相接觸的所(suǒ)有固體界面(mian)上采用無滑(huá)移固體璧面(miàn)條件,出口施(shī)加定靜壓。
4數(shù)值計算
4.1流量(liàng)計前的管線(xiàn)結構
文中采(cai)用的渦輪流(liú)量計結構如(rú)圖1所示。流量(liang)計的🥵内徑🐆爲(wèi)🌂15mmm,葉輪葉片數(shu)爲4片,前、後導(dao)流件采用橢(tuǒ)球形端面。
 
本文(wen)主要分析了(le)Casel~Case5等5種結構，見(jian)圖2。
 
Case1:流量計前(qian)是一長爲5D的(de)直管段。
Case2:90°的彎(wan)頭，其前有一(yi)5D長的直管段(duàn)。考慮到機動(dong)油料裝備上(shang)流🌈量計的安(an)裝空間非常(cháng)受限，彎頭與(yǔ)流量計進口(kou)之間的距離(li)設爲1D。
Case3:不在同(tong)一平面内的(de)雙彎頭,兩彎(wān)頭之間有一(yī)長爲0.5D的❤️直🧡管(guǎn)段,進口管段(duàn)長度和第二(èr)個彎頭與流(liu)量計進口的(de)距離同Case2。
Case4:在Case3的(de)雙彎頭中間(jiān)位置上布置(zhi)了一個1mm厚的(de)半圓薄闆，薄(bao)闆位☔于雙彎(wan)頭的外側位(wèi)置。
Case5:除了半圓(yuan)薄闆的位置(zhi)在雙彎頭的(de)内側外,管線(xiàn)結構同Case4。
研究(jiū)Case4和Case5的管線結(jie)構主要目的(de)有兩個:一是(shi)研究閥門對(duì)流量計測量(liàng)精度的影響(xiang);二是閥門開(kai)度與彎頭的(de)相對方向不(bu)同時對流量(liàng)計測量精度(du)的影響♈。
4.2計算(suàn)結果與分析(xi)
計算參數:流(liu)體的進口平(píng)均速度um爲5m/s,計(jì)算介質爲20℃的(de)水。
 
圖3示出了(le)不同條件下(xia)渦輪流量計(ji)進口處在4個(gè)方向上的💘軸(zhou)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼向和切向流(liú)速分布。從圖(tú)中可以看到(dào),對于Casel這種管(guan)線結構,軸向(xiang)流速符合充(chōng)分發展流的(de)速度分布,切(qie)向流☀️速分量(liang)很小。而且在(zai)進口橫截面(miàn)上，根據式(1)~(3)計(jì)算得到Ku0等于(yú)0.62,Kv和KA分别等于(yu)0,因此可作爲(wei)參考量用于(yú)其👣它管線結(jié)構🏃的分析。本(ben)文✂️對所有計(jì)算結果的分(fen)析都以此作(zuò)爲參考進行(háng)的。
當流量計(jì)前裝有90°彎頭(tóu)時(Case2)，軸向流速(su)在管線對稱(chēng)軸上附近表(biǎo)現爲最小，然(rán)後向管壁兩(liǎng)側增加,呈現(xiàn)了非對稱的(de)✉️馬鞍型分🈚布(bu),且切向流速(su)表現出了二(er)次👄流現象✔️。
當(dāng)流量計前的(de)管線結構爲(wèi)不在同一平(ping)面内的雙彎(wān)🏃‍♀️頭時(Case3)，軸向流(liú)速出現了與(yu)Casel相似的非對(dui)稱的馬鞍🔞型(xíng)分布,不過其(qi)不對稱程度(du)要比Casel小，但流(liu)速更呈扁平(píng)分布🏃🏻;切向流(liu)♻️速同樣出現(xian)了二次流💜現(xiàn)象,其漩渦強(qiang)度則要🐇比Casel強(qiáng)得多🐆。
對于兩(liang)個彎頭之間(jiān)有一半圓薄(bao)擋闆的兩種(zhong)管線結構Case4和(he)👌Case5,軸向流速的(de)不對稱分布(bù)非常嚴重。除(chu)了在θ=90°這個方(fang)向上軸向流(liu)速呈馬鞍型(xíng)分布外,在其(qi)餘三個方向(xiàng)✉️上幾乎是從(cóng)管璧的一.側(ce)向另⛷️-側單調(diào)遞增的趨勢(shi)。不過,兩種管(guǎn)🌈線結構的切(qiē)向流速則表(biǎo)現出💋了不同(tong)的分布趨勢(shì)。當半🏒圓薄闆(pǎn)布置❌在雙彎(wan)頭的外側(Case4),流(liu)體速🐪度中含(han)有很強的切(qie)向流速分布(bu),其最大值幾(jǐ)乎達到了🌍平(píng)均流速的60%。當(dāng)半圓薄闆布(bu)置在雙✍️彎頭(tóu)的内側(Case5),切向(xiang)流速分量要(yao)比Case4的小得多(duō),甚至小于Case3。
造(zao)成這種差别(bié)主要是由于(yu)對于Case4,流體通(tong)過半圓薄闆(pǎn)後産生✊的漩(xuan)渦方向和通(tong)過彎頭後産(chan)生的漩渦方(fāng)向相同，因此(cǐ)在流量計☎️進(jìn)口前表現出(chū)比Case3更高的⭐切(qie)向流速分量(liàng),而Case5的情㊙️況則(zé)反💁之。由于這(zhè)個原因,Case4計☔算(suan)得到的渦輪(lun)流量計儀表(biǎo)系數與Casel相比(bǐ),其誤差偏移(yi)爲-1.79%,而CaseS則僅爲(wèi)-0.23%,見表1。這個計(ji)算結果同時(shí)說明了在🌈渦(wō)輪流量計♉前(qian)合理布置彎(wan)頭和閥i]開度(dù)之間的相對(dui)方向,有助于(yu)降低漩渦流(liú)的強度，從而(ér)減少對流📱量(liang)計量性能的(de)影響。同樣我(wǒ)們研究了流(liú)♋體通過前導(dǎo)流件後在其(qi)輪毂末端處(chù)軸向流速和(he)切向流速🏃‍♂️的(de)分布情況,見(jian)圖4。
 
從圖4中可(ke)以看到,受導(dao)流件輪毂的(de)影響，流道面(mian)積減少,軸向(xiàng)流⛱️速增加;在(zai)θ=90°和θ=0°兩個方向(xiàng)上正對導流(liu)件葉片💃,受其(qí)💰尾流的影響(xiang),軸👈向流速明(míng)顯要比其它(ta)兩個方向🌈上(shang)的軸向流速(su)低。從圖中同(tong)時可以看到(dào),流體經過前(qián)導流件的導(dǎo)流作用🚶‍♀️後,切(qiē)向流速顯著(zhe)減小,在θ=90°和θ=0°兩(liǎng)個方向上漩(xuan)渦🈲角的大小(xiao)基🚶‍♀️本上能滿(man)足🏃🏻‍♂️ISO9951規定的小(xiao)于2°的标準，圖(tú)中以虛線表(biǎo)示,在其它兩(liang)個方向上切(qiē)向流速的最(zui)大分量也不(bú)⛷️超過平均流(liú)速🔞的20%;但是其(qí)軸向流速的(de)不對稱分布(bu)和🈲扁平性并(bing)沒🈚有得到有(you)效的改善,同(tong)樣是Case5的軸向(xiang)流速的不❌對(duì)稱分布最爲(wèi)顯著。
不同安(ān)裝條件下在(zài)渦輪流量計(ji)進口和前導(dao)流件輪毂末(mo)端兩個橫截(jie)面上Ku、Kv、KA、以及流(liú)量計儀表系(xi)數誤🈚差偏移(yi)的計算🔴值見(jian)表1。
 
從表1中可(kě)以看到，造成(chéng)流量計儀表(biǎo)系數誤差偏(piān)移🌂最大的是(shi)Case4這種管線結(jie)構,達到了-1.79%,這(zhe)和前述分析(xi)相♻️一緻。表中(zhōng)的結果同時(shí)說🌈明了渦輪(lun)流量計中的(de)前導流件消(xiao)除漩🔴渦流的(de)效率非常高(gāo),但⛱️是其在改(gai)善速度分布(bu)的不對稱🈲性(xing)和扁平✍️性上(shàng)的效果并不(bu)顯著。因此,認(ren)爲若将渦輪(lun)流量計的前(qián)導🐪流件結構(gou)進行改進,采(cai)用💋孔闆整流(liu)器和翼式整(zheng)流器相結合(he)的組合式結(jie)構,這樣既能(neng)有效消除漩(xuan)渦流,又能有(yǒu)效改🈲善速度(du)分布的不對(dui)稱性和扁平(píng)性,必将顯著(zhe)改㊙️善導流件(jiàn)的整流效果(guo),減少渦輪流(liú)量計進口流(liú)速分布對測(ce)量精度的影(ying)響,降低其安(ān)裝要💞求,使其(qí)更🔞适合用于(yu)機動油料裝(zhuāng)備上的計量(liàng)裝置。
5結論
本(ben)文利用數值(zhi)計算手段研(yán)究了流量計(ji)前安裝有單(dan)彎🏒頭、不在🏒同(tóng)一平面内的(de)雙彎頭以及(jí)雙彎頭之間(jiān)有一半圓擋(dǎng)闆等👈管線結(jie)構對流量計(jì)内部流場和(he)測量精度的(de)影響,得到了(le)以下結論:
(1)由(you)管線結構引(yǐn)起的流體幹(gàn)擾造成流體(ti)速度分布含(hán)📞有🐉漩渦🔆流💋分(fen)量、軸向速度(du)分布不對稱(cheng)性和扁平性(xìng),使流量計計(ji)量産生誤差(chà),本文的算例(lì)中最大誤差(chà)達到了-1.79%。
(2)彎頭(tou)與閥廣1開度(dù)之間的相對(dui)方向影響流(liú)量計的測量(liàng)精度,若流體(ti)通過彎頭和(he)閥門時所産(chǎn)生的漩😘渦流(liu)方向相同🙇🏻，則(ze)增加了流量(liàng)計的計量誤(wu)差,反之🔅則減(jiǎn)少計量誤差(cha)。
(3)流量計中前(qian)導流件能有(you)效減少漩渦(wo)流強度,但在(zài)改♉善速度分(fèn)布的不對稱(cheng)性以及扁平(píng)性方面的效(xiao)果并不明顯(xian)。

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