在(zai)天然氣的采集、處(chu)理、儲存、運輸和分(fèn)配過程中，需要數(shù)以百萬計的流量(liang)計，它既是天然氣(qi)供需雙方貿易結(jie)算的依據，也是生(shēng)🌈産部門用氣效率(lǜ)的主要👌技術指🈲标(biāo)，因此對流量計測(cè)量準确度和可靠(kào)性有很高的要求(qiú)。 氣體渦輪流量計(ji) 屬于速度式流量(liàng)計，是應用于燃氣(qì)貿易計量的三💃大(da)流量儀表之一。由(yóu)于具有重複性好(hǎo)、量程範圍寬、适應(yīng)性強、精度高、對流(liu)量變化反應靈敏(mǐn)、輸出脈沖信号、複(fu)現性好和體積小(xiao)等特點，氣體渦輪(lún)流量計近年來已(yi)在石油、化工和天(tiān)然氣等領域獲得(dé)廣泛的應用。
   随着(zhe) 渦輪流量計 在管(guǎn)道計量領域的廣(guǎng)泛使用，天然氣管(guǎn)道輸送過程中的(de)能耗成爲不容忽(hu)視的問題，而天然(ran)氣管道輸送過程(chéng)中的壓力損失是(shì)産生能源消耗的(de)主要原因之🔆一。爲(wèi)保證天然氣能順(shun)🔴利輸送至用戶端(duān)，就需要提高🔅各壓(ya)氣站的輸送壓力(lì)并盡量減少管道(dào)🐪輸送過程中的壓(yā)力損失，而各級管(guan)道上的計量流🏃量(liang)計所造成的壓力(li)損失占有很大比(bi)重。因此，氣體渦輪(lun)流量計的壓力損(sun)失研究對節⭐能減(jiǎn)排和推動⛷️我國燃(rán)氣計量儀表産業(yè)的發展具有較好(hao)的推動🔅作用。
   近年(nian)來，越來越多的學(xué)者采用數值模拟(ni)仿真方法對渦輪(lun)流量計進行研究(jiu)，如XU、LIU、 等學者均通過(guò)數值計算形🔅式模(mo)拟流🙇‍♀️量計内部‼️流(liú)動，并與實驗比較(jiào)驗證了模拟結果(guǒ)的正确性🈲。應用S－A、标(biao)🎯準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标🤟準k－ω這5種湍(tuān)流模型對渦輪流(liu)量計♻️進行三維數(shù)值模拟，并将應用(yong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻各湍流模型♌得出(chū)的仿真儀表系數(shu)與實流标定值進(jin)行對比和分析，這(zhè)對數值模拟計算(suàn)選取湍流模型給(gei)出了一定參㊙️考。
   目(mù)前，渦輪流量計的(de)優化主要通過改(gai)良其導流件、葉輪(lun)、軸承、非✏️磁電信号(hao)檢出器等部件的(de)結構尺寸🔞和加工(gōng)工藝，來改善流量(liàng)計測量氣體、高粘(zhān)度流體和小流量(liàng)時的特性。對降低(dī)渦輪流量♍傳感器(qi)粘度變化敏感度(dù)進行了研究。SUN等采(cai)用了Standard　k－ε湍流模型數(shu)值模拟口徑爲15mm的(de)渦輪流量計的内(nèi)部流動，結果表明(ming)壓力損失受到👄前(qian)端和後端形狀、導(dǎo)流體半徑、導流體(ti)的導流片和渦✉️輪(lun)葉片厚度的影響(xiǎng).雖然對氣體渦輪(lún)流量計的流動進(jin)行實驗測量和✏️數(shu)值計算，發現前導(dǎo)流器的結構變⚽化(huà)對後🏃面各部件内(nèi)的氣體流動速度(dù)梯度和壓力恢複(fú)也有明顯影響，使(shi)總壓力損失進一(yī)步放大或減小，但(dàn)對流量計的其它(ta)部件未進行分析(xī)。本文将對一種型(xíng)号氣體渦輪流量(liàng)🤟計各部件的壓力(lì)損失與流量的關(guan)系⭐進行分析研究(jiu)，以提出其優化思(si)路。
1 渦輪流量計的(de)基本結構及工作(zuo)原理
   本文采用80mm口(kou)徑氣體渦輪流量(liàng)計作爲研究對象(xiang)，對其進行内部流(liu)道的壓力損失數(shù)值模拟。
   氣體渦輪(lún)流量計結構示意(yì)圖如圖1。氣體渦輪(lun)流量計實🐕物如圖(tu)2，其中圖2（a）爲渦輪流(liu)量計實物圖，圖2（b）爲(wei)渦輪流量計🚶機芯(xin)葉輪實物圖。


   氣體(ti)渦輪流量計的原(yuán)理是，氣體流過流(liu)量計推動渦🔞輪葉(yè)片旋轉，利用置于(yú)流體中的葉輪的(de)旋轉角🙇🏻速度與流(liú)♍體流速成比例的(de)關系，通過測量葉(yè)輪轉速來得到流(liú)體流速，進而得到(dao)管道内的流量值(zhi)。渦輪流量計輸出(chu)的脈沖頻率f與所(suo)測體積流量qv成正(zheng)比，即

式（1）中：k—流量計(jì)的儀表系數。
根據(jù)運動定律可以寫(xie)出葉輪的運動方(fang)程爲

式（2）中：J—葉輪的(de)轉動慣量；t—時間；ω—葉(ye)輪的轉速；Tr—推動力(lì)矩；Trm—機械摩擦阻力(li)矩；Trf—流動阻力矩；Tre—電(diàn)磁阻力矩。
2 計算模(mo)型
2.1 數學模型
   設定(dìng)渦輪流量計數值(zhi)模拟的工作介質(zhi)爲空氣，流動🤞處于(yú)湍流流動，數值模(mó)拟湍流模型采用(yòng)Realizable K－ε模型，該😘模型适用(yong)于模拟計🐉算旋轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度(dù)的邊界層流動、流(liu)動分離和二次流(liu)等，其模型方程表(biao)示爲：
——各向流速平(píng)均值；a—聲速；μ—動力粘(zhān)性系數；υ—運動粘性(xìng)系數；K—湍流動能；ε—湍(tuan)流耗散率；βT—膨脹系(xi)數；ωk—角速度； —時均轉(zhuǎn)🌍動速率張量；如不(bu)考慮浮力影響Gb＝0，如(ru)流動不可壓縮🐆， ＝0，YM＝0。
2.2 流(liu)體區域網格劃分(fen)
   使用Solidworks三維設計軟(ruan)件依照實物尺寸(cùn)對渦輪流量計各(gè)部件💘進行🔞建模及(jí)組裝，簡化主軸、取(qu)壓孔和加油孔等(děng)😍對流✨體區域影響(xiǎng)較小的部分。
   先對(duì)機芯部分做布爾(ěr)運算得到純流體(tǐ)區域，然後對葉輪(lun)🛀外加包絡體形成(chéng)旋轉區域，在機芯(xin)進出口前後均加(jiā)上15倍機芯口徑的(de)直管段，以保證進(jìn)出口流動爲充分(fèn)發展湍流。
   全部流(liu)體區域包括前後(hòu)直管段、葉輪包絡(luò)體以及機芯❓部分(fèn)的流體區域。用Gambit軟(ruan)件對三維模型進(jin)行網格劃💋分，對流(liu)體❓區域中的小面(miàn)和尖角等難以生(sheng)成網格的🧡部分進(jin)行優化和簡化處(chu)理，流體區域使用(yong)非結構化混合網(wǎng)格，并對機芯流道(dào)内葉👌輪等流動情(qing)況較複雜❄️區域進(jìn)行了局部加密，如(ru)圖3。其中圖3（a）爲機芯(xīn)流體區域網格圖(tú)，圖3（b）爲葉輪網格圖(tu)，整體網格總數量(liang)約230萬。

2.3 數值模拟仿真條(tiáo)件設置
   數值計算(suan)時，爲方便模拟結(jie)果與實驗結果的(de)對比，環境溫度、濕(shī)度和壓力設置與(yǔ)實驗工況相同，流(liu)體介質選擇空氣(qi)⭐，空氣的密度ρ和動(dòng)力粘度η根據Rasmussen提出(chū)的計算規程拟合(he)推導出的簡❗化公(gong)式（5）和（6）計算獲得：
式(shì)（5）（6）中：T—溫度；P—壓力；H—濕度(du)。
   求解器采用分離(li)、隐式、穩态計算方(fāng)法，湍流模型選擇(ze)Realizable　k－ε湍流模型，壓力插(chā)值選擇Body force weighted格式，湍流(liu)動能、湍流耗散項(xiàng)㊙️和動量方程均🌈采(cǎi)用二階迎風格式(shi)離散，壓力與速度(du)的耦合采用SIMPLEC算法(fa)求解🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，其餘設置均(jun)采用Fluent默認值。
   計算(suan)區域管道入口采(cǎi)用速度入口邊界(jiè)條件，速度方向垂(chui)直于入口直管段(duàn)截面.出口邊界條(tiao)件采用🌈壓力出口(kǒu)。葉輪包絡體設👨‍❤️‍👨置(zhì)爲動流動區域，其(qi)餘爲靜流動區域(yù)，采用interface邊界條件作(zuo)㊙️爲分界面，對于旋(xuán)轉部分和靜止部(bu)分之間的耦合💞采(cai)用多重✉️參考坐标(biao)模型（MRF）。葉輪采用滑(huá)移邊界條件且相(xiàng)對于附近旋轉流(liú)體區域速度爲零(ling)。葉輪轉速是通過(guo)使用FLUENT軟件中的TurboTopol－ogy與(yu)Turbo　Report功能，不斷調整葉(yè)輪轉速，觀察🧡葉輪(lun)轉速是否達♉到力(li)矩平衡來确定的(de)。
3 數值模拟結果分(fen)析
   在流量計流量(liang)範圍内選取了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這(zhè)6個流量點進行同(tong)工況環境數值模(mo)拟，得到氣體渦輪(lún)流量計的内部流(liu)場🥵和壓力分🥰布等(děng)♉數據㊙️。進口橫截面(miàn)取于前整流器前(qian)10mm處，出口橫截面取(qu)于後導流體後10mm處(chu)。計算渦輪流量計(jì)進出口橫截面上(shàng)的壓力差，即得到(dao)流量計的壓力損(sun)失🐉。
圖4爲流量與壓(yā)力損失之間的關(guān)系曲線，圖中實驗(yan)值是在工況條件(jian)下使用音速噴嘴(zui)法氣體流量标準(zhǔn)裝❄️置測🔞得。

   根據圖(tu)4中壓力損失随流(liú)量的變化趨勢，可(ke)以将流㊙️量💯與壓🔴力(li)損失之間的關系(xi)拟合曲線爲二次(cì)多項式，其表達式(shì)爲

   這與流量計的(de)壓力損失計算公(gōng)式（8）趨勢相符，均爲(wèi)二次函數⭐，且數值(zhí)模拟結果與實驗(yàn)結果吻合得較好(hǎo)，說明渦輪流📧量計(jì)的内部流場數值(zhi)模拟方法及結果(guǒ)是可行且可靠的(de)。流量計😍的壓力損(sǔn)失計算公式爲

式(shi)（8）中：ΔP—壓力損失；α—壓力(li)損失系數；υ—管道平(píng)均流速。
   以流量Q＝250m3/h的(de)數值模拟計算結(jie)果爲例進行渦輪(lun)流量計🍓内部流🏒場(chang)及壓力場的分析(xī).圖5爲渦輪流量計(jì)軸向剖面靜壓分(fen)布圖.前導流器前(qian)後的壓力場分布(bu)較均勻且壓力梯(tī)度較小，在機芯殼(ké)體與葉輪支座連(lián)接凸台處壓力有(yǒu)❓所增加，連接面後(hou)壓力又逐漸減小(xiao).故認爲流體流經(jing)葉📱輪支座産生壓(yā)力損失的主要原(yuán)因是連🈚接處存在(zài)凸台，導緻流場出(chū)現🥰較大變化，不能(néng)平滑過渡，建議将(jiāng)葉輪支座與機芯(xin)殼體的連接改爲(wei)圓弧線🆚型或流線(xian)型。
   觀察圖5和圖6，當(dang)流體流經葉輪從(cong)後導流器流出渦(wo)輪流量計時🐆，壓力(li)梯度變化明顯，存(cun)在負壓區域并造(zao)成很大的壓降，在(zai)後導流器凸台及(ji)流量計出口處速(su)度變化明顯，由于(yu)氣流通過後導流(liu)器後流道突擴，在(zai)後導流器背面形(xing)成明㊙️顯的低速渦(wō)區，産生了漩渦二(er)次流。

   結合圖7、圖8流(liú)量計軸向剖面和(he)出口橫截面的總(zong)壓及🈲速度分布圖(tu)，其速度分布與壓(ya)力分布相似，流量(liang)計流道内🌂速度分(fen)布較均勻的區域(yu)其壓力梯度變化(huà)也較小，即流道内(nei)速度的分布和變(biàn)化與壓力損失大(dà)小相關。由流量計(jì)軸向剖面和出口(kǒu)橫截面的速度及(ji)壓力分布圖可以(yǐ)看出，流量計後導(dǎo)流器處🔱産生的漩(xuan)渦二次流影響了(le)出🌈口橫截面處的(de)速度及壓力分布(bù)


   流量計各部件的(de)壓力損失随流量(liàng)變化的趨勢與流(liú)量計總壓力損失(shi)随流量的變化趨(qu)勢相同，其拟合公(gōng)式爲系數不同🈲的(de)二次多項式。各部(bù)件的壓力損失與(yǔ)流量呈二次函數(shù)關系，随着流🔅量的(de)增加，壓力損失顯(xiǎn)著增加。

   觀察圖10各(ge)部件壓力損失百(bǎi)分比圖，可見前整(zhěng)流器、前導流器和(hé)機芯殼體處的壓(ya)力損失很小，葉輪(lun)支座處壓力👨‍❤️‍👨損失(shī)📞約占總壓力損失(shi)的1/4。前整流器所占(zhan)☀️壓力損失比例在(zai)各流🙇🏻量點基本保(bǎo)持不變，前導流器(qì)和機芯🌈殼體處的(de)壓力損失随流量(liàng)的增加其比❗例略(luè)有降低✨，葉輪支座(zuo)處壓力損失随流(liú)量的增加其比例(li)略有增加，但總體(ti)上受流量影響不(bú)大。葉輪🌈處的壓力(li)損失随流量從🏃🏻‍♂️13m3/h增(zēng)加至250m3/h，其比例從15.88%降(jiang)至8.71%，降幅明顯.後導(dǎo)流器處的壓力損(sun)失占總壓力損失(shi)的大半，随着流量(liang)從13m3/h增加至250m3/h其壓力(li)損失比例由43.77%升至(zhì)55.83%，增幅明顯。總之，後(hòu)導流器、葉輪支座(zuò)和葉輪是流體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流(liu)經渦輪流量計産(chan)生壓力損失的主(zhu)要影響部件🎯，可通(tōng)過優化其結構以(yi)降低渦輪流量計(ji)的總壓力損失。

4 結(jié)語
   本文采用Fluent軟件(jiàn)對一口徑爲80mm的渦(wo)輪流量計内部進(jìn)行了數☂️值模🔴拟計(ji)算，分析内部流場(chǎng)、壓力場及各部件(jian)産生的壓力損失(shī)，得出以下結論：
1）漩(xuán)渦二次流是産生(shēng)能量消耗的主要(yao)原因，故建議對渦(wo)輪流量計葉輪支(zhi)座及後導流器進(jìn)行幾何參數的優(yōu)化，将其凸台邊緣(yuan)改爲流線型以減(jiǎn)少。流道突擴的影(ying)響，減少後導流器(qì)葉片厚度并增加(jia)其長度及數量以(yi)減弱氣體螺旋狀(zhuàng)流動，減弱漩渦二(èr)次流，達到降低流(liú)量計壓力損失的(de)目的。
2）分析各部件(jian)對壓力損失的影(ying)響，其壓力損失與(yǔ)流量♈成✊二次函😘數(shu)關系。後導流器相(xiang)對于其他部件是(shi)壓力😘損失的主要(yào)因🔞素，約占總壓力(li)損失的一半，随♻️着(zhe)流量的增加♍其壓(ya)力🛀🏻損失占🤞總壓力(lì)損失的比例上升(shēng)了12.16%。葉輪支座的壓(ya)力損失約占總壓(ya)力損失的1/4，其壓力(li)損失比例随流量(liàng)的增加基本不變(bian)。随着流量的增加(jia)葉輪産生的壓力(lì)損失比例降幅明(ming)💋顯。
通過數值模拟(ni)分析得出速度的(de)分布和變化與壓(yā)力損失大小❓相關(guan)，通過優化流量計(ji)流道内的速度分(fèn)布✍️可降低流量計(jì)的壓力損失，後續(xù)相關的渦輪流量(liang)計優化研究可從(cóng)優化其流道内速(su)度分布入手。

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