摘要(yào)：應用動量(liàng)定理研究(jiū) 渦輪流量(liang)計 的基本(ben)工作機理(lǐ)及儀表系(xì)數模型。通(tōng)過數值仿(pang)真🛀🏻和流動(dòng)實🏃‍♀️驗，分析(xī)切向渦輪(lún)流量計葉(yè)片未轉動(dong)及轉動時(shí)流💁體在☂️渦(wō)輪流量計(jì)的分布情(qíng)況，闡述切(qiē)向渦輪計(jì)葉片轉動(dong)機理☁️。基于(yu)小流量實(shi)驗裝置，考(kao)察了渦輪(lún)流量計在(zai)單🚶‍♀️相水及(ji)單相油條(tiao)件下的響(xiǎng)應特性。渦(wo)輪流⭕量計(ji)在純水與(yǔ)純油介質(zhi)中，啓動排(pai)量🌈分别爲(wei)0.081m3/d與0.08m3/d，均❤️遠遠(yuǎn)低于普通(tōng)螺旋式渦(wo)輪流量計(jì)的0.5m3/d，證明渦(wo)輪流量計(ji)在低流㊙️量(liàng)測量中具(jù)有良好的(de)應用前景(jǐng)。
0、引言：
　　渦輪(lún)流量計廣(guǎng)泛應用于(yú)小流量測(ce)量中。與軸(zhou)向式🔴渦輪(lún)流量傳感(gǎn)器相比，切(qiē)向渦輪流(liú)量傳感器(qi)的啓動排(pai)量更低，測(cè)量靈敏度(dù)更高，動态(tai)響應速度(du)更快［1］。随着(zhe)國🔞内大部(bu)分油田進(jin)入開發中(zhōng)後期，低産(chan)井數❓量逐(zhú)年增多，大(da)量油♌井的(de)日産量低(di)于5m3/d，單層産(chan)量甚至低(dī)于1m3/d。低産液(yè)井對測井(jing)🙇🏻儀器提出(chu)了新的要(yào)求，傳🌐統螺(luo)旋式渦㊙️輪(lun)🎯流量計對(dui)低流量的(de)響應較差(cha)，啓動排量(liàng)較高，難以(yǐ)對低産井(jing)的井下流(liú)❓動進行有(yǒu)效監測。爲(wei)此，提出采(cai)用渦輪流(liu)量計測量(liang)小流量。
1、渦(wo)輪流量計(ji)工作原理(lǐ)：
? 渦輪流量(liang)計基本構(gòu)造見圖1。被(bèi)測流體在(zai)流經葉輪(lun)之🐅前🐪流道(dào)會減縮，流(liu)速增加，流(liu)體經過葉(yè)輪後葉片(piàn)旋轉，磁電(diàn)傳感器記(jì)錄葉📐片轉(zhuan)動頻率，得(dé)到被測流(liu)體相對應(yīng)的流量。

　　渦輪(lún)在轉動時(shí)所受的力(li)矩大緻可(ke)分：流體對(duì)渦輪的⛹🏻‍♀️推(tuī)動力矩Ｔｒ，機(jī)械摩擦力(lì)矩Ｔｒｍ，流體對(duì)渦輪産生(shēng)的流動阻(zu)力矩Ｔｒｆ和電(diàn)🛀🏻磁阻力矩(ju)Ｔｒｅ［２］。渦輪運動(dong)方程可以(yi)表示爲
　　式(shi)中，Ｊ爲渦輪(lún)轉動慣量(liang)；ω爲渦輪轉(zhuan)動角速度(dù)。渦輪正☁️常(chang)工👅作👉時，ω可(ke)近似看作(zuò)定值（切向(xiang)渦輪轉動(dòng)時由于🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驅(qu)動力矩随(sui)着⭐位置變(biàn)化而變化(huà)，所以轉動(dòng)角速度ω也(ye)是變化的(de)，這裏将ω看(kàn)作定值）。
　　如(ru)圖2所示，渦(wo)輪流量計(ji)流道收縮(suo)後面積爲(wei)Ａ，從流道流(liu)出的流體(tǐ)速度爲ｖ1，從(cóng)渦輪流出(chu)的流體速(sù)度爲ｖ2；ｖ1和ｖ2與(yǔ)渦輪葉片(piàn)速度方向(xiang)的夾角爲(wei)α1和α2，渦輪的(de)轉動角速(sù)度爲ω，假設(shè)出👄口處流(liú)體相對運(yùn)動速度的(de)方向平行(háng)于葉片🧑🏽‍🤝‍🧑🏻方(fang)向。

在渦輪轉(zhuǎn)動時，隻有(yǒu)垂直葉片(piàn)方向的力(lì)對驅動力(lì)矩有貢獻(xian)，因此隻考(kao)慮垂直葉(yè)片方向的(de)驅動力ｆ。

 式(shi)中，ｆＨｚ爲轉動(dong)頻率；Ｑ爲流(liú)量。
2、渦輪流(liu)量計流場(chǎng)分布特性(xing)仿真分析(xī)：
　　Workbench是ANSYS公司開(kāi)發的協同(tong)仿真環境(jing)，大大簡化(hua)了仿真過(guò)程🏒中各模(mó)塊間的交(jiāo)互操作。通(tong)過幾何建(jiàn)模、網格劃(hua)分、計算求(qiu)解、後處理(lǐ)等過程，可(kě)以比較準(zhun)确地仿真(zhēn)複雜機械(xiè)模型的各(ge)個物理參(cān)🔴數的場分(fen)布［3］。
　　根據實(shi)際情況采(cai)用了二維(wei)計算，并将(jiang)計算域劃(huà)分爲2個部(bu)分💚：葉輪轉(zhuǎn)動部分和(he)入口出口(kou)部分（見圖(tu)3）。
　　在圖3中葉(yè)輪部分和(he)入口出口(kǒu)部分均采(cai)用四邊形(xíng)👌網格，網格(ge)數各約2萬(wan)，整個計算(suàn)域網格數(shu)爲4萬。入口(kou)出口🚩部分(fèn)爲靜止網(wang)格采用參(cān)考系，葉輪(lun)部分爲動(dòng)網格，繞圓(yuán)心轉動，同(tong)時🍉采用相(xiàng)對參考系(xi)，參考系轉(zhuǎn)動速度與(yu)🌐網格轉速(su)相同。

　　渦輪(lun)流量計仿(páng)真模型見(jian)圖4。圖4中右(yòu)側入口和(hé)左側🧡出口(kou)均寬20ｍｍ，在計(jì)算中分别(bié)設置爲速(sù)度入口和(he)速度出口(kǒu)，轉動部分(fen)直徑（圖4中(zhōng)😍Ｄ1）爲18ｍｍ，葉片頂(ding)端半徑爲(wei)8.5ｍｍ，轉動腔上(shàng)半部分直(zhí)徑（Ｄ3）爲20ｍｍ，轉動(dong)腔下半部(bu)分直徑（Ｄ2）爲(wèi)19ｍｍ，轉動腔入(ru)口出口寬(kuān)度均爲4ｍｍ。

　　圖(tu)5、圖6中速度(dù)入口分别(bie)爲0.08m3/d及1m3/d。如圖(tu)5所示，當流(liu)速較低🈲時(shí)♍，流體在🙇🏻切(qiē)向渦輪内(nei)可以近似(si)看成繞角(jiǎo)流動，此時(shi)腔體内葉(yè)片🌈壓強對(duì)稱分布，基(ji)本上不産(chan)生壓差，無(wú)法驅動渦(wō)輪🐅葉片轉(zhuǎn)動；随着流(liu)速增大，流(liu)體在流入(rù)靠近入口(kou)的腔體時(shí)，在腔體🔞内(nèi)産生旋🔱渦(wo)，旋渦的運(yun)動導緻葉(ye)片壁面壓(ya)強分布不(bú)均勻，從而(er)産生驅動(dòng)矩，如圖6所(suo)💜示。可以看(kan)出對驅動(dong)力矩有貢(gong)獻的是靠(kào)近入口的(de)腔體，其他(tā)腔😍體基本(ben)上不産生(sheng)壓差。

　　爲了(le)驗證仿真(zhēn)的準确性(xing)，通過室内(nei)實驗對其(qí)驗證。切♌向(xiàng)渦輪采🚶用(yòng)可視化研(yan)究平台，整(zheng)個渦輪的(de)結構都采(cǎi)用亞克力(lì)🔞闆雕刻組(zu)裝而成。如(rú)圖7所示，水(shui)箱主要提(tí)供穩定水(shuǐ)壓，水平切(qiē)向渦輪做(zuò)成🔞開口系(xì)統并放置(zhi)在實驗支(zhī)撐架上，前(qián)置閥門可(ke)控制水流(liu)，在需要更(geng)換切向渦(wo)輪的零件(jian)時可關閉(bì)，控制閥門(mén)主要♈是控(kòng)制流經切(qie)向渦輪的(de)流量，流量(liàng)測量仍采(cǎi)用傳💃統可(kě)靠的🤞容積(jī)時間法。實(shi)🈲驗時以染(rǎn)色劑作爲(wei)示蹤劑，以(yǐ)觀察流場(chang)的分布情(qíng)況。


　　如圖8所(suo)示，記錄的(de)是未啓動(dong)時切向渦(wō)輪内的流(liú)場，水從圖(tú)8左側流入(ru)渦輪，從右(yòu)側流出，實(shí)驗時水的(de)流速很低(dī)（0.05m3/d），腔體1中的(de)流動可🧡近(jìn)似看作不(bu)可壓縮無(wu)旋繞角流(liu)動，此時流(liú)體在腔體(tǐ)1中的速度(du)❤️可看成對(dui)稱分布，由(yóu)伯努利方(fāng)程算得的(de)壓強也是(shì)對🐇稱分布(bù)，此時2個壁(bì)面幾乎沒(mei)有壓強差(chà)，所以渦輪(lún)未啓動。
　　圖(tú)9記錄的是(shi)切向渦輪(lun)正常轉動(dong)時的流場(chang)，圖9中水從(cóng)左向🙇‍♀️右🙇🏻流(liu)動，實驗時(shí)水速較快(kuài)（1m3/d），渦輪葉片(pian)順時針轉(zhuǎn)動。水速變(biàn)大後，擾動(dong)變大，不再(zai)是無旋繞(rao)角流動，腔(qiang)體1中流體(tǐ)形成一個(ge)運動的旋(xuan)渦，導🤞緻腔(qiāng)内壓強分(fen)布不再對(dui)稱，産生壓(ya)差，緻使渦(wō)輪葉片⭐轉(zhuan)動，旋渦🐅在(zai)随葉片運(yun)動到腔體(tǐ)2中時逐漸(jiàn)耗散消失(shī)。數值仿真(zhēn)的計算結(jie)果📐與物理(lǐ)實驗的結(jié)果基本一(yi)緻👌。

3、切向渦(wo)輪在單相(xiàng)流體中響(xiǎng)應特性：
　　爲(wèi)了驗證切(qie)向渦輪在(zài)單相流體(ti)中的響應(yīng)情況，在全(quan)集✔️流條件(jiàn)💚下對其在(zai)單相水及(jí)單相油介(jie)質中響🈲應(ying)規律進行(hang)了研究。對(duì)于單相水(shui)的渦輪響(xiang)應情況，進(jin)行了在0～6m3/d流(liu)速範圍内(nei)的渦輪💘響(xiǎng)應實驗，測(cè)得單相🐉水(shui)介質中渦(wō)輪的啓動(dong)排量爲0.081m3/d，渦(wō)輪響應情(qing)況見圖10。經(jīng)過拟合後(hou)的響應關(guan)系爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采用(yòng)同樣的方(fāng)法，對單相(xiang)油條件下(xia)渦輪響應(yīng)規律進行(hang)🌈研究（見圖(tú)11），測得單相(xiàng)油的啓動(dòng)排量爲0.08m3/d。對(duì)單相油的(de)實驗結果(guo)進行拟合(hé)⭐，可得單相(xiang)油的響應(ying)曲線爲ω＝6.73Ｑ－6.72。與(yǔ)水對比而(er)言，油的拟(ni)合曲線斜(xié)率💋更大，即(ji)随着流量(liang)增加轉速(su)增加得略(luè)快。
　　爲了深(shen)入分析渦(wō)輪流量計(ji)在單相低(dī)流量條件(jian)下的響應(ying)特點，将流(liú)量作爲橫(héng)坐标，儀表(biǎo)Ｋ值即轉速(su)／流👄量作💚爲(wèi)縱坐标，繪(huì)制單相水(shui)（見圖12）和單(dān)相油（見圖(tú)13）的渦輪流(liú)量計特性(xing)曲線。

　　爲了(le)深入分析(xī)切向渦輪(lun)流量計在(zai)單相低流(liu)量條♋件♍下(xià)的響應特(tè)點，将流量(liàng)作爲橫坐(zuo)标，儀表K值(zhí)即轉速／流(liu)量作爲縱(zòng)❓坐标，繪制(zhi)✔️單相水（見(jian)圖12）和單相(xiàng)油（見圖13）的(de)切✏️向渦輪(lun)🏃流量計特(te)性曲線。


　　可(ke)以看出，渦(wō)輪啓動後(hòu)首先進入(rù)一個非線(xian)性段，在非(fei)線性相應(ying)段，Ｋ值随着(zhe)流量增加(jia)而增大；當(dang)流量比較(jiào)大㊙️（單相水(shuǐ)超過0.5m3/d，單相(xiàng)油超過1m3/d）時(shi)，渦輪進入(ru)線性段😄，在(zai)線性響應(ying)段，Ｋ值達到(dao)🔞峰值，有相(xiàng)對較小的(de)波動。
4、結論(lùn)：
（1）數值仿真(zhen)結果與物(wù)理實驗結(jié)果基本一(yi)緻，當流速(su)低✂️于啓🌈動(dong)㊙️排量，渦輪(lún)未啓動時(shi)，流體沿葉(ye)片做繞角(jiao)運動⭐，葉片(pian)兩側壓力(li)相等，葉片(pian)不轉動；當(dang)流速高于(yu)啓動排🌐量(liàng)，渦輪轉動(dòng)時，流體在(zai)腔内産🌐生(sheng)旋渦，造成(chéng)葉片兩邊(biān)壓差，從而(er)造成葉片(pian)⭐轉動。
（2）渦輪(lún)流量計在(zài)純水與純(chun)油介質中(zhong)，啓動排量(liang)分别爲🐇0.081m3/d與(yǔ)0.08m3/d，均遠遠低(di)于普通螺(luó)旋式渦輪(lun)流量計0.5m3/d的(de)啓動排量(liàng)，在低流量(liang)測量🤟具有(you)🈲良好的前(qian)景。
（3）渦輪流(liú)量計在未(wèi)達到穩定(ding)轉動前，Ｋ值(zhi)不斷增大(da)，穩定轉動(dòng)後🤟 K值⚽趨于(yu)一條直線(xian)，具有良好(hǎo)的線性關(guan)系。

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