[摘要] 渦輪流量(liàng)計 性能會随着(zhe)被測流體粘度(dù)的增大而變差(chà)，爲了降低介質(zhì)粘度對渦輪性(xing)能的影響，采用(yòng)計算流體力學(xué)CFD)仿真的☔方法，通(tong)過🏃‍♂️适當地增大(da)頂端間隙，實現(xiàn)了對液體渦輪(lún)流量計 參數的(de)定量優化，并從(cóng)葉輪尾部流場(chǎng)、葉片表面壓力(lì)場及葉輪🚶‍♀️受力(li)情況等方面分(fèn)析了不同的葉(yè)輪頂端問隙對(dui)葉✏️輪性能産生(shēng)影響的機理。
　　液(yè)體渦輪流量計(ji)具有測量精度(dù)高、量程寬、壓損(sun)小、輸出脈沖信(xìn)号、重複性和動(dòng)态響應好等多(duō)種優點。在用于(yu)低粘度🏒液體流(liu)量測量時，在相(xiàng)當寬的流量範(fàn)圍内，其測量精(jing)度可達0.5%~0.15%，重複性(xìng)可達0.1%~0.05%。缺點在于(yu)儀表系數受被(bei)測流體💰粘度變(biàn)化的影響較大(da)。一般來說，粘度(du)變化對線性.特(tè)性的影響随着(zhe)流量計口徑的(de)減小而增大。目(mù)前，國.内渦輪流(liu)量計出廠時，一(yī)般都是用水或(huò)粘度比較低🐆的(de)柴油進👉行檢定(dìng)，但很多❓使用者(zhe)卻用其來測量(liang)液壓油、潤滑油(yóu)等中粘度甚至(zhì)高粘度液體的(de)流量。這就迫切(qiē)要求提高渦輪(lun)流量計在測量(liàng)粘性介質時的(de)精度。
　　通過改變(biàn)葉輪葉片頂端(duān)間隙來實現渦(wō)輪的優化在🔞.以(yǐ)往的文🈲獻口.四(sì)中已有出現，但(dan)如何進行定量(liàng)㊙️的優化及改變(bian)頂端間隙會對(dui)渦輪的性能造(zào)成多大的影響(xiǎng)等，卻仍需作進(jìn)一步的研究。
　　通(tong)過對不同葉輪(lún)頂隙的渦輪流(liu)量計進行計算(suàn)流👌體力學💃🏻CFD)仿真(zhēn)四，當流體粘度(du)爲9.1cSt時，渦輪的線(xiàn)性度誤✉️差由0.987%減(jian)小至0.014%;當流體粘(zhan)度🐉爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差由(yóu)5.568%減小至3.693%。
1渦輪流(liu)量計CFD仿真方法(fǎ)
1.1三維仿真模型(xíng)建立
　　以DN10渦輪流(liú)量傳感器爲例(li)進行研究，按照(zhào)實驗所用渦輪(lún)流量傳感器的(de)幾何結構參數(shù)建立仿真模型(xíng)⚽，如圖1所示。在渦(wo)☎️輪前後分别增(zēng)加10D的直管段以(yǐ)模拟實流實驗(yàn)中的流動狀态(tài)。

1.2網格劃分
　　對(duì)模型的網格劃(hua)分是仿真的關(guān)鍵。網格質量直(zhí)接影響仿真的(de)求解過程和結(jie)果，若所劃網格(gé)質量太差，在🐆後(hòu)續的仿真過程(cheng)中會産生很多(duō)問題，減小收斂(liǎn)速度，影響求解(jiě)結果的準确性(xìng)。在既保證網格(gé)質量又控制網(wǎng)格數量☔的條件(jian)下，對網格進行(háng)如下的劃分。
　　葉(yè)輪處結構較爲(wèi)複雜，所以在網(wang)格劃分時采用(yong)四面體網格，其(qí)intervalsize爲0.12。在葉輪兩側(cè)定義了interface面，以聯(lián)接葉輪轉動區(qu)域和其它靜止(zhi)區城。網格質量(liang)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小于(yú)0.82.
1.3參數設定
　　選取(qǔ)SSTk-w湍流模型，對流(liu)體特性及邊界(jiè)條件等都嚴格(ge)按照💰實流實驗(yan)進行設置，并采(cǎi)用多參考坐标(biāo)系的方法解決(jué)轉動的流💯體區(qū)域流場變化問(wèn)題。通過監測葉(yè)輪及輪毂🔅的力(lì)矩，并根據驅動(dòng)力矩與阻力.矩(ju)❤️的差值對葉輪(lun)轉速大小進行(hang)調節，當力🤟矩系(xì)數Cm值🌂達到10-9時，認(ren)爲葉輪所受力(li)矩達到平衡，則(ze)此時的葉輪轉(zhuǎn)速即爲合适的(de)轉速。.
2葉輪頂端(duān)間隙影響的仿(pang)真
2.1頂端間隙影(yǐng)響的理論依據(jù)
　　當流體在管道(dao)内部流動時，渦(wō)輪流量計同時(shí)受到驅動力矩(jǔ)✍️及阻力矩的作(zuò)用。其中阻力矩(jǔ)主要包括粘性(xing)摩擦阻力矩、機(jī)🙇🏻械摩擦阻力矩(jǔ)和磁阻力矩等(děng)。而在測量粘性(xing)流體時機械摩(mo)擦阻力矩和磁(cí)阻力矩可以忽(hu)略不計。葉片邊(biān)緣與殼體内壁(bì)之間充滿👄了流(liu)體，因此☂️這一形(xíng)式的摩擦阻力(li)實際上是由流(liu)📞體與固體壁面(mian)之間由于存在(zai)着相對運動而(ér)引起的粘性摩(mo)💁擦阻力。但是由(yóu)于其間隙相當(dang)小，因此流體在(zai)這一狹小間隙(xi)中的流動始終(zhōng)認爲是處在層(ceng)流流動狀🧑🏾‍🤝‍🧑🏼态，從(cong)而可直接應用(yong)㊙️納維埃一斯托(tuo)克斯㊙️方程對流(liú)場求解。

　　式中:T1爲(wèi)葉片頂端與傳(chuan)感器外殼内壁(bì)之間的粘性摩(mó)🍉擦阻力矩，n·m;r,爲葉(ye)片頂端處半徑(jìng)，m;r。爲流量計殼體(tǐ)内壁半徑，m;C爲😍葉(yè)片寬，m;ρ爲流體密(mi)度，kg/m';v爲流體運動(dòng)粘度，m2/s;0爲葉輪旋(xuan)📞轉角速🈲度，rad/s。由(1)式(shi)可以看出，通過(guo)減小r,即葉片頂(dǐng)端處半徑可以(yǐ)減小粘性摩擦(ca)阻力矩📱。
　　雖然葉(yè)片頂端間隙的(de)增大可以減小(xiǎo)T1的數值，增加葉(ye)輪轉🏃🏻速，降低渦(wo)輪對流體粘性(xing)的敏感程度，但(dan)是💔由于随着頂(dǐng)隙的增㊙️大，漏🤟流(liú)也增大，這會給(gei)測量的精度帶(dai)來影響，因此要(yào)兼顧兩者以達(da)到平衡。
2.2仿真數(shù)據
通常采用葉(ye)片頂端間隙與(yu)管道半徑之比(bǐ)δ對頂端間隙進(jìn)行㊙️無量綱化

　　選(xuǎn)擇了運動粘度(dù)分别爲9.1cSt、31.6eSt的柴油(yóu)-機油混合液，對(dui)不同頂端間隙(xì)🌏的渦輪流量計(ji)進行仿真，仿真(zhen)結果如🌏表1所示(shi)。從表中⭐數據可(kě)以⚽看出，渦輪流(liu)量計在測量時(shi)，一般在小流量(liang)點處的儀表系(xì)數會🈲小于大流(liú)量⭐點處的儀表(biao)系數，這是造成(chéng)線🎯性度誤差的(de)原因。對📧于相同(tóng)粘度的流體，在(zai)相同流速時，随(sui)💁着頂端間隙的(de)增大,渦輪流量(liàng)計的旋轉角速(su)度增大，相應的(de)儀表系數也❓增(zēng)大。而渦輪流👄量(liàng)計在測✔️量粘性(xìng)流體時㊙️主要受(shòu)影響的是在小(xiǎo)流量點，頂端間(jiān)🚩隙增大後，渦🏃🏻輪(lun)在小流量點處(chù)的儀🏃🏻表系數⭕相(xiàng)對于大流量點(dian)得到了更大的(de)提高,故減小了(le)線性度誤差。即(ji)對于同一介質(zhì)粘度，渦輪流量(liang)計的儀表系數(shù)受流量變化💁的(de)影響在減小。

3頂(dǐng)端間隙影響的(de)機理分析
　　通過(guò)分析渦輪流量(liàng)傳感器内部的(de)速度場和壓力(lì)場變化以及葉(ye)片受力情況等(deng)，可以理解在測(cè)量粘性流體時(shi)頂端💋間隙變化(hua)對流量傳感器(qì)特性産生影響(xiǎng)的流體力學機(jī)理。
3.1速度場分析(xi)
　　圖2爲渦輪葉片(piàn)尾部流體速度(dù)矢量圖，灰色部(bu)分爲葉片。可⭐以(yi)看出在葉片的(de)尾部，流體出現(xiàn)了流動分離。靠(kào)近葉輪的👅流體(ti)，其速度可以認(ren)爲與葉輪的轉(zhuan)速相同，葉輪的(de)轉速越慢，其尾(wěi)部的低流速區(qu)越大❗。

　　比較圖3(a)和(he)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可以(yi)看出當流體粘(zhan)度一定時，流量(liang)越大😍，葉輪的尾(wei)部低流速區越(yue)小。當頂端間隙(xi)由0.2mm增加:至0.5mm時，對(duì)于相🙇🏻同粘度的(de)流體和相同的(de)流量點，葉輪尾(wěi)部低流速區變(bian)小，表明葉輪旋(xuán)轉角速度增大(da)，即儀表系數變(biàn)大。但在小流量(liàng)點處，低流速區(qū)👨‍❤️‍👨的相對變化較(jiao)之于大流量點(diǎn)處要大🏃‍♂️，即小流(liú)量點♍處葉輪轉(zhuan)速的相對變化(hua)比大🔆流量點處(chù)要大❗，則儀表系(xì)數的增加值🔴相(xiàng)對也大，故渦輪(lun)的線性度誤差(cha)減小。

3.2壓力場分(fèn)析
　　比較圖5(a)和圖(tú)5(b)、圖6中的圖6(a)和圖(tu)6(b)，可以看出，對于(yú)相同粘度的流(liú)體🌍，随着流量的(de)增大，高壓區的(de)面積變大，且向(xiang)葉片的尾部和(he)頂端移動，緻使(shi)葉片所受驅動(dong)力矩增加，葉輪(lún)旋轉角速度增(zēng)大。對于相同粘(zhān)度的流體在相(xiàng)同🙇🏻的流量點🏃‍♀️處(chu)，頂端間隙由0.2mm增(zēng)大至0.5mm時，比較🈲圖(tu)5和圖6可以看出(chū)，葉片表面的高(gao)壓區面積變大(dà)，且向葉片的尾(wěi)部和頂端移動(dong)，緻🔴使葉輪所受(shòu)驅⛹🏻‍♀️動力矩增加(jia)，而由圖7和圖8可(ke)以看出葉片尾(wěi)部的低壓區面(mian)積變小，葉輪旋(xuan)轉的阻力減小(xiǎo)，則旋轉的角速(su)度增大，即儀表(biǎo)系數增大。

　　由3)式(shì)可以看出，當其(qi)它條件一定時(shí)，對于.确定的葉(yè)🌏輪轉速，葉輪受(shou)到的粘性阻力(lì)矩也是一定的(de)。那麽，反過來亦(yì)可以通過粘性(xing)阻力矩來判斷(duan)葉輪轉速的大(dà)小。
利用Fluent中的Report可(kě)以得到渦輪流(liú)量計所受的壓(yā)力力矩✨和粘🔴性(xìng)阻力矩，如表2所(suo)示。

　　比較表格(gé)中的數據可以(yǐ)得出，對于具有(you)相同粘度的😘流(liu)體和相同的流(liu)量點，當渦輪的(de)頂端間隙增大(dà)💛時，葉輪所受到(dào)🌏的粘性阻🔞力矩(jǔ)變小，這直接導(dao)緻了渦輪的轉(zhuan)速增大即儀表(biǎo)系數增大。在🌈小(xiǎo)流量點，粘性阻(zǔ)力矩相對減小(xiǎo)了16.64%，在大流🌈量點(dian)，粘性♊阻力矩相(xiang)對減小了13.79%，這樣(yàng)渦輪轉速在小(xiao)流量點處相對(duì)增加較爲顯著(zhe)，故📧渦輪的線性(xìng)度誤📐差得到了(le)降低。
4結論
　　對具(ju)有不同頂端間(jiān)隙的液體渦輪(lun)流量計進行CFD仿(páng)真分析，當流體(tǐ)粘度爲9.leSt時，渦輪(lun)的線性度誤差(chà)由.0.987%減小至0.014%;當流(liú)體粘度爲31.6cSt時，渦(wo)輪的線性度誤(wù)差由5.568%減小💰至3.693%。通(tong)過分析渦輪的(de)内部流場及葉(yè)輪受力情況，可(ke)以得出以下
結(jie)論:
(1)适當增大葉(yè)輪的頂端間隙(xì)，流體粘度和流(liú)量一定時，葉輪(lun)尾部低流速區(qū)減小，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大，即(ji)儀表系數變大(dà)。而小流量點處(chu)的低流速區相(xiàng)對變化較之于(yú)大流量點處要(yao)大，即小流♈量點(dian)處葉輪轉速的(de)相對變化比大(dà)流量點處要大(da)，則儀表系數📐的(de)增加值相對也(ye)大，故渦🈚輪的線(xiàn)性度誤差減小(xiao)。
(2)對于相同粘度(dù)的流體，在相同(tong)的流量點，渦輪(lún)的頂端間隙💰适(shi)當增加時，葉片(pian)尾部的低壓區(qū)面積變小，葉片(piàn)✌️表面的高壓區(qū)向葉片的尾部(bù)和頂端移動且(qiě)面積變大，緻使(shi)葉輪所受驅動(dòng)力矩增加，旋轉(zhuan)的角❄️速度增大(da)，儀表系數增大(dà)。
(3)對于相同粘度(du)的流體和相同(tóng)的流量點，葉輪(lun)所受到👉的粘🌈性(xing)阻力矩随着葉(yè)輪頂端間隙增(zēng)大而變小，則葉(yè)☔輪的轉速🥰增大(da)，液體渦輪流量(liàng)計系數增大。在(zài)小流量點，粘性(xìng)阻力矩相對減(jiǎn)小值較🏃‍♀️大流量(liang)點處更爲顯著(zhe)，即儀表系數相(xiàng)對增加值更大(da)，故渦輪的線性(xìng)度誤差⛷️得到了(le)降低🌈。

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