摘(zhai)要：根據(ju)已有的(de)DN25旋進旋(xuan)渦流量(liang)計的結(jié)構參數(shù)，設計了(le)🐆DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(jì) ，而後借(jie)助ANSYSFluent流體(tǐ)仿真對(duì)DN20小型旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(jì)進行了(le)結構💯與(yǔ)流場關(guān)系的研(yán)究。通過(guò)正交試(shi)驗，獲得(de)了DN20小型(xíng)流量計(ji)不同結(jié)✉️構的内(nèi)部流場(chǎng)及其信(xin)息，分析(xi)了流量(liàng)計工作(zuò)範圍内(nèi)旋渦規(guī)律和流(liu)量之間(jian)的關系(xi)；進一步(bu)更換不(bu)同測量(liàng)橫截面(miàn)，查看壓(yā)力場及(jí)其變化(hua)規律，與(yu)♈原結構(gou)方案的(de)測量截(jié)面👈進行(háng)比較，選(xuǎn)♻️定最優(yōu)測量🛀截(jie)面與測(ce)量點，爲(wèi)🔴DN20流量計(ji)産品研(yan)😄發提供(gong)了理論(lùn)依據。
0引(yǐn)言
　　旋進(jìn)旋渦流(liu)量計是(shì)根據旋(xuan)渦進動(dong)現象設(she)計的一(yi)種♍流體(tǐ)振蕩式(shì)流量計(jì)，具有流(liu)量範圍(wéi)寬、無可(ke)動部件(jiàn)、不易腐(fǔ)🌈蝕、可靠(kao)性高、安(an)裝使用(yòng)方便、直(zhi)管段要(yào)求短等(deng)優⭐點，适(shì)用于石(shí)油、蒸汽(qì)、天然氣(qì)、水等多(duō)種介質(zhi)的流量(liàng)測量[1]。20世(shi)紀70年代(dai)，對旋進(jìn)旋渦流(liu)量計性(xìng)能進行(hang)了比較(jiào)全面的(de)實驗研(yan)究，驗證(zheng)了此📱流(liú)量計線(xian)性輸出(chu)特性，同(tong)時發現(xiàn)此流量(liàng)計不易(yi)受介質(zhì)粘度和(he)密度影(yǐng)響💛，指出(chū)旋✂️進旋(xuan)渦流量(liàng)計在🍓高(gao)壓氣體(ti)測量方(fāng)🈚面的商(shāng)業應用(yong)前景。對(dui)旋進旋(xuán)渦流量(liang)計做了(le)實際工(gong)況下的(de)儀表特(tè)征測試(shì)，探索該(gāi)流量計(ji)在計量(liàng)✉️領域應(yīng)用的可(ke)行性。
　　對(dui)于旋進(jìn)旋渦流(liú)量計内(nèi)部流動(dòng)特性及(jí)流量計(ji)改進⭕方(fang)面，科⛱️研(yán)人員也(yě)進行了(le)一定的(de)探索，彭(péng)傑剛等(děng)人[4]對旋(xuan)進旋渦(wo)流量計(jì)内部流(liu)場進行(háng)了數值(zhí)模拟分(fèn)析，研究(jiū)了旋渦(wo)流量計(ji)内部流(liu)場的演(yǎn)變情況(kuàng)，分析了(le)流場幹(gàn)擾對旋(xuán)👉進旋渦(wo)流量計(ji)流場進(jin)動效應(yīng)的影響(xiang)。何馨雨(yu)等人[5]對(duì)旋進旋(xuan)渦内部(bu)📞流場進(jin)行了♊數(shù)值模拟(ni)分析，獲(huo)得了比(bǐ)較全面(miàn)的流場(chang)信息，對(duì)這種流(liu)量計的(de)内部✍️流(liu)動特性(xing)有了更(geng)加深入(ru)的理解(jie)。

　　目前(qián)，針對旋(xuán)進旋渦(wo)流量計(jì)，特别是(shì)小型和(hé)微型流(liú)👄量計還(hai)存在🌈流(liu)量計低(di)流量工(gong)況條件(jian)下測量(liàng)不準确(que)、過🈲程不(bú)穩定的(de)問題，開(kai)發小型(xing)流量計(jì)，相較于(yú)普通流(liu)量計需(xū)要在結(jie)構上做(zuò)出改進(jin)和優化(hua)。比如，可(ke)采用導(dao)流🛀片來(lái)降低壓(ya)損，提高(gāo)流量計(ji)的性能(néng)。本文☎️着(zhe)重考慮(lǜ)對✊小型(xíng)旋進旋(xuán)💘渦流量(liàng)計的🐪起(qi)旋角、收(shou)縮角和(he)收縮比(bi)進行優(yōu)化研究(jiū)，從而爲(wei)進一步(bù)開發和(he)定型小(xiao)型流量(liang)計提供(gòng)理論上(shang)的支持(chí)。
1旋進旋(xuán)渦流量(liang)計工作(zuo)原理[6]
　　旋(xuán)進旋渦(wo)流量計(ji) 主要由(you)起旋器(qì)、文丘裏(li)管、消旋(xuan)器和檢(jiǎn)測傳感(gǎn)器組成(cheng)🌍，其結構(gou)🔞原理如(ru)圖1所示(shi)。
　　旋進旋(xuán)渦流量(liàng)計是基(ji)于旋渦(wo)進動現(xiàn)象工作(zuo)的。流體(ti)流入旋(xuán)進旋渦(wō)流量計(ji)後，首先(xian)通過一(yī)組由固(gu)定螺旋(xuán)形葉💃🏻片(pian)組成的(de)起旋💋器(qi)後被強(qiang)制旋轉(zhuǎn)，使流體(ti)🈲形成旋(xuan)㊙️渦，旋渦(wō)中心爲(wei)“渦核”是(shi)🎯流體旋(xuán)轉運動(dong)速度很(hěn)高的區(qū)域，其外(wài)圍是環(huan)流。流🚶‍♀️體(tǐ)流經收(shou)縮段時(shí)旋🤟渦加(jiā)速，沿流(liú)動方向(xiang)渦核與(yǔ)流量計(jì)的軸線(xiàn)相一緻(zhì)👄。當進入(rù)擴大✏️段(duàn)後，旋渦(wo)急劇減(jian)速，壓力(li)上升，中(zhong)心區域(yu)的壓力(li)比周圍(wei)壓力低(dī)，于是産(chǎn)生了局(ju)部回流(liu)；在回流(liu)作用下(xià)，渦核開(kāi)始像剛(gāng)體一樣(yàng)圍繞中(zhōng)心軸在(zài)擴張段(duan)壁面做(zuo)螺旋進(jin)動。其進(jin)動頻率(lǜ)與流體(tǐ)☎️的流📧速(sù)成正比(bǐ)。因此，測(cè)得旋進(jin)旋渦的(de)頻率即(jí)🌐能反映(ying)流☔速和(hé)體積流(liu)量的大(dà)小。
2模型(xing)建立與(yu)計算
2.1仿(páng)真模型(xing)的建立(lì)
　　根據現(xian)有的實(shí)物模型(xing)使用NX建(jian)立仿真(zhēn)模型，根(gēn)據測⛹🏻‍♀️繪(hui)得出DN25旋(xuan)進漩渦(wo)流量計(ji)重要尺(chǐ)寸：進出(chū)口直徑(jìng)爲25mm，收縮(suō)比爲1.25，收(shōu)縮段夾(jia)角爲🔴12°，起(qi)旋器葉(ye)片夾角(jiao)爲42°，擴張(zhang)段夾角(jiǎo)爲60°，建立(lì)如圖2所(suo)示三維(wéi)模型。

　　再(zai)根據實(shi)物參數(shù)建立好(hao)的DN25旋進(jìn)旋渦流(liú)量計模(mo)型的基(jī)礎上進(jìn)行修改(gǎi)，得到DN20小(xiao)型旋進(jìn)旋渦流(liú)量計模(mó)🏃🏻‍♂️型。DN20旋進(jìn)旋渦流(liu)量計具(ju)體♌結構(gou)尺寸數(shu)據如下(xià)：進出口(kǒu)直徑爲(wèi)φ20mm，收縮段(duàn)夾角爲(wei)12°，起旋器(qi)葉片入(rù)射角爲(wèi)42°，收縮比(bǐ)爲1.25（喉部(bù)直徑爲(wei)φ16mm），擴張段(duan)夾🌈角爲(wei)60°，結構尺(chi)寸如圖(tú)3所示。

2.2流(liú)體力學(xué)控制方(fāng)程和湍(tuān)流模型(xíng)
　　旋進旋(xuán)渦流量(liang)計的流(liú)體動力(li)特性，可(kě)以用流(liu)體力學(xué)基本方(fang)程進行(hang)描述。
　　連(lián)續性方(fāng)程和動(dòng)量方程(cheng)：

式（1）、式（2）中(zhōng)：p——靜壓；ui——流(liu)動速度(dù)；f——質量力(li)；τij——應力質(zhi)量。

　　流量(liang)計内部(bu)爲湍流(liu)流動，需(xū)引入湍(tuān)流模型(xíng)，标準的(de)😄K-Epsilon湍😘流模(mó)型用💋于(yú)強旋流(liú)或帶有(you)彎曲壁(bi)面的流(liu)動時，會(hui)出現一(yī)⭕定的失(shī)真，因此(cǐ)本文選(xuan)用RNGk-?湍流(liú)模型。湍(tuan)流模型(xíng)和相關(guan)方☔程在(zai)文獻[5]中(zhong)有詳細(xì)說明。
3K值(zhí)系數的(de)确定
3.1不(bú)同流量(liàng)下的K值(zhi)系數
　　DN20小(xiao)型旋進(jin)旋渦流(liu)量計的(de)範圍爲(wei)2.5m3/h～25m3/h，分别選(xuǎn)擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuò)爲🌐仿真(zhēn)計算的(de)進出口(kǒu)流量，出(chu)口的相(xiàng)對壓力(lì)設爲0Pa，壁(bi)面爲無(wú)滑移邊(biān)界。先💯常(chang)定計算(suàn)，然後在(zài)常定計(jì)算的基(ji)礎上進(jìn)行非常(chang)定計算(suan)。
　　選取上(shàng)述4組仿(pang)真的同(tóng)一截面(miàn)的同選(xuǎn)定一測(ce)量點，分(fen)别計💃算(suàn)點🐇的壓(ya)力變化(huà)頻率與(yǔ)壓差，從(cóng)而判斷(duàn)不同流(liú)量下DN20小(xiǎo)型旋進(jìn)旋渦流(liú)量計的(de)性能優(yōu)劣。
　　截面(miàn)取喉部(bu)（擴張段(duàn)前截面(miàn)處），截面(mian)上節點(diǎn)位置距(ju)離壁面(mian)3mm，具體位(wei)置如圖(tú)4所示。不(bu)同流量(liàng)下的節(jie)點的壓(yā)力變化(hua)雲圖如(rú)圖5所示(shi)。

　　根據圖(tu)5數據，整(zheng)理可得(de)到以下(xià)數據：流(liu)量爲25m3/h時(shí)，0.002s内壓力(li)變化約(yue)爲3.9次，頻(pin)率爲1950Hz，換(huàn)算得K此(cǐ)時K系數(shu)約爲281000；流(liu)量爲12.5m3/h時(shi)，0.005s内壓力(lì)變化約(yuē)⛱️爲4.5次，頻(pín)率爲900Hz，換(huàn)算得K此(ci)時K系數(shù)☁️約爲259366；流(liú)量爲5m3/h時(shí)，0.02s内壓力(li)變化約(yuē)爲6.5次，頻(pin)率爲325Hz，換(huàn)算得K此(cǐ)時K系數(shu)約爲233981；流(liú)量爲2.5m3/h時(shí)，0.1s内壓力(li)變化約(yuē)爲17次，頻(pín)率爲170Hz，換(huàn)算得K此(cǐ)時K系數(shù)約爲244957。
　　根(gen)據上述(shu)數據整(zheng)理可得(dé)：平均K系(xi)數值約(yue)爲254825。
　　以上(shang)數據存(cun)在以下(xia)問題：當(dāng)測量低(dī)流量（2.5m3/h）時(shi)，出現壓(yā)差減小(xiao)，壓力變(biàn)化的範(fan)圍不大(dà)，渦核轉(zhuǎn)動幅度(dù)減小，脈(mo)動效應(ying)不明顯(xian)，不利于(yú)✉️傳感器(qì)的測量(liang)。針對此(ci)問題，本(ben)文對DN20小(xiǎo)型旋進(jìn)旋渦流(liú)量計進(jìn)行結構(gòu)優化，以(yǐ)提高流(liú)量計在(zài)測量低(di)流量時(shí)的測量(liang)精👅度。
3.2針(zhen)對小流(liú)量測量(liang)的結構(gou)優化
　　參(cān)考相關(guān)論文[7]，影(yǐng)響流量(liàng)計儀表(biǎo)精度與(yǔ)最小測(cè)量流量(liàng)的3個相(xiàng)⛹🏻‍♀️關因素(sù)爲：收縮(suo)段角度(du)、起旋器(qi)入射角(jiǎo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和喉部(bù)直徑（收(shōu)縮比）。
　　仿(pang)真實驗(yan)選用三(sān)因素三(sān)水平正(zhèng)交實驗(yàn)，三因素(su)分别爲(wèi)：起旋🈲角(jiǎo)、收縮角(jiao)和收縮(suo)比。起旋(xuan)角對應(yīng)的三水(shui)平爲40/42/45，收(shou)縮比對(duì)👨‍❤️‍👨應的三(san)水平爲(wèi)（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角(jiao)對應的(de)三水平(ping)爲13/12/15。綜合(he)考慮所(suǒ)有的因(yīn)素要實(shí)驗27次，而(er)正交實(shi)驗隻要(yao)選取9組(zǔ)關鍵實(shí)驗，表1爲(wèi)正交實(shí)驗表✨。

　　依(yī)照三因(yīn)素三水(shuǐ)平正交(jiao)實驗表(biao)，按順序(xù)進行正(zhèng)交㊙️實驗(yàn)，得到不(bú)💛同情況(kuang)下的相(xiang)同時刻(kè)的截面(mian)壓力雲(yun)🏃‍♀️圖如圖(tú)6所示，截(jié)面壓力(li)的變化(huà)圖如圖(tu)7所示。圖(tu)片按實(shí)驗序号(hào)一一對(dui)應。、


　　由正(zheng)交實驗(yan)所得到(dào)的數據(jù)可知，模(mó)型六與(yǔ)模型九(jiu)🤟在低♊流(liu)量的情(qíng)況下仿(pang)真，壓力(lì)變化明(míng)顯，壓力(li)變化幅(fú)度較原(yuan)模型顯(xian)著提高(gāo)，脈動效(xiao)應明顯(xian)，即相較(jiào)于原模(mo)型得到(dao)優化。
3.3确(que)定模型(xíng)
　　爲了進(jìn)一步驗(yan)證模型(xíng)參數的(de)優化情(qíng)況，選擇(ze)最優模(mó)✊型💛，分别(bie)取不同(tong)的進口(kǒu)流量，對(duì)模型六(liu)與模型(xing)九🚶進行(hang)🏃🏻‍♂️仿真實(shi)驗，計算(suan)對應的(de)頻率和(he)K系數值(zhí)。
　　考慮到(dào)原模型(xing)的流量(liang)範圍在(zai)2.5m3/h～25m3/h，頻率爲(wèi)150Hz～1500Hz，此次仿(páng)真實🌈驗(yàn)🛀🏻取對應(ying)的進口(kǒu)流量爲(wei)25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xing)六不同(tong)進口流(liu)量的對(duì)應壓力(lì)變化圖(tu)如圖8所(suǒ)示。根據(ju)4組仿👈真(zhen)實驗所(suo)得數據(jù)，得到模(mó)型六的(de)頻率🏃🏻‍♂️輸(shū)出範圍(wei)約爲162Hz～2100Hz，K值(zhí)平均爲(wei)279845，較原模(mo)型提高(gāo)約27%。

　　模型(xing)九不同(tong)進口流(liú)量的對(duì)應壓力(lì)變化圖(tú)如圖9所(suo)🈲示🆚。根據(jù)4組仿🧑🏾‍🤝‍🧑🏼真(zhen)實驗所(suǒ)得數據(jù)，得到模(mo)型九的(de)頻率☀️輸(shu)出範圍(wei)約爲200Hz～2350Hz，K值(zhi)平均爲(wèi)322343，較原模(mó)型提高(gao)約46%。

　　根據(ju)所有相(xiang)關數據(ju)得出結(jié)論：模型(xíng)九相較(jiào)于模型(xíng)⁉️六有更(gèng)好的優(you)化效果(guo)。因此，選(xuǎn)取模型(xing)九做爲(wei)最優模(mó)型⛷️
3.4測量(liàng)點的選(xuǎn)定
　　由于(yú)流量計(jì)的脈動(dòng)複雜性(xìng)，在管道(dao)内部對(dui)流場壓(ya)🙇🏻力🔞測量(liàng)點的🏃🏻選(xuǎn)取至關(guan)重要。爲(wèi)了選擇(ze)最優測(ce)量點🚶‍♀️，對(duì)整個模(mo)型進行(hang)仿真實(shí)驗，根據(ju)以往經(jīng)驗，選取(qǔ)喉部附(fù)近不同(tóng)的8個位(wei)置進行(hang)相應的(de)測🔆量，查(cha)看對應(ying)的壓力(li)變化，從(cóng)而判斷(duàn)最優的(de)測量點(dian)。本✊次仿(pang)真實🔴驗(yàn)選擇的(de)8個🏃🏻‍♂️測量(liang)點的位(wèi)置如圖(tú)10所示。

　　在(zai)低流量(liàng)2.5m3/h仿真環(huan)境下，選(xuan)擇如圖(tu)10所示的(de)8個不同(tong)節點，比(bǐ)較壓力(li)變化幅(fu)度及峰(feng)值的變(biàn)化。由上(shàng)述實驗(yàn)知模型(xíng)九優化(hua)效果最(zuì)好，所以(yi)選用模(mo)型九做(zuò)爲本次(cì)仿真實(shi)驗的仿(pang)真模型(xing)，圖11爲各(gè)個不同(tong)節點的(de)壓力變(biàn)化圖，其(qí)中a、b、c、d、e、f、g和h與(yu)圖10上節(jie)點一一(yī)對應。
　　由(yóu)于脈動(dòng)信号的(de)拾取是(shì)通過壓(yā)力傳感(gan)器測得(de)，在♌傳感(gan)🚶‍♀️器測量(liàng)條件一(yī)定的情(qíng)況下，壓(yā)力幅值(zhí)變化越(yuè)大越容(rong)易💰測量(liang)。由圖11所(suǒ)得數據(ju)可知，c點(diǎn)和d點的(de)壓力幅(fu)值與😄極(jí)值大于(yu)其他測(ce)量點🥰，有(you)利于壓(ya)力傳感(gǎn)器的檢(jiǎn)測，綜合(hé)所有實(shi)驗的壓(yā)力截面(miàn)圖判😘斷(duan)，确定最(zuì)優的檢(jiǎn)測點⛱️在(zai)距離喉(hóu)部末端(duan)約0mm～1mm，且距(ju)壁面2mm～4mm處(chu)。

4結語
1）本(běn)文根據(ju)DN25旋進旋(xuan)渦流量(liàng)計實物(wu)模型，繪(hui)制出DN20小(xiao)型旋進(jin)🈚旋渦流(liu)量計，借(jie)助ANSYSFluent對DN20小(xiǎo)型旋進(jin)旋渦流(liu)量計進(jin)行仿真(zhēn)實驗，獲(huò)得了DN20小(xiao)型流量(liàng)計不同(tong)結構的(de)内部🤟流(liú)場及其(qí)信息，分(fèn)析了流(liu)量計工(gōng)作範🍓圍(wéi)内旋渦(wo)規🥰律和(hé)流量之(zhi)間的關(guan)系，綜合(he)分析後(hou)确定其(qi)K值系數(shu)。
2）根據DN20微(wēi)型旋進(jìn)旋渦流(liú)量計在(zai)小流量(liang)工況下(xià)的壓力(li)變化情(qíng)況，優化(hua)了其結(jié)構，确定(dìng)起旋角(jiao)爲45°、收縮(suo)比🍉爲20：15、收(shōu)縮角爲(wei)12°時，可有(yǒu)效解決(jué)DN20微型旋(xuan)進旋渦(wō)流量計(ji)對小流(liú)量的測(cè)量不精(jing)确的問(wèn)題。
3）本文(wen)在優化(huà)模型的(de)基礎上(shang)，根據同(tóng)一流量(liang)下的壓(ya)力變化(hua)情況，綜(zong)合所有(yǒu)實驗，确(que)定了DN20小(xiǎo)型旋進(jìn)旋渦流(liu)量計的(de)最優測(ce)量點，爲(wèi)DN20小型流(liú)量計開(kāi)發提供(gòng)了理論(lun)依據。
4）在(zài)上述仿(páng)真研究(jiu)和DN20建模(mo)的基礎(chǔ)上，依次(cì)制作了(le)DN20小✍️型流(liú)量計3D打(dǎ)印樣機(jī)，通過測(cè)試其實(shi)際K系數(shu)在小流(liu)‼️量段基(ji)本接近(jìn)理論值(zhí)，結果表(biao)明本文(wén)流量計(ji)的性能(néng)達到了(le)開發預(yu)期。

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