[摘要]采用計算(suan)流體力學(CFD)的方(fāng)法對一口徑爲(wei)80mm的氣體渦輪流(liu)量計 進行工況(kuàng)條件的數值模(mó)拟研究.通過計(jì)算,分析了流量(liàng)計在不同流量(liàng)下,各部件包括(kuo)前整流器.前導(dǎo)流器、機芯🧑🏽‍🤝‍🧑🏻殼體(tǐ)🚶、葉輪支座、葉輪(lún)和後.導流器對(duì)壓力損失的影(yǐng)響,給出了各🌐部(bù)件的✍️流量與壓(ya)力損失的關系(xi)曲線及其壓力(lì)損失比例❌.數值(zhi)模拟結果與實(shí)驗結果相符,進(jin)而從流道内的(de)壓力分布和流(liu)場分‼️析壓力損(sun)失🏃🏻原因并提出(chu)減少壓力損失(shi)的改進思路.
　　在(zài)天然氣的采集(ji)、處理、儲存、運輸(shu)和分配過程中(zhong),需要數以百萬(wàn)計的流量計,它(tā)既是天然氣供(gong)需雙方貿易結(jié)算的依🌈據,也是(shì)生産部門用氣(qi)效率的主要技(jì)術指💞标，因此對(dui)流量計測量正(zhèng)确率🔞和可靠性(xing)有要求.
　　氣體渦(wō)輪流量計屬于(yú)速度式流量計(jì),是應用于燃氣(qì)貿❗易計🔱量的三(sān)大流量儀表之(zhī)一，由于具有重(zhòng)複性好、量程範(fan)圍✊寬、适應性強(qiang)、精度高、對流量(liàng)變化反應靈敏(min)、輸出脈沖信号(hào)、複現性好和體(tǐ)積小等特點，氣(qì)體渦輪流量計(ji)近年來已在石(shi)油、化工和天然(ran)氣等領域獲得(de)🌈廣泛的應用”。
　　随(sui)着渦輪流量計(jì)在管道計量領(lǐng)域的廣泛使用(yòng),天然氣👌管道輸(shu)送過程中的能(néng)耗成爲不容忽(hu)視的問題，而天(tian)然氣管道輸送(song)過程中的壓力(lì)損失是産生能(néng)源消🌈耗的主要(yao)原因之一.爲保(bǎo)證天🧑🏽‍🤝‍🧑🏻然氣能順(shùn)利輸送至用㊙️戶(hu)端,就需要提高(gāo)各壓氣站的輸(shū)送壓力♍并盡量(liàng)減少管道輸送(song)過🈲程中的壓力(lì)📧損失,而各級管(guǎn)道上的計量流(liú)量計所造成的(de)壓力損失占有(you)很㊙️大比重，因此(ci),氣體渦輪流量(liang)計的壓力損失(shi)研究對節能減(jian)排和推動我國(guó)燃氣計量儀表(biǎo)産業的發展❌具(ju)有較好的推動(dòng)作用❓，
　　目前，渦輪(lún)流量計的優化(huà)主要通過改良(liang)其導流件、葉輪(lun)，軸承、非磁電信(xin)号檢出器等部(bu)件的結構尺寸(cùn)和加工工📧藝，來(lai)改善流量計測(ce)量氣體、高粘度(dù)流體和小流量(liàng)時的特性.孫立(lì)軍[切對降低渦(wō)輪流量傳感器(qì)粘度變化敏感(gǎn)度進行了♍研究(jiu).SUN等0采用了Standardke湍流(liú)模型數值模拟(nǐ)口徑爲15mm的渦輪(lún)流量計的内部(bù)流動❄️,結果表明(ming)壓力損失受到(dao)前端和後端形(xing)狀、導流體半徑(jing)、導流體的導流(liú)片和渦輪葉片(pian)🛀🏻厚度的影響.劉(liú)🏃‍♂️正先和徐蓮環(huan)回雖然對氣體(tǐ)渦輪流🈲量🏃🏻‍♂️計的(de)流動進行實驗(yàn)測量和數值計(ji)算，發現前導流(liú)器的☀️結構變化(huà)對後面各部件(jiàn)内的氣體流動(dòng)速度⚽梯度和壓(ya)🈲力恢複也有明(ming)顯影響,使總壓(yā)力損失進一步(bu)放大或減😄小,但(dàn)對流量計的其(qi)它部件未進行(hang)分析.本文将對(dui)一種型号氣體(ti)渦輪流量計各(gè)部㊙️件的壓力損(sun)失與流量的關(guan)系進行分析研(yan)究，以提出其優(you)化♻️思路.
1渦輪流(liu)量計的基本結(jié)構及工作原理(lǐ)
　　本文采用80mm口徑(jing)氣體渦輪流量(liang)計作爲研究對(dui)象,對其進行✌️内(nei)部🎯流道的壓力(lì)損失數值模拟(ni).氣體渦輪流量(liang)💋計結構示意圖(tú)如圖1.氣體渦輪(lún)流量計實物如(ru)圖2,其中圖2(a)爲渦(wō)🌈輪流量計實物(wu)圖,圖2(b)爲渦輪流(liú)量計機芯葉輪(lún)實物圖.
 
　　氣體渦輪流(liu)量計的原理是(shì),氣體流過流量(liang)計推動渦輪🔱葉(yè)片🎯旋轉,利用置(zhì)于流體中的葉(ye)輪的旋轉角速(su)度與流🌏體流速(sù)成比例的關系(xì)，通過測量葉輪(lún)轉速來得到流(liú)體🏃🏻‍♂️流速，進而得(dé)到管道内的流(liu)量值[10].渦輪流量(liàng)計輸出的脈💋沖(chòng)頻率S與所測體(ti)積⛷️;流量qv成正比(bǐ)，即
 
　　式(2)中:J一葉輪(lún)的轉動慣量;t一(yī)時間;ω一葉輪的(de)轉速;Tt一推動😄力(li)矩;Trm一機械摩擦(cā)阻力矩;Ttf一流動(dong)阻力矩;Tre一電磁(ci)阻力矩.
2計算模(mo)型
2.1數學模型
　　設(shè)定渦輪流量計(jì)數值模拟的工(gōng)作介質爲空氣(qi).流動處☁️于湍♋流(liú)流動，數值模拟(ni)湍流模型采用(yong)RealizableK-e模型，該🈚模型适(shì)用于模拟計算(suàn)旋轉流動.強逆(nì)壓梯度的邊界(jie)層流動、流動🏃🏻‍♂️分(fèn)離和二次流🔱等(děng),其模型方程表(biao)示爲11]1:

 
2.2流體區域(yu)網格劃分
　　使用(yòng)Solidworks三維設計軟件(jiàn)依照實物尺寸(cun)對渦輪流量計(jì)⭕各部件進行建(jiàn)模及組裝，簡化(hua)主軸、取壓孔和(hé)加油❗孔等對流(liú)體區城影響較(jiào)♋小的部分，
　　先對(dui)機芯部分做布(bù)爾運算得到純(chun)流體區域，然後(hòu)對葉輪外⛱️加包(bāo)絡體形成旋轉(zhuǎn)區域，在機芯進(jin)出口前後均加(jiā)上15倍📞機芯口徑(jing)的直管段，以保(bǎo)證進出口流動(dong)爲充分發展湍(tuān)流.
　　全部流體區(qu)域包括前後直(zhí)管段、葉輪包絡(luò)體以及機芯部(bù)分的流體區域(yu).用Gambit軟件對三維(wéi)模型進行網♉格(ge)劃分，對流體區(qu)域中的🤩小面和(hé)尖角等難以生(shēng)成網格的部分(fèn)進行優化和簡(jian)化處理，流體區(qū)域使用非結構(gòu)化混合網格，并(bìng)對機芯流道内(nei)葉輪等流動🧑🏽‍🤝‍🧑🏻情(qing)況較複雜區域(yù)進行了㊙️局部加(jia)密，如圖3.其中圖(tu)3(a)爲機芯流體區(qū)域網格圖，圖3(b)爲(wèi)葉🔞輪網格圖,整(zhěng)體🌈網格總數量(liàng)約230萬.
 
2.3數值模拟(ni)仿真條件設置(zhi)
　　數值計算時，爲(wèi)方便模拟結果(guo)與實驗結果的(de)對比,環境溫度(du)🚶‍♀️、濕✔️度和壓力設(shè)置與實驗工況(kuàng)相同,流體介質(zhì)選擇空氣,空氣(qì)的密度ρ和動力(li)粘度”根據Rasmussen提出(chū)的計算規程拟(ni)✍️合推導出的簡(jiǎn)⛷️化公式(5)和(6)計算(suan)獲得📱：
 
　　模型選擇(zé)Realizablek-e湍流模型，壓力(lì)插值選擇Bodyforceweighted格式(shì),湍流動能、湍流(liú)耗散項和動量(liang)方程均采用二(èr)階迎風格式離(li)散，壓力與速度(dù)的耦👌合采用SIMPLEC算(suàn)法求解，其餘設(she)置均采用Fluent默認(ren)值.
　　計算區域管(guǎn)道人口采用速(sù)度入口邊界條(tiao)件，速度🤟方向🌈垂(chui)直于人口直管(guǎn)段截面，出口邊(bian)界條件采用壓(ya)力出口.葉輪包(bāo)絡❌體設置爲動(dong)流動區域,其餘(yu)爲靜流動🌈區域(yù)，采用interface邊界條件(jiàn)作爲分界面，對(dui)于旋轉部分和(he)靜止部分之間(jiān)的耦合采用多(duo)重參考坐标♌模(mo)型(MRF).葉輪采用滑(hua)移邊界條件且(qie)相對于附近旋(xuán)轉流體區域速(su)度爲零.葉輪轉(zhuǎn)速是通過使用(yòng)FLUENT軟件中的TurboTopol-ogy與TurboReport功(gong)能，不斷調整葉(yè)輪轉速，觀察葉(yè)輪轉速是否達(dá)到力矩平衡來(lái)确定的。
3數值模(mó)拟結果分析
　　在(zài)流量計流量範(fàn)圍内選取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhe)6個流量點進行(hang)同🌈工🚶況環境數(shu)👈值模拟，得到氣(qi)體渦輪流量計(jì)的内部流場和(he)壓力分布等數(shu)據.進口橫截面(mian)取于前整流器(qì)前10mm處，出口橫截(jié)面取于後導流(liú)體後10mm處.計算渦(wo)輪流量計進出(chū)口橫截面上的(de)壓力差，即得到(dào)流量計的壓力(lì)損失。
 
　　圖4爲流量(liàng)與壓力損失之(zhī)間的關系曲線(xian),圖中實驗值是(shi)在工況❓條件下(xià)使用音速噴嘴(zuǐ)法氣體流量标(biāo)準裝置測得.
　　根(gēn)據圖4中壓力損(sun)失随流量的變(bian)化趨勢，可以将(jiāng)流量與🎯壓🌈力損(sǔn)失之間的關系(xi)拟合曲線爲二(er)次多項式,其表(biǎo)達式爲
 
　　這與流(liu)量計的壓力損(sun)失計算公式(8)趨(qū)勢相符,均爲♉二(èr)次👨‍❤️‍👨函🌏數，且數值(zhi)模拟結果與實(shi)驗結果吻合得(dé)較🔞好，說明渦☎️輪(lun)流量計🔞的内部(bu)流場數值模拟(ni)方法及結果是(shì)可行且可靠的(de).流量計的壓力(lì)損失計算公式(shì)爲。
 
式(8)中:△P----壓力損(sǔn)失;α壓力損失系(xi)數;υ----管道平均流(liu)速.
　　以流量Q=250m³/h的數(shù)值模拟計算結(jié)果爲例進行渦(wo)輪流量計内部(bù)流場及壓力場(chǎng)的分析.圖5爲渦(wo)輪流量計軸向(xiàng)剖面靜壓分💛布(bu)圖.前導流器前(qian)後的壓力場分(fen)布較均勻且壓(yā)力梯度較小，在(zài)機芯殼體與葉(ye)輪支座連接凸(tū)台處壓力有💋所(suo)增加,連接面後(hou)壓🧑🏾‍🤝‍🧑🏼力又逐漸♉減(jiǎn)小.故認爲流體(tǐ)流經葉輪支座(zuò)産生壓力損失(shī)的🥰主要原因是(shì)☁️連接處存在凸(tu)台,導緻流場出(chu)現較大變化，不(bú)能平滑過渡,建(jiàn)議✊将葉輪支座(zuò)與機芯殼體的(de)連接改爲圓弧(hu)線⛱️型或流線型(xing).
　　觀察圖5和圖6,當(dāng)流體流經葉輪(lun)從後導流器流(liú)出渦輪流☁️量🌈計(jì)時🎯,壓力梯度變(bian)化明顯，存在負(fù)壓區域并造成(chéng)很大的壓降，在(zai)📧後導流器凸台(tai)及流量計出口(kǒu)處速度變化明(ming)顯，由于氣流通(tōng)過後導流器後(hòu)流道突擴,在後(hòu)導流器背面形(xing)成明顯的低速(su)渦區，産生💃漩渦(wō)二次流✂️。
 
　　結合圖(tu)7、圖8流量計軸向(xiang)剖面和出口橫(heng)截面的總壓及(jí)速度分布圖,其(qí)速度分布與壓(yā)力分布相似,流(liú)量計流道内👈速(sù)度分布🔴較均勻(yún)的區域其壓力(lì)梯度變化也較(jiào)小，即流道内速(su)度的分布和變(bian)化與壓力損失(shī)大小相關.由流(liu)量計軸向剖面(mian)和出口橫截面(mian)的速度及壓力(li)分布圖可以看(kan)出,流量計後導(dao)流器處🈲産生的(de)漩渦二次流影(yǐng)響了出🔞口橫截(jié)面處的速度及(jí)壓力分布,流體(ti)呈螺旋狀流動(dòng),故出口處速度(du)及壓力較大區(qu)域均偏‼️移向流(liú)體旋轉方向。
 
　　流(liú)量計各部件的(de)壓力損失随流(liu)量變化的趨勢(shì)與流量計總壓(ya)力損失随流量(liang)的變化趨勢相(xiang)同,其拟合公式(shì)爲系數不同的(de)二次多項式，各(ge)部件的壓力損(sun)失與流量呈🏃二(er)次函數關系，随(sui)着流💋量的增加(jia)，壓力損失顯著(zhe)增加.
 
　　觀察圖10各(ge)部件壓力損失(shī)百分比圖，可見(jiàn)前整流器、前導(dǎo)流🔅器和機芯殼(ké)體處的壓力損(sun)失很小，葉輪支(zhi)座處壓力損失(shi)✏️約占總壓力損(sǔn)失的1/4.前整流器(qi)所占壓力損🔞失(shi)比例在各流量(liàng)點基本保持不(bu)變,前導流器和(hé)機芯殼體處的(de)壓力損失随流(liu)量的增加其比(bi)🐇例略有降低💋,葉(yè)輪支座處🍓壓力(lì)損失随流量的(de)增加其比例略(lue)有⭐增加,但總體(tǐ)上受流量影響(xiang)不大.葉輪處的(de)壓力損失随流(liú)量從13m³/h增加至250m³/h,其(qí)💋比例從15.88%降至8.71%,降(jiàng)幅明顯.後導流(liu)器處♻️的壓力損(sun)失占總壓力損(sun)失的大半,随着(zhe)💘流量從13m³/h增加至(zhi)250m³/h其壓力損失比(bi)例由🧑🏾‍🤝‍🧑🏼43.77%升至55.83%,增幅(fú)明顯.總之,後導(dǎo)流器、葉輪支座(zuò)和葉輪是流體(ti)流經渦輪流量(liàng)計産生壓力♈損(sun)失的主要影響(xiang)部件💚,可通過優(yōu)化其結構以降(jiàng)低渦輪流量計(ji)的總壓力損失(shī).
4結語
　　本文采用(yong)Fluent軟件對一口徑(jìng)爲80mm的渦輪流量(liang)計内部進行了(le)數☂️值模拟計算(suan),分析内部流場(chǎng)、壓力場及各部(bu)件産生的壓力(lì)損失😄,得出以下(xia)結論:
1)漩渦二次(ci)流是産生能量(liàng)消耗的主要原(yuán)因,故建議對☀️渦(wo)㊙️輪流量🌈計葉輪(lun)支座及後導流(liú)器進行幾.何參(cān)數的優化📧,将其(qí)凸台邊緣改爲(wei)流線型以減少(shǎo)流道👄突擴的影(ying)響.減少後導流(liu)器葉片厚度并(bìng)增加其長🈚度及(ji)數量以減弱氣(qì)體螺旋狀流動(dòng),減弱漩渦二次(ci)❓流,達到降低流(liú)量計壓力損失(shi)的目的.
2)分析各(gè)部件對壓力損(sun)失的影響,其壓(ya)力損失與流量(liàng)成🛀二次函數關(guān)系.後導流器相(xiàng)對于其他部件(jian)是壓力損失的(de)主要因素,約占(zhàn)總壓力損失的(de)一半,随着流量(liang)的增加其壓力(li)損失占總壓力(li)🆚損失的比例🧑🏾‍🤝‍🧑🏼上(shang)升了01.01%.葉輪支座(zuò)的♌壓力損失約(yue)占總壓✨力損失(shī)的1/4,其壓力損失(shī)比例随流量的(de)增加基本不變(bian).随着流🌂量的增(zēng)加葉輪産生的(de)壓力損失比例(lì)降幅明🧑🏽‍🤝‍🧑🏻顯.
　　通過(guò)數值模拟分析(xi)得出速度的分(fèn)布和變化與壓(ya)力損♈失大小相(xiàng)關,通過優化流(liú)量計流道内的(de)速度😍分布可降(jiàng)低流♌量計的壓(yā)力損失,後續相(xiang)關的渦輪流量(liàng)計優化研🔴究可(ke)從💛優化其流道(dao)内速度分布人(ren)手.

本文來源于(yu)網絡,如有侵權(quán)聯系即删除！