摘要:利(lì)用數值計算(suàn)方法研究了(le)不同安裝條(tiao)件對渦輪流(liu)量計 性能的(de)影響。計算結(jie)果分析表明(ming),安裝于流量(liàng)計前的單彎(wān)頭、雙彎頭以(yǐ)及閥門等管(guan)道配件都會(hui)造成流體速(su)度趨于扁平(píng)分布和不對(duì)稱分布以及(ji)産生漩渦流(liú),都是影響流(liú)量計計量精(jīng)度的主要原(yuán)因。合理布置(zhì)彎頭和閥門(men)開度的方向(xiang),使流體通過(guo)兩者🆚時産生(sheng)的漩渦流旋(xuan)轉方向相反(fan),則有利于降(jiang)低流⛹🏻‍♀️量計進(jìn)口前漩渦流(liu)的強度,減少(shǎo)對流量計測(cè)量精❗度的影(ying)響。渦輪流☀️量(liàng)計的♌前導流(liu)件能有效消(xiao)除流體速度(du)中的漩渦流(liu)⛷️分量,但在校(xiào)正速度♌分布(bù)的不對稱性(xìng)和扁平性方(fang)面效果并不(bú)顯著。
1引言
渦(wō)輪流量計的(de)測量精度易(yi)受到流量計(jì)前管線安裝(zhuāng)條件的影響(xiang)。一般管線系(xi)統中的各種(zhong)管配件,包括(kuo)閥⭐門、彎🔱頭、變(biàn)徑管等所♻️産(chan)生的流體幹(gàn)擾都會引起(qǐ)流體速度分(fèn)布發生畸變(bian),産生漩渦流(liú)和非對稱🍉流(liu)等，影響了渦(wo)輪流量計的(de)測量精度。安(ān)裝條件對渦(wō)輪流量計性(xìng)能的影響♉早(zǎo)就引起各國(guó)學者的廣❌泛(fan)關注,并對🈲此(cǐ)😄問題進行了(le)較爲系統的(de)實驗研究。先(xian)後利用實驗(yàn)研究了渦輪(lun)流量計進口(kǒu)前裝有90°彎頭(tou)、不在同一平(píng)面内的雙彎(wān)頭、IS09951推薦的能(neng)夠産生高和(he)低流體幹擾(rao)的管線結構(gòu)以🌈及閥門]等(deng)對渦輪流量(liang)計測量精度(du)的影響。
近幾(jǐ)年數值計算(suan)方法逐漸應(ying)用于渦輪流(liú)量計的✂️研究(jiū)🌈中🏃‍♀️(8-12],與實驗方(fāng)法相比,數值(zhi)計算方法具(jù)有成本低、更(gèng)👈能提供詳細(xi)的三維流場(chǎng)以及能掌握(wò)管線結構引(yǐn)起🈲的各種流(liú)體幹擾的衰(shuāi)👉減規律等優(you)點。數值計算(suàn)方法🌈的有效(xiào)性也逐漸得(de)到了驗證E[8.12].但(dan)是迄今🔱爲止(zhǐ)仍未見文獻(xiàn)報道利用數(shù)值計算手段(duan)研究安裝條(tiao)件對渦輪流(liu)量計性能的(de)🌈影響。
另一方(fāng)面,機動油料(liào)裝備逐漸向(xiàng)小型化發展(zhǎn),選用計量🏃‍♀️裝(zhuāng)置時通常考(kao)慮選用測量(liàng)精度高、質量(liang)輕的流量計(jì)，如渦輪流量(liàng)計。然而渦輪(lun)流量計對前(qian)後直㊙️管段的(de)要求限制了(le)其👣在機動油(yóu)料裝備上的(de)使用🍉。爲此,本(ben)文利用數值(zhi)計算手段就(jiu)流量計進口(kou)前裝有90°彎頭(tou)、不在同-平面(mian)内的雙彎頭(tóu)以及雙彎頭(tou)之間有一個(ge)半圓形擋闆(pǎn)三種安裝條(tiao)件對流量計(jì)㊙️内部流場以(yi)及測量精度(dù)的影響進行(hang)研究,爲渦輪(lun)流量計㊙️在機(jī)動油料裝備(bei)💃上的應用提(tí)供指導。.
2流體(tǐ)速度分布的(de)特征參數
流(liu)體幹擾影響(xiang)渦輪流量計(jì)測量精度的(de)速度畸變🔞主(zhu)要體♌現在三(sān)個方面:速度(dù)分布的扁平(píng)性、漩渦流✏️和(hé)速⛱️度分⛱️布的(de)非對稱性。爲(wèi)了能定量描(miáo)述流體幹擾(rao)引起的速度(dù)畸變,Mickan定⭐義了(le)軸向動量數(shù)K。、漩流數K,和非(fēi)對稱數K,三個(ge)特征參數5)。本(běn)文👉引人這三(san)個參數,以㊙️便(bian)于後面的分(fen)析。
軸向動量(liang)數K。用于衡量(liang)流體軸向動(dong)量通量的轉(zhuan)動力矩的大(da)小,其計算式(shì)爲:
 
式中:u爲軸(zhou)向流速,um爲平(píng)均流速,r爲徑(jing)向坐标，ρ爲流(liu)體密度,R爲管(guǎn)線半徑,A爲管(guan)線的橫截面(mian)積。對于充分(fèn)發🐪展流,Ku爲定(dìng)值,約爲0.62,而我(wo)們所關心的(de)是充分發展(zhan)流與幹擾流(liu)之間的差别(bié)‼️，故常用反映(yìng)兩🌈者差别的(de)參量△Ku(其值等(děng)于Ku-Ku0),它對渦輪(lun)流量計👨‍❤️‍👨的測(ce)量精度具有(yǒu)較大的影響(xiǎng)。.
漩流數Kv用于(yu)衡量軸向漩(xuan)渦的強度。由(you)于渦輪流量(liang)計🏃🏻‍♂️的轉速易(yì)💚受漩渦流的(de)影響,因此Kv的(de)大小對其有(you)重要的影響(xiǎng)。其計算式爲(wei):
 
式中:v爲切向(xiang)流速。
非對稱(cheng)數KA用于衡量(liang)速度分布對(dui)稱性的程度(dù),用管⛷️線橫截(jié)🐅面上流體質(zhì)心與對稱軸(zhou)之間的距離(li)來表示,其計(ji)算式爲:
 
式中(zhong):y、z分别爲管線(xian)橫截面上的(de)直角坐标,m爲(wei)質量流👣量。
3數(shù)值計算模型(xíng)
3.1基本方程組(zǔ)
描述渦輪流(liú)量計内部流(liú)場的基本方(fāng)程組爲連續(xù)性方程🈲、N-S運⭐動(dòng)方程和紊流(liu)模型。目前還(hai)沒有普遍适(shi)用的紊流模(mó)型,本文選用(yong)較常用的标(biao)準k-ε雙方程模(mó)型。模型方程(cheng)中相關系數(shù)取值分别爲(wèi):Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃分和(he)邊界條件
在(zài)數值計算過(guò)程中,渦輪流(liu)量計的葉輪(lún)處于旋轉🐅狀(zhuàng)态,故葉輪部(bù)分的網格劃(hua)分疏密對計(ji)算結果的正(zheng)确率具有重(zhong)要的⁉️影響🧡,在(zài)網格劃分時(shí)對葉輪表面(mian)的網💁格進行(hang)了适當的局(jú)部加密處🈲理(li)。前、後導流件(jiàn)部分區域采(cǎi)用六面體網(wang)格🐅,其他區域(yù)✨采用四面體(ti)網格,葉輪部(bu)分全部采用(yong)四面體網格(gé),單流量計計(jì)算區域内網(wǎng)格總數爲97.31萬(wan)個✏️,其中葉輪(lun)部分的網格(ge)總數爲♌67.42萬個(gè)。
爲了減少在(zai)計算過程中(zhong)因計算域進(jìn)口與出口位(wei)置對渦輪流(liú)量計内部流(liú)場的影響,本(běn)文計算域的(de)進口🌈與出口(kǒu)适🏃‍♀️當向外作(zuo)⛱️了延伸，上遊(yóu)直管段長度(du)🍓爲.5D,下遊爲10D。進(jin)口采用圓管(guǎn)紊流流速分(fèn)布的1/7律來确(què)定。凡與流體(ti)相接觸的所(suǒ)有固體界面(mian)上采用無滑(huá)移固體璧面(mian)條件,出口施(shi)加定靜壓。
4數(shu)值計算
4.1流量(liàng)計前的管線(xian)結構
文中采(cai)用的渦輪流(liú)量計結構如(rú)圖1所示。流量(liang)計的🈲内徑爲(wèi)15mmm,葉輪葉片數(shu)爲4片,前、後導(dǎo)流件采用橢(tuǒ)球形端面。
 
本文(wen)主要分析了(le)Casel~Case5等5種結構，見(jian)圖2。
 
Case1:流量計前(qián)是一長爲5D的(de)直管段。
Case2:90°的彎(wān)頭，其前有一(yi)5D長的直管段(duan)。考慮到機動(dòng)油料裝⭕備‼️上(shàng)流量計的安(ān)裝空間非常(chang)受限，彎頭與(yǔ)流量計進口(kǒu)之間的距🐕離(li)設爲1D。
Case3:不在同(tóng)一平面内的(de)雙彎頭,兩彎(wān)頭之間有一(yī)長爲0.5D的直管(guǎn)🔴段🐕,進口管段(duàn)長度和第二(èr)個彎頭與流(liú)量計❓進口的(de)距離同🏒Case2。
Case4:在Case3的(de)雙彎頭中間(jian)位置上布置(zhi)了一個1mm厚的(de)半圓薄闆，薄(báo)闆位♌于雙彎(wan)頭的外側位(wei)置。
Case5:除了半圓(yuán)薄闆的位置(zhì)在雙彎頭的(de)内側外,管線(xiàn)結構同🈲Case4。
研究(jiu)Case4和Case5的管線結(jie)構主要目的(de)有兩個:一是(shi)研究閥門對(duì)流量計測量(liàng)精度的影響(xiang);二是閥門開(kai)度與彎👉頭的(de)相對🐅方向🧑🏾‍🤝‍🧑🏼不(bu)同時對流量(liàng)計測量精度(du)的影響🏒。
4.2計算(suan)結果與分析(xī)
計算參數:流(liu)體的進口平(píng)均速度um爲5m/s,計(jì)算介質爲20℃的(de)水。
 
圖3示出了(le)不同條件下(xia)渦輪流量計(jì)進口處在4個(ge)方向上的軸(zhóu)向🍉和切向流(liu)速分布。從圖(tu)中可以看到(dào),對于Casel這種管(guǎn)線結🎯構,軸向(xiang)流速符合充(chong)分發展流的(de)速度分布💃,切(qiē)向流速分量(liàng)很小。而且在(zai)進📧口橫截面(mian)上，根據式(1)~(3)計(jì)⛷️算得到Ku0等于(yu)0.62,Kv和KA分别等于(yú)0,因此可作爲(wei)參💁考量用于(yu)其它管線結(jié)構的分析。本(běn)文對所有計(jì)算🈲結果的分(fèn)析都以此作(zuo)爲參考進行(hang)的。
當流量計(ji)前裝有90°彎頭(tóu)時(Case2)，軸向流速(sù)在管線對稱(cheng)軸上附近表(biao)🌏現爲最小，然(ran)後向管壁兩(liang)側增加,呈現(xiàn)了非對稱的(de)💔馬鞍型分布(bu),且切向流速(su)表現出了二(èr)次流現象。
當(dang)流量計前的(de)管線結構爲(wei)不在同一平(píng)面内的雙彎(wān)頭時(Case3)，軸🌏向流(liu)速出現了與(yǔ)Casel相似的非對(dui)稱的馬鞍型(xing)分布,不📧過其(qí)不對稱程度(dù)要比Casel小，但流(liu)速更呈扁平(ping)分布;切向流(liu)速同樣出現(xian)了二次流👉現(xiàn)象,其漩渦強(qiáng)度則要比Casel強(qiang)得多。
對于兩(liǎng)個彎頭之間(jiān)有一半圓薄(bao)擋闆的兩種(zhong)管線結⭕構Case4和(hé)Case5,軸向流速的(de)不對稱分布(bu)非常嚴重。除(chú)了在🏃θ=90°這個方(fāng)向上軸向流(liú)速呈馬鞍型(xíng)分布外,在其(qí)餘三個方向(xiàng)⛹🏻‍♀️上幾乎是從(cong)管🈲璧的一.側(ce)向另-側單調(diào)遞增的趨勢(shi)。不過,兩種管(guǎn)線結構的切(qiē)向流速則表(biao)現出了不同(tong)的分布趨勢(shì)。當半圓薄闆(pǎn)布置在雙彎(wan)頭的🌈外側(Case4),流(liu)體速度中含(han)有很強的🏃‍♂️切(qiē)向流速分布(bu),其最大值幾(ji)乎達到了♊平(píng)均流速的60%。當(dang)半圓薄闆布(bù)置在🐕雙彎頭(tóu)的内側(Case5),切向(xiàng)流速分量要(yào)比Case4的小得多(duō),甚至小于Case3。
造(zào)成這種差别(bie)主要是由于(yú)對于Case4,流體通(tong)過半圓薄闆(pan)後産生的👅漩(xuan)渦方向和通(tōng)過彎頭後産(chan)生的漩渦🚶方(fang)向相同，因此(cǐ)🌈在流量計進(jin)口前表現出(chu)比Case3更高的切(qiē)向流速分量(liang)🔴,而Case5的情況則(ze)反之。由于🔞這(zhè)個原因,Case4計♈算(suan)得到的渦輪(lún)流量計儀表(biao)系數與Casel相比(bi),其誤差偏移(yí)爲-1.79%,而CaseS則僅爲(wèi)-0.23%,見表1。這個計(jì)算結果同時(shi)說明了在渦(wō)輪流量計前(qián)合理布置彎(wan)頭和閥i]開度(du)之間的相對(dui)方向,有助于(yu)降低漩渦流(liu)的強度，從而(ér)減少對流量(liang)計量性能的(de)影響。同樣我(wǒ)們研究了🌏流(liú)體通過前導(dao)流件後在其(qi)輪毂末端處(chù)軸向流速和(he)切向流速💚的(de)分布情況,見(jian)圖💜4。
 
從圖4中可(ke)以看到,受導(dao)流件輪毂的(de)影響，流道面(mian)積♻️減少,軸♍向(xiàng)👄流速增加;在(zai)θ=90°和θ=0°兩個方向(xiang)上正對導流(liu)件葉片,受其(qi)尾流的影響(xiang),軸向流速明(ming)顯要比其它(ta)兩😍個方向上(shàng)的軸⛱️向流速(su)低。從圖中同(tong)時可以看到(dao),流體經過前(qian)導流件的導(dǎo)流作用後,切(qiē)向流速顯著(zhe)減小,在θ=90°和θ=0°兩(liǎng)個方向上漩(xuan)渦角的大小(xiǎo)基本上能滿(mǎn)足🌈ISO9951規定的小(xiǎo)于2°的标準，圖(tu)中以虛線表(biao)示,在其它兩(liǎng)個方向上切(qie)🍓向流速㊙️的最(zui)大📱分量也不(bu)超過平均流(liu)速的20%;但是其(qi)軸向流速的(de)不對稱分布(bu)和扁平性并(bing)沒🔞有得到有(yǒu)效的改善,同(tong)樣是Case5的軸向(xiàng)流速的不對(dui)稱⭐分布最爲(wèi)顯著。
不同安(ān)裝條件下在(zài)渦輪流量計(jì)進口和前導(dao)流件輪毂末(mò)❌端兩個橫截(jie)面上Ku、Kv、KA、以及流(liú)量計儀表系(xi)數誤差偏移(yi)的計算值見(jian)表1。
 
從表1中可(ke)以看到，造成(chéng)流量計儀表(biǎo)系數誤差偏(piān)移最大的📱是(shi)Case4這種管線結(jié)構,達到了-1.79%,這(zhe)和前述分析(xī)相⭕一緻。表中(zhōng)的結果同時(shí)說明了渦輪(lun)流量計中的(de)前導流件消(xiao)除漩渦流的(de)🏃🏻效率非常高(gāo),但是其在改(gǎi)善速度分布(bù)的不對稱性(xìng)和扁平性上(shàng)的效🔞果并不(bú)顯著。因此,認(ren)爲若将渦輪(lún)流😘量計的前(qian)導流件結構(gou)進行改進,采(cǎi)用孔闆整流(liu)器和翼式整(zhěng)流器相結合(he)的組合式結(jié)㊙️構,這樣既能(néng)有效消除漩(xuan)渦流,又能有(you)效改善速度(du)分布的不對(duì)稱性和扁平(píng)性,必将顯著(zhe)改善導流件(jian)的整流效果(guǒ),減少渦輪流(liú)量計進口流(liú)速⁉️分布對測(ce)量精度🐕的影(yǐng)響,降低其安(ān)裝要求,使其(qí)更🤟适合用于(yú)機動油料裝(zhuang)備上的計量(liang)裝置。
5結論
本(běn)文利用數值(zhí)計算手段研(yan)究了流量計(jì)前安裝有單(dan)彎頭💞、不在同(tong)一平面内的(de)雙彎頭以及(ji)雙彎頭之間(jiān)有一半圓擋(dang)🔞闆等管線結(jie)構對流量計(ji)内部流場和(hé)測量精度的(de)影響,得到了(le)以👉下結論:
(1)由(you)管線結構引(yin)起的流體幹(gàn)擾造成流體(ti)速度分布含(han)有漩渦🤟流分(fèn)量、軸向速度(dù)分布不對稱(cheng)性和扁平性(xìng),使流量🐆計計(jì)㊙️量産生誤💚差(cha),本文的算例(li)中最大誤差(cha)達到了-1.79%。
(2)彎頭(tou)與閥廣1開度(du)之間的相對(dui)方向影響流(liú)量計的測🈲量(liang)❓精度,若流體(tǐ)通過彎頭和(hé)閥門時所産(chan)生的漩渦流(liu)方向✂️相同🏃‍♀️，則(ze)增加了流量(liàng)計的計量誤(wu)差,反之🔆則減(jiǎn)少計量誤差(chà)。
(3)流量計中前(qián)導流件能有(yǒu)效減少漩渦(wō)流強度,但在(zai)改👣善🛀速度分(fèn)布的不對稱(cheng)性以及扁平(píng)性方面的效(xiào)果并不明顯(xian)。

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