摘要(yao)：根據已有(you)的DN25旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的結構參(can)數，設計了(le)DN20小型旋進(jin)旋渦流量(liang)計 ，而後借(jie)助ANSYSFluent流體仿(pang)真對DN20小型(xing)旋進旋渦(wo)流量計進(jin)行了結構(gou)與流場關(guan)系的研究(jiu)。通過正交(jiao)試驗，獲得(de)了DN20小型流(liu)量計不同(tong)結構的内(nei)部流場及(ji)其信息，分(fen)析了流量(liang)計工作範(fan)圍内旋渦(wo)規律和流(liu)量之間的(de)關系；進一(yi)步更換不(bu)同測量橫(heng)截面，查看(kan)壓✍️力場及(ji)其變化規(gui)律，與原結(jie)構方案的(de)測量截面(mian)進行比較(jiao)，選🍉定最優(you)測量截面(mian)與測量點(dian)，爲DN20流量計(ji)産品研發(fa)提供了理(li)論依據。
0引(yin)言
　　旋進旋(xuan)渦流量計(ji)是根據旋(xuan)渦進動現(xian)象設計的(de)一種流🤩體(ti)振蕩式流(liu)量計，具有(you)流量範圍(wei)寬、無可動(dong)部件、不易(yi)腐蝕、可靠(kao)性高、安⁉️裝(zhuang)使用方便(bian)、直管段要(yao)求短等優(you)點，适用于(yu)石油、蒸汽(qi)、天🏃🏻‍♂️然氣、水(shui)等多種介(jie)質的流量(liang)測量[1]。20世紀(ji)70年代，對旋(xuan)進旋渦流(liu)量計性能(neng)進行了比(bi)較全面的(de)實驗研究(jiu)，驗證了此(ci)流量計線(xian)性🆚輸出特(te)性，同時發(fa)現此流量(liang)計不易受(shou)介質粘度(du)和密度影(ying)響✉️，指出旋(xuan)進旋渦流(liu)量計在😘高(gao)壓氣體測(ce)量方面的(de)商業應用(yong)前景。對旋(xuan)進旋渦流(liu)量計做了(le)實際工況(kuang)下的儀表(biao)特征測試(shi)，探索該流(liu)量計在🌈計(ji)量領域應(ying)用的可行(hang)性。
　　對于旋(xuan)進旋渦流(liu)量計内部(bu)流動特性(xing)及流量計(ji)改進方面(mian)，科研人員(yuan)也進行了(le)一定的探(tan)索，彭傑剛(gang)等🌈人[4]對🏃‍♀️旋(xuan)進旋渦流(liu)量計内部(bu)流場進行(hang)了數值模(mo)拟分析，研(yan)究了旋渦(wo)流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計内(nei)部流場的(de)演變情況(kuang)，分析了流(liu)場幹擾對(dui)旋進旋渦(wo)流量計流(liu)場進動效(xiao)應🔴的影響(xiang)。何馨雨等(deng)人[5]對旋進(jin)旋渦内部(bu)流場進行(hang)了⛹🏻‍♀️數值模(mo)拟分析😄，獲(huo)得了比較(jiao)全✌️面的流(liu)場信息☀️，對(dui)這種流量(liang)計的内部(bu)流動特性(xing)有了更加(jia)深入的理(li)解🛀。

　　目前(qian)，針對旋進(jin)旋渦流量(liang)計，特别是(shi)小型和微(wei)型流量計(ji)還存在流(liu)量計低流(liu)量工況條(tiao)件下測量(liang)不準确、過(guo)程不穩定(ding)的問題，開(kai)發小型流(liu)量計，相較(jiao)于普🐅通流(liu)量計需要(yao)在結構上(shang)做出改進(jin)和優化。比(bi)如，可采用(yong)導流片來(lai)降低壓損(sun)，提高流量(liang)計的性能(neng)。本文♍着重(zhong)考慮對🥵小(xiao)型旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的起旋角(jiao)、收縮⚽角和(he)收縮比進(jin)行優化研(yan)究，從而爲(wei)進一步開(kai)發和定型(xing)小型流量(liang)計提供理(li)論上的支(zhi)持。
1旋進旋(xuan)渦流量計(ji)工作原理(li)[6]
　　旋進旋渦(wo)流量計 主(zhu)要由起旋(xuan)器、文丘裏(li)管、消旋器(qi)和檢測傳(chuan)感器組成(cheng)，其結構原(yuan)理如圖1所(suo)示。
　　旋進旋(xuan)渦流量計(ji)是基于旋(xuan)渦進動現(xian)象工作的(de)。流體流入(ru)🔱旋進旋渦(wo)流量計後(hou)，首先通過(guo)一組由固(gu)定螺旋形(xing)葉片組成(cheng)的起旋器(qi)後被強制(zhi)旋轉，使流(liu)體形成旋(xuan)渦，旋渦中(zhong)心爲“渦核(he)”是流體旋(xuan)轉運動速(su)度🥰很高的(de)區域，其外(wai)圍是環流(liu)。流😍體流經(jing)收💘縮段時(shi)旋🎯渦加速(su)，沿流動方(fang)向渦核與(yu)流量計的(de)軸線相一(yi)緻。當進入(ru)擴大段後(hou)，旋渦急劇(ju)減速，壓力(li)上升，中心(xin)區⛷️域的壓(ya)力比周圍(wei)💯壓力低，于(yu)是産生了(le)局部回流(liu)；在回🐪流作(zuo)用下，渦核(he)開⛱️始像剛(gang)體一樣圍(wei)繞中心軸(zhou)在擴張段(duan)壁💋面做螺(luo)旋進💋動。其(qi)進🌈動頻率(lü)與流體的(de)流♍速成正(zheng)比。因此，測(ce)得旋進旋(xuan)渦的頻率(lü)即能反映(ying)流🤟速和體(ti)積流量的(de)大小。
2模型(xing)建立與計(ji)算
2.1仿真模(mo)型的建立(li)
　　根據現有(you)的實物模(mo)型使用NX建(jian)立仿真模(mo)型，根據測(ce)✉️繪得出DN25旋(xuan)進漩渦流(liu)量計重要(yao)尺寸：進出(chu)口直徑爲(wei)25mm，收縮比爲(wei)1.25，收縮段夾(jia)角爲12°，起旋(xuan)器葉片夾(jia)角爲42°，擴張(zhang)段夾角爲(wei)60°，建立如圖(tu)2所示三維(wei)模型。

　　再根(gen)據實物參(can)數建立好(hao)的DN25旋進旋(xuan)渦流量計(ji)模型的基(ji)礎上進行(hang)修改，得到(dao)DN20小型旋進(jin)旋渦流量(liang)計模型。DN20旋(xuan)進旋🔞渦流(liu)量計具體(ti)結構尺寸(cun)數據如下(xia)：進出口直(zhi)徑爲φ20mm，收縮(suo)段夾角爲(wei)12°，起旋器葉(ye)片🌏入射角(jiao)爲42°，收🏃‍♂️縮比(bi)爲1.25（喉部直(zhi)徑爲φ16mm），擴張(zhang)段夾🔞角爲(wei)60°，結構尺寸(cun)如圖3所示(shi)。

2.2流體力學(xue)控制方程(cheng)和湍流模(mo)型
　　旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的流體動(dong)力特性，可(ke)以用流體(ti)力🧑🏽‍🤝‍🧑🏻學🔅基本(ben)方程🏃🏻進行(hang)描述。
　　連續(xu)性方程和(he)動量方程(cheng)：

式（1）、式（2）中：p——靜(jing)壓；ui——流動速(su)度；f——質量力(li)；τij——應力質量(liang)。

　　流量計内(nei)部爲湍流(liu)流動，需引(yin)入湍流模(mo)型，标準的(de)K-Epsilon湍流㊙️模型(xing)用于強旋(xuan)流或帶有(you)彎曲壁面(mian)的流動時(shi)，會出♉現一(yi)定的🏃🏻‍♂️失真(zhen)，因此本文(wen)選用RNGk-?湍流(liu)模型。湍流(liu)模型和相(xiang)關方程在(zai)文獻[5]中有(you)詳細說明(ming)。
3K值系數的(de)确定
3.1不同(tong)流量下的(de)K值系數
　　DN20小(xiao)型旋進旋(xuan)渦流量計(ji)的範圍爲(wei)2.5m3/h～25m3/h，分别選擇(ze)25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作爲仿(pang)真計算的(de)進出口流(liu)量，出口的(de)相對壓力(li)設爲0Pa，壁面(mian)爲無滑移(yi)邊界。先常(chang)定計算，然(ran)後在常定(ding)計算的基(ji)礎上進行(hang)非常定計(ji)算。
　　選取上(shang)述4組仿真(zhen)的同一截(jie)面的同選(xuan)定一測量(liang)點，分别計(ji)算點🔅的壓(ya)力變化頻(pin)率與壓差(cha)，從而判斷(duan)不同流量(liang)下DN20小型旋(xuan)進旋渦流(liu)量計的性(xing)能優劣。
　　截(jie)面取喉部(bu)（擴張段前(qian)截面處），截(jie)面上節點(dian)位置距離(li)壁面❤️3mm，具體(ti)🔞位置如圖(tu)4所示。不同(tong)流量下的(de)節點的壓(ya)力變化雲(yun)圖如圖5所(suo)示。

　　根據圖(tu)5數據，整理(li)可得到以(yi)下數據：流(liu)量爲25m3/h時，0.002s内(nei)壓力💛變化(hua)約爲3.9次，頻(pin)率爲1950Hz，換算(suan)得K此時K系(xi)數約爲281000；流(liu)量爲12.5m3/h時，0.005s内(nei)壓力變化(hua)約爲4.5次，頻(pin)率爲900Hz，換算(suan)得K此時K系(xi)數約爲259366；流(liu)量爲5m3/h時㊙️，0.02s内(nei)壓力變化(hua)約爲6.5次，頻(pin)率爲325Hz，換算(suan)得K此時K系(xi)數約爲233981；流(liu)量爲2.5m3/h時，0.1s内(nei)壓力變化(hua)約爲17次，頻(pin)率㊙️爲170Hz，換算(suan)得K此❤️時K系(xi)數約爲244957。
　　根(gen)據上述數(shu)據整理可(ke)得：平均K系(xi)數值約爲(wei)254825。
　　以上數據(ju)存在以下(xia)問題：當測(ce)量低流量(liang)（2.5m3/h）時，出現壓(ya)差減小，壓(ya)力變化的(de)範圍不大(da)，渦核轉動(dong)幅度減小(xiao)，脈動效應(ying)不明顯，不(bu)利于傳感(gan)器的測量(liang)。針對此問(wen)題，本文♍對(dui)DN20小型旋進(jin)旋渦流量(liang)🌈計進行結(jie)構優化，以(yi)提高流量(liang)計在測量(liang)低流量時(shi)的測量精(jing)度。
3.2針對小(xiao)流量測量(liang)的結構優(you)化
　　參考相(xiang)關論文[7]，影(ying)響流量計(ji)儀表精度(du)與最小測(ce)量流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)3個相關因(yin)素爲：收縮(suo)段角度、起(qi)旋器入射(she)角和喉部(bu)直徑（收💃縮(suo)比🌏）。
　　仿真實(shi)驗選用三(san)因素三水(shui)平正交實(shi)驗，三因素(su)分别⛷️爲：起(qi)旋角💚、收縮(suo)角和收縮(suo)比。起旋角(jiao)對應的三(san)水平爲40/42/45，收(shou)縮比對應(ying)的三水平(ping)爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角(jiao)對應的三(san)水平爲13/11/26。綜(zong)合考慮所(suo)有的因素(su)要🍉實驗27次(ci)，而正交實(shi)驗♊隻要選(xuan)取9組關鍵(jian)實驗，表1爲(wei)正交實驗(yan)表💃。

　　依照三(san)因素三水(shui)平正交實(shi)驗表，按順(shun)序進行正(zheng)交⭕實驗，得(de)到不同情(qing)況下的相(xiang)同時刻的(de)截面壓力(li)雲圖如圖(tu)6所示，截面(mian)壓力的變(bian)化圖如圖(tu)7所示。圖片(pian)按實驗序(xu)号一一對(dui)應。、


　　由正交(jiao)實驗所得(de)到的數據(ju)可知，模型(xing)六與模型(xing)九在低流(liu)量的情況(kuang)下仿真，壓(ya)力變化明(ming)顯，壓力變(bian)化🈲幅度較(jiao)原模型顯(xian)著提高，脈(mo)動效應明(ming)顯，即相較(jiao)于原模型(xing)❄️得到優化(hua)。
3.3确定模型(xing)
　　爲了進一(yi)步驗證模(mo)型參數的(de)優化情況(kuang)，選擇最優(you)模♊型，分别(bie)取不同的(de)進口流量(liang)，對模型六(liu)與模型九(jiu)進行仿真(zhen)實驗，計算(suan)對應的頻(pin)率和K系數(shu)值。
　　考慮到(dao)原模型的(de)流量範圍(wei)在2.5m3/h～25m3/h，頻率爲(wei)150Hz～1500Hz，此次仿真(zhen)實驗取對(dui)應🌈的進口(kou)流量爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和(he)2.5m3/h。
　　模型六不(bu)同進口流(liu)量的對應(ying)壓力變化(hua)圖如圖8所(suo)示。根據4組(zu)仿真實驗(yan)所得數據(ju)，得到模型(xing)六的頻率(lü)輸出範圍(wei)約爲162Hz～2100Hz，K值平(ping)均爲279845，較原(yuan)模型提高(gao)約27%。

　　模型九(jiu)不同進口(kou)流量的對(dui)應壓力變(bian)化圖如圖(tu)9所示。根據(ju)4組㊙️仿真實(shi)驗所得數(shu)據，得到模(mo)型九的頻(pin)率輸出🥰範(fan)圍約爲🔴200Hz～2350Hz，K值(zhi)平均爲322343，較(jiao)原模型提(ti)高約46%。

　　根據(ju)所有相關(guan)數據得出(chu)結論：模型(xing)九相較于(yu)模型🌈六有(you)更好的優(you)化效果。因(yin)此，選取模(mo)型九做爲(wei)最優模型(xing)
3.4測量點的(de)選定
　　由于(yu)流量計的(de)脈動複雜(za)性，在管道(dao)内部對流(liu)場壓力測(ce)量🌐點的選(xuan)取至關重(zhong)要。爲了選(xuan)擇最優測(ce)量點，對整(zheng)個模型進(jin)行仿真實(shi)驗，根據以(yi)往經驗，選(xuan)取喉部附(fu)近不同的(de)8個位置進(jin)行相應的(de)測量，查看(kan)對應的壓(ya)力變化，從(cong)而判斷最(zui)優的測量(liang)點。本次仿(pang)真實驗選(xuan)擇的8個測(ce)量點的位(wei)置如圖10所(suo)示。

　　在低流(liu)量2.5m3/h仿真環(huan)境下，選擇(ze)如圖10所示(shi)的8個不同(tong)節💯點，比較(jiao)壓力變化(hua)幅度及峰(feng)值的變化(hua)。由上述實(shi)驗知模型(xing)九優化效(xiao)果最好，所(suo)以選用模(mo)型九做爲(wei)本次仿真(zhen)🚶實驗的💘仿(pang)真模🐇型，圖(tu)11爲各個不(bu)同節點的(de)壓力變化(hua)圖，其中a、b、c、d、e、f、g和(he)h與圖10上節(jie)點一一對(dui)應。
　　由于脈(mo)動信号的(de)拾取是通(tong)過壓力傳(chuan)感器測得(de)，在傳感器(qi)測量條件(jian)一定的情(qing)況下，壓力(li)幅值變化(hua)越大越容(rong)易測量。由(you)圖11所得數(shu)據可知，c點(dian)和d點的壓(ya)力幅值與(yu)極值大⁉️于(yu)其他測量(liang)點，有利于(yu)🈲壓力傳感(gan)器的檢測(ce)，綜💜合所有(you)實驗的壓(ya)力截面圖(tu)判斷，确定(ding)最優的檢(jian)測點在距(ju)離喉部末(mo)端約0mm～1mm，且距(ju)壁面2mm～4mm處。

4結(jie)語
1）本文根(gen)據DN25旋進旋(xuan)渦流量計(ji)實物模型(xing)，繪制出DN20小(xiao)型旋進旋(xuan)渦流量計(ji)，借助ANSYSFluent對DN20小(xiao)型旋進旋(xuan)渦流量計(ji)進行仿真(zhen)實驗，獲得(de)了DN20小型流(liu)量計不同(tong)結構的内(nei)部流場及(ji)其信息㊙️，分(fen)析了📞流量(liang)計工作範(fan)圍内旋渦(wo)規律和流(liu)量之間的(de)關系，綜合(he)分🐕析後确(que)定⭕其K值系(xi)數🍉。
2）根據DN20微(wei)型旋進旋(xuan)渦流量計(ji)在小流量(liang)工況下的(de)壓力✍️變化(hua)情況，優化(hua)了其結構(gou)，确定起旋(xuan)角爲45°、收縮(suo)比爲20：15、收縮(suo)角爲12°時，可(ke)有效解決(jue)DN20微型旋進(jin)旋渦流量(liang)計對小流(liu)🌈量的測量(liang)不精确的(de)問題。
3）本文(wen)在優化模(mo)型的基礎(chu)上，根據同(tong)一流量下(xia)的壓力變(bian)化情況，綜(zong)合所有實(shi)驗，确定了(le)DN20小型旋進(jin)旋渦流量(liang)計的最優(you)測量🔞點，爲(wei)DN20小型流量(liang)計開發提(ti)供了理論(lun)依據。
4）在上(shang)述仿真研(yan)究和DN20建模(mo)的基礎上(shang)，依次制作(zuo)了DN20小型流(liu)量計3D打印(yin)樣機，通過(guo)測試其實(shi)際K系數在(zai)小流量段(duan)基本接近(jin)理論值，結(jie)♍果表明本(ben)文流量計(ji)的性能達(da)到了開發(fa)預期。

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