[摘要(yao)]采用計(ji)算流體(ti)力學(CFD)的(de)方法對(dui)一口徑(jing)爲80mm的氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji) 進行工(gong)況條件(jian)的數值(zhi)模拟研(yan)究.通過(guo)計算,分(fen)析了流(liu)量計在(zai)不同流(liu)量下,各(ge)部件包(bao)括前整(zheng)流器.前(qian)導流器(qi)、機芯殼(ke)體、葉輪(lun)支座、葉(ye)輪和後(hou).導流器(qi)對壓力(li)損失的(de)影響,給(gei)出了各(ge)部件的(de)流量與(yu)☀️壓力損(sun)失的關(guan)系曲線(xian)及其壓(ya)力損失(shi)比例.數(shu)值模拟(ni)結果與(yu)實驗結(jie)果相符(fu),進而從(cong)流道内(nei)的壓力(li)分布和(he)流場分(fen)⛷️析壓力(li)損失原(yuan)💋因并提(ti)出減少(shao)🏃🏻壓力損(sun)失的改(gai)🔆進思路(lu).
　　在天然(ran)氣的采(cai)集、處理(li)、儲存、運(yun)輸和分(fen)配過程(cheng)中,需要(yao)☎️數以百(bai)🐇萬計的(de)流量計(ji),它既是(shi)天然氣(qi)供需雙(shuang)方貿易(yi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結算的(de)依據,也(ye)是生産(chan)部門用(yong)氣效率(lü)的主要(yao)💰技術指(zhi)标，因此(ci)對流量(liang)計測量(liang)📧正确率(lü)和可靠(kao)性有要(yao)求.
　　氣體(ti)渦輪流(liu)量計屬(shu)于速度(du)式流量(liang)計,是應(ying)用于燃(ran)氣貿易(yi)計量的(de)三大流(liu)量儀表(biao)之一，由(you)于具有(you)重複性(xing)好、量程(cheng)範圍寬(kuan)、适應性(xing)強、精度(du)高、對流(liu)量變化(hua)反應靈(ling)敏、輸出(chu)脈沖信(xin)号、複現(xian)性好和(he)體積小(xiao)等特點(dian)，氣體渦(wo)輪流量(liang)計近年(nian)來已在(zai)石油、化(hua)工和天(tian)然氣👉等(deng)領域獲(huo)得廣泛(fan)的應用(yong)”。
　　随着渦(wo)輪流量(liang)計在管(guan)道計量(liang)領域的(de)廣泛使(shi)用,天然(ran)氣管道(dao)❗輸送過(guo)程中的(de)能耗成(cheng)爲不容(rong)忽視的(de)問題，而(er)天然氣(qi)管道輸(shu)送過程(cheng)中的壓(ya)力損失(shi)是産生(sheng)能源消(xiao)🥵耗的主(zhu)要原因(yin)之一.爲(wei)🥰保證天(tian)然氣能(neng)順利🌈輸(shu)送至用(yong)戶端,就(jiu)需♉要提(ti)高各壓(ya)氣站的(de)輸送壓(ya)力并盡(jin)量減少(shao)管道輸(shu)送過程(cheng)中的壓(ya)力損失(shi),而各級(ji)⛷️管道上(shang)的計量(liang)💃流量計(ji)所造成(cheng)的壓力(li)損失占(zhan)有很大(da)比重，因(yin)✏️此,氣體(ti)🐆渦輪流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失研究(jiu)對節能(neng)減排和(he)推動我(wo)✍️國燃氣(qi)計量儀(yi)表🈲産業(ye)的發展(zhan)💜具有較(jiao)好的推(tui)動作用(yong)，
　　目前，渦(wo)輪流量(liang)計的優(you)化主要(yao)通過改(gai)良其導(dao)流件、葉(ye)輪，軸承(cheng)、非㊙️磁電(dian)信号檢(jian)出器等(deng)部件的(de)結構尺(chi)寸和加(jia)工工👈藝(yi)，來改善(shan)流量計(ji)測量氣(qi)體、高粘(zhan)度流體(ti)和小流(liu)量時的(de)特性.孫(sun)立軍[切(qie)對降低(di)渦輪流(liu)量傳感(gan)器粘度(du)變化敏(min)感度進(jin)行了💚研(yan)究.SUN等0采(cai)用了Standardke湍(tuan)流💜模型(xing)數值模(mo)拟口徑(jing)爲15mm的渦(wo)輪流量(liang)計🛀🏻的内(nei)部流動(dong),結果表(biao)明壓力(li)損失受(shou)到前端(duan)和後端(duan)形狀、導(dao)流體⛱️半(ban)徑、導流(liu)體的導(dao)流片和(he)渦輪葉(ye)片❗厚度(du)的影響(xiang).劉正先(xian)和徐蓮(lian)環回雖(sui)然對氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)的流動(dong)進行實(shi)驗測量(liang)和數值(zhi)計算，發(fa)現前導(dao)流器的(de)結構👨‍❤️‍👨變(bian)化對後(hou)面各部(bu)件内的(de)氣體流(liu)動速度(du)梯度和(he)壓⁉️力恢(hui)複也有(you)明顯影(ying)響,使總(zong)壓力損(sun)失進一(yi)步放大(da)🥵或減🏃小(xiao),但對流(liu)量計的(de)其🏃🏻‍♂️它部(bu)件未進(jin)行分析(xi).本文将(jiang)對一種(zhong)💃型号氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)各部📐件(jian)🌍的壓力(li)損失與(yu)流量的(de)關系進(jin)行分析(xi)研究，以(yi)提出其(qi)優化思(si)路.
1渦輪(lun)流量計(ji)的基本(ben)結構及(ji)工作原(yuan)理
　　本文(wen)采用80mm口(kou)徑氣體(ti)渦輪流(liu)量計作(zuo)爲研究(jiu)對象,對(dui)其👅進♈行(hang)❤️内部流(liu)道的壓(ya)力損失(shi)數值模(mo)拟.氣體(ti)渦輪流(liu)量計結(jie)🙇🏻構示意(yi)圖如圖(tu)1.氣體渦(wo)輪流量(liang)計實物(wu)如㊙️圖2,其(qi)中圖2(a)爲(wei)渦輪流(liu)量計實(shi)物圖,圖(tu)2(b)爲渦輪(lun)流量計(ji)機芯葉(ye)輪實物(wu)圖.
 
　　氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)的原理(li)是,氣體(ti)流過流(liu)量計推(tui)動渦輪(lun)葉片旋(xuan)轉,利用(yong)置于流(liu)體中的(de)葉輪的(de)旋轉角(jiao)速度與(yu)流體流(liu)速成比(bi)例的關(guan)系，通過(guo)測量葉(ye)輪轉速(su)來得🛀🏻到(dao)流體流(liu)速，進而(er)得到管(guan)道内的(de)流量值(zhi)[10].渦🌈輪流(liu)量計輸(shu)出的脈(mo)沖頻率(lü)S與所測(ce)體積☀️;流(liu)量qv成正(zheng)比，即
 
　　式(shi)(2)中:J一葉(ye)輪的轉(zhuan)動慣量(liang);t一時間(jian);ω一葉輪(lun)的轉速(su);Tt一推動(dong)力🌈矩♈;Trm一(yi)㊙️機械摩(mo)擦阻力(li)矩;Ttf一流(liu)動阻力(li)矩;Tre一電(dian)♻️磁阻♊力(li)矩.
2計算(suan)模型
2.1數(shu)學模型(xing)
　　設定渦(wo)輪流量(liang)計數值(zhi)模拟的(de)工作介(jie)質爲空(kong)氣.流動(dong)處于湍(tuan)流流動(dong)，數值模(mo)拟湍流(liu)模型采(cai)用RealizableK-e模型(xing)，該模型(xing)📱适用于(yu)模拟計(ji)算旋轉(zhuan)流動.強(qiang)逆壓梯(ti)度的邊(bian)界層流(liu)動、流動(dong)分離和(he)二次流(liu)等,其模(mo)型方程(cheng)表示爲(wei)11]1:

 
2.2流體區(qu)域網格(ge)劃分
　　使(shi)用Solidworks三維(wei)設計軟(ruan)件依照(zhao)實物尺(chi)寸對渦(wo)輪流量(liang)計各♈部(bu)件進行(hang)建模及(ji)組裝，簡(jian)化主軸(zhou)、取壓孔(kong)和加油(you)孔等對(dui)流體區(qu)城影響(xiang)較小的(de)部分，
　　先(xian)對機芯(xin)部分做(zuo)布爾運(yun)算得到(dao)純流體(ti)區域，然(ran)後對👣葉(ye)🤟輪外加(jia)包絡體(ti)形成旋(xuan)轉區域(yu)，在機芯(xin)進出口(kou)前後均(jun)加🏃‍♀️上15倍(bei)機芯口(kou)徑的直(zhi)管段，以(yi)保證進(jin)出口♈流(liu)動爲充(chong)分發展(zhan)湍流.
　　全(quan)部流體(ti)區域包(bao)括前後(hou)直管段(duan)、葉輪包(bao)絡體以(yi)及機芯(xin)部㊙️分的(de)流體區(qu)域.用Gambit軟(ruan)件對三(san)維模型(xing)進行網(wang)格劃分(fen)，對流體(ti)區域中(zhong)的小面(mian)和尖角(jiao)等難以(yi)生成📞網(wang)格的部(bu)分進行(hang)優化和(he)簡化處(chu)理，流體(ti)區域使(shi)用非結(jie)構化混(hun)合網格(ge)，并對機(ji)芯流道(dao)内葉✌️輪(lun)等流動(dong)情況較(jiao)複雜區(qu)域進行(hang)了✊局部(bu)加密，如(ru)圖3.其中(zhong)圖3(a)爲機(ji)芯流體(ti)區域網(wang)格圖，圖(tu)3(b)爲葉輪(lun)網格圖(tu),整體網(wang)格總數(shu)量約230萬(wan).
 
2.3數值模(mo)拟仿真(zhen)條件設(she)置
　　數值(zhi)計算時(shi)，爲方便(bian)模拟結(jie)果與實(shi)驗結果(guo)的對比(bi),環💋境溫(wen)度、濕度(du)和壓力(li)設置與(yu)實驗工(gong)況相同(tong),流體介(jie)質選擇(ze)空氣,空(kong)氣的密(mi)度ρ和動(dong)力粘度(du)”根據Rasmussen提(ti)出的計(ji)算💁規程(cheng)拟合推(tui)導出的(de)簡化公(gong)式(5)和(6)計(ji)算獲得(de)：
 
　　模型選(xuan)擇Realizablek-e湍流(liu)模型，壓(ya)力插值(zhi)選擇Bodyforceweighted格(ge)式,湍流(liu)動能、湍(tuan)流耗散(san)項和動(dong)量方程(cheng)均采用(yong)二階迎(ying)風格式(shi)離🔞散，壓(ya)力與☔速(su)度的耦(ou)合采用(yong)SIMPLEC算法求(qiu)解，其餘(yu)設置均(jun)采用Fluent默(mo)認值.
　　計(ji)算區域(yu)管道人(ren)口采用(yong)速度入(ru)口邊界(jie)條件，速(su)度方向(xiang)❌垂❗直于(yu)人口直(zhi)管段截(jie)面，出口(kou)邊界條(tiao)件采用(yong)壓力出(chu)口.葉輪(lun)包絡體(ti)設置爲(wei)動流動(dong)區域,其(qi)餘爲靜(jing)流動區(qu)域，采❗用(yong)interface邊界條(tiao)件作爲(wei)分界面(mian)，對于旋(xuan)轉部分(fen)和靜止(zhi)部分之(zhi)間的耦(ou)合采用(yong)多重㊙️參(can)考坐标(biao)模型(MRF).葉(ye)輪采用(yong)滑移邊(bian)界條件(jian)且相對(dui)于附近(jin)旋轉🌈流(liu)體區域(yu)速度爲(wei)零.葉輪(lun)轉速是(shi)通過使(shi)用FLUENT軟件(jian)中的TurboTopol-ogy與(yu)TurboReport功能👅，不(bu)斷調整(zheng)葉輪轉(zhuan)速，觀察(cha)葉輪轉(zhuan)速是否(fou)達到力(li)矩平衡(heng)來确定(ding)的。
3數值(zhi)模拟結(jie)果分析(xi)
　　在流量(liang)計流量(liang)範圍内(nei)選取了(le)13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這6個流(liu)量點進(jin)行同工(gong)🤩況🛀🏻環境(jing)數🐕值模(mo)拟，得到(dao)氣體渦(wo)輪流量(liang)計的内(nei)部流場(chang)和壓力(li)分布等(deng)數據.進(jin)口橫截(jie)面取于(yu)前整流(liu)器前10mm處(chu)，出口橫(heng)截面取(qu)于後導(dao)流體後(hou)10mm處.計算(suan)渦輪流(liu)量計進(jin)🔞出口橫(heng)截面上(shang)的壓💃🏻力(li)差，即得(de)到流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)。
 
　　圖4爲流(liu)量與壓(ya)力損失(shi)之間的(de)關系曲(qu)線,圖中(zhong)實驗值(zhi)是在工(gong)況🤩條件(jian)下使用(yong)音速噴(pen)嘴法氣(qi)體流量(liang)标準裝(zhuang)置測得(de).
　　根據圖(tu)4中壓力(li)損失随(sui)流量的(de)變化趨(qu)勢，可以(yi)将流量(liang)與壓力(li)損失之(zhi)間的關(guan)系拟合(he)曲線爲(wei)二次多(duo)項式,其(qi)表達式(shi)爲
 
　　這與(yu)流量計(ji)的壓力(li)損失計(ji)算公式(shi)(8)趨勢相(xiang)符,均爲(wei)二🌈次函(han)數，且數(shu)值模拟(ni)結果與(yu)實驗結(jie)果吻合(he)得較好(hao)，說👉明渦(wo)🐇輪流量(liang)計的内(nei)💰部流場(chang)數值模(mo)拟方法(fa)及結果(guo)是可行(hang)且可靠(kao)的🌈.流量(liang)計的壓(ya)力損失(shi)計算公(gong)✉️式爲。
 
式(shi)(8)中:△P----壓力(li)損失;α壓(ya)力損失(shi)系數;υ----管(guan)道平均(jun)流速.
　　以(yi)流量Q=250m³/h的(de)數值模(mo)拟計算(suan)結果爲(wei)例進行(hang)渦輪流(liu)量計内(nei)部流場(chang)及壓力(li)場的分(fen)析.圖5爲(wei)渦輪流(liu)量計軸(zhou)🥵向剖面(mian)靜壓分(fen)布圖.前(qian)導流器(qi)前後的(de)壓力場(chang)分布較(jiao)均勻且(qie)壓力梯(ti)度較🌏小(xiao)，在機芯(xin)殼體與(yu)葉輪支(zhi)座連接(jie)凸台♉處(chu)壓力有(you)所增加(jia),連接面(mian)後壓力(li)又逐漸(jian)㊙️減小.故(gu)認爲流(liu)體流經(jing)葉輪支(zhi)座産生(sheng)壓力損(sun)失的👅主(zhu)要原因(yin)是㊙️連接(jie)處存在(zai)凸台,導(dao)緻流場(chang)出現較(jiao)大🌈變化(hua)，不能💯平(ping)滑過渡(du),建議将(jiang)葉輪支(zhi)座與機(ji)芯殼體(ti)的連接(jie)改爲圓(yuan)弧線型(xing)或流線(xian)型.
　　觀察(cha)圖5和圖(tu)6,當流體(ti)流經葉(ye)輪從後(hou)導流器(qi)流出渦(wo)輪流量(liang)計時⭐,壓(ya)力梯度(du)變化明(ming)顯，存在(zai)負壓區(qu)域并造(zao)成📞很大(da)的壓降(jiang)，在後導(dao)❗流器凸(tu)台及流(liu)量計出(chu)口處速(su)度👌變化(hua)明顯，由(you)于氣流(liu)通過後(hou)導流器(qi)後流道(dao)突擴,在(zai)後導流(liu)器背面(mian)形成明(ming)顯的低(di)速渦區(qu)，産生🙇‍♀️漩(xuan)渦二次(ci)流。
 
　　結合(he)圖7、圖8流(liu)量計軸(zhou)向剖面(mian)和出口(kou)橫截面(mian)的總壓(ya)及速度(du)分🏃🏻布圖(tu),其速度(du)分布與(yu)壓力分(fen)布相似(si),流量計(ji)流道内(nei)速度分(fen)布較均(jun)勻的區(qu)域其壓(ya)力梯度(du)變化也(ye)較小，即(ji)流⭐道内(nei)速度的(de)分布和(he)變化與(yu)壓力損(sun)失大小(xiao)相關.由(you)流量計(ji)軸向剖(pou)面和出(chu)口🐇橫截(jie)面的速(su)度及壓(ya)力分布(bu)圖可以(yi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼看出,流(liu)量計後(hou)導流器(qi)處❗産生(sheng)的漩渦(wo)二次流(liu)影響了(le)出⛹🏻‍♀️口橫(heng)截面處(chu)的速度(du)🌈及壓力(li)分布,流(liu)體呈螺(luo)旋🔅狀流(liu)動,故✍️出(chu)口處速(su)度及壓(ya)力較大(da)區域均(jun)偏移向(xiang)流體旋(xuan)轉方向(xiang)。
 
　　流量計(ji)各部件(jian)的壓力(li)損失随(sui)流量變(bian)化的趨(qu)勢與流(liu)量計總(zong)壓⁉️力損(sun)失随流(liu)量的變(bian)化趨勢(shi)相同,其(qi)拟合公(gong)式爲系(xi)數不同(tong)的二次(ci)多項式(shi)，各部件(jian)的壓力(li)損失與(yu)流量呈(cheng)二次函(han)數關系(xi)，随着流(liu)量的增(zeng)加，壓力(li)損失顯(xian)著增加(jia).
 
　　觀察圖(tu)10各部件(jian)壓力損(sun)失百分(fen)比圖，可(ke)見前整(zheng)流器、前(qian)導流器(qi)和🍉機芯(xin)殼體處(chu)的壓力(li)損失很(hen)小，葉輪(lun)支座處(chu)壓力損(sun)失約占(zhan)㊙️總壓力(li)損失的(de)1/4.前整流(liu)器所占(zhan)壓力損(sun)失比例(li)🌈在各流(liu)🔴量點基(ji)本保持(chi)不變,前(qian)導流器(qi)和機芯(xin)殼體處(chu)的壓力(li)損失随(sui)流量的(de)♍增加其(qi)比例略(lue)有降低(di),葉輪支(zhi)座處壓(ya)力損失(shi)随流量(liang)的增加(jia)其比例(li)略有🌏增(zeng)加,但總(zong)體上受(shou)流量影(ying)響不大(da)🏃🏻.葉輪處(chu)的壓力(li)損失随(sui)流量從(cong)😍13m³/h增加至(zhi)250m³/h,其比例(li)從15.88%降至(zhi)8.71%,降幅明(ming)顯.後導(dao)流器處(chu)的壓力(li)損失占(zhan)總壓力(li)損失的(de)大半,随(sui)着🌈流量(liang)從13m³/h增加(jia)至250m³/h其壓(ya)力損失(shi)比例由(you)43.77%升至55.83%,增(zeng)幅明顯(xian).總之,後(hou)🍉導流器(qi)、葉輪支(zhi)座和葉(ye)輪是流(liu)體流經(jing)渦輪流(liu)量計産(chan)生壓力(li)損失的(de)主要影(ying)響部件(jian)🆚,可通過(guo)優化其(qi)結構以(yi)降⛱️低渦(wo)輪流量(liang)計的總(zong)壓力損(sun)失.
4結語(yu)
　　本文采(cai)用Fluent軟件(jian)對一口(kou)徑爲80mm的(de)渦輪流(liu)量計内(nei)部進行(hang)了🈚數💔值(zhi)㊙️模拟計(ji)算,分析(xi)内部流(liu)場、壓力(li)場及各(ge)部💛件産(chan)生的壓(ya)力損失(shi)💛,得出☂️以(yi)下結論(lun):
1)漩渦二(er)次流是(shi)産生能(neng)量消耗(hao)的主要(yao)原因,故(gu)建議對(dui)渦輪流(liu)量計葉(ye)輪支座(zuo)及後導(dao)流器進(jin)行幾.何(he)參數的(de)優化,将(jiang)其凸台(tai)邊緣改(gai)爲流線(xian)型以減(jian)少流道(dao)突擴的(de)影響.減(jian)少後導(dao)流器葉(ye)片厚度(du)♊并增加(jia)其長📞度(du)及數量(liang)以減弱(ruo)氣體螺(luo)旋狀流(liu)動,減弱(ruo)漩渦二(er)次流,達(da)到降低(di)👨‍❤️‍👨流量計(ji)壓力損(sun)失的目(mu)的.
2)分析(xi)各部件(jian)對壓力(li)損失的(de)影響,其(qi)壓力損(sun)失與流(liu)量成二(er)次函數(shu)關系.後(hou)導流器(qi)相對于(yu)其他部(bu)件是壓(ya)力😘損失(shi)的主要(yao)因素,約(yue)占總壓(ya)力損失(shi)的一半(ban),随着流(liu)量的增(zeng)加其壓(ya)力損失(shi)占總壓(ya)力損失(shi)的比例(li)上升了(le)11.26%.葉輪支(zhi)座的🔱壓(ya)力損失(shi)約占總(zong)壓力損(sun)失的1/4,其(qi)壓力損(sun)失💯比例(li)随流量(liang)的增加(jia)基本不(bu)變.随着(zhe)流量的(de)增加葉(ye)輪産生(sheng)的壓力(li)損失比(bi)例降幅(fu)明㊙️顯.
　　通(tong)過數值(zhi)模拟分(fen)析得出(chu)速度的(de)分布和(he)變化與(yu)壓🌂力損(sun)失大☔小(xiao)相關,通(tong)過優化(hua)流量計(ji)流道内(nei)的速度(du)🛀分布可(ke)降低流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失,後續(xu)相關的(de)渦輪流(liu)量計優(you)化研👌究(jiu)可從優(you)化其🏃🏻‍♂️流(liu)道内速(su)度分布(bu)人手.

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