0引言(yan)
　　氣體渦輪(lun)流量計 是(shi)計量天然(ran)氣、液化氣(qi)、煤氣等介(jie)質的速度(du)式儀表[1-2]。爲(wei)了改善氣(qi)體渦輪流(liu)量計的性(xing)能，爲設計(ji)提供指導(dao)和方向，近(jin)年來一些(xie)學者利用(yong)CFD技術對其(qi)内部流場(chang)進行了研(yan)究。LavanteEV等[3]利用(yong)FLUENT對氣體渦(wo)輪流量計(ji)内部流🔞場(chang)進行數值(zhi)模拟，并⭐根(gen)據仿真結(jie)果解釋實(shi)驗過程👈中(zhong)的現象。對(dui)前導流器(qi)引起的流(liu)量計壓力(li)損失進行(hang)數值計算(suan)✏️和✌️實驗測(ce)量，從流動(dong)機理上解(jie)釋了結構(gou)和壓損❄️之(zhi)間的🏃🏻‍♂️關系(xi)。LIZhifei等[6]利用數(shu)值模拟得(de)到了導流(liu)👄器内部的(de)速度場和(he)壓力場，并(bing)以減小壓(ya)力損失爲(wei)目标優化(hua)了導流器(qi)的結構。通(tong)過對氣體(ti)渦輪流🌈量(liang)計進行CFD仿(pang)真，研👌究不(bu)同流量下(xia)的壓損值(zhi)，并通過🈲實(shi)驗證明了(le)數值模拟(ni)的有效性(xing)。對渦輪傳(chuan)感器内部(bu)的💋速度場(chang)和壓力場(chang)進✌️行了數(shu)值仿真，提(ti)出對前後(hou)導流器、葉(ye)輪葉片形(xing)狀和頁頂(ding)間隙🤞的改(gai)進。
　　上述研(yan)究中未涉(she)及針對不(bu)同螺旋升(sheng)角渦輪内(nei)流場的數(shu)值模拟，以(yi)及渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角的改變(bian)對✏️儀表性(xing)能影響的(de)研究。本文(wen)對安裝35°和(he)45°葉片螺旋(xuan)升角渦輪(lun)的DN150型氣體(ti)渦輪流量(liang)計的内流(liu)場進行數(shu)值模拟，通(tong)過模拟結(jie)果預測儀(yi)表的始動(dong)流量和壓(ya)力損失，并(bing)利用預測(ce)的正确性(xing)，爲渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角👌的進一(yi)步提⭐供數(shu)值方法。
1數(shu)學模型及(ji)邊界條件(jian)
　　利用FLUENT軟件(jian)對渦輪内(nei)流場進行(hang)數值模拟(ni)時，忽略天(tian)然氣的🛀🏻密(mi)度變化，在(zai)0～1200m3/h内，介質流(liu)動速度遠(yuan)遠小于聲(sheng)速（即馬赫(he)🐇數遠小于(yu)0.3），認爲流體(ti)不可壓縮(suo)，且假設流(liu)動中無熱(re)量交換，不(bu)考慮能量(liang)守恒方程(cheng)。
1.1微分控制(zhi)方程
　　氣體(ti)渦輪流量(liang)計内部流(liu)動爲湍流(liu)黏性流動(dong)，滿足連續(xu)✍️性🤞方程和(he)黏性流體(ti)運動方程(cheng)。
基本微分(fen)方程[9]：
連續(xu)性方程：

1.2
　　湍(tuan)流模型選(xuan)擇由于雷(lei)諾應力項(xiang)的加入使(shi)時均N-S方程(cheng)不封閉，爲(wei)了求解引(yin)入k-ε兩方程(cheng)湍流模型(xing)。兩方程❄️湍(tuan)流✏️模型有(you)标準k-ε模型(xing)，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可(ke)實現的k-ε模(mo)型。其中，RNGk-ε模(mo)型主要應(ying)用🈚于旋轉(zhuan)機械的流(liu)動問題，在(zai)大範圍🧡的(de)湍流模拟(ni)中有較高(gao)的精度。該(gai)模型能夠(gou)比較準✔️确(que)地模拟各(ge)種複雜流(liu)動，其中湍(tuan)流黏度由(you)下式确定(ding)：

1.3網格劃分(fen)與定解條(tiao)件
　　根據流(liu)量計的實(shi)際工況分(fen)别在介質(zhi)入口和出(chu)口處添加(jia)10倍管徑的(de)直管段，并(bing)把整個模(mo)型剖分爲(wei)3個區域💃：入(ru)口管道，旋(xuan)轉👨‍❤️‍👨區，出口(kou)管道。旋轉(zhuan)區域又細(xi)分爲渦輪(lun)轉子和🚶支(zhi)架定子兩(liang)個區域，定(ding)子和轉子(zi)之間的耦(ou)合采用多(duo)參考MRF(MultipleReferenceFrame)模型(xing)。利用GAMBIT前處(chu)理🌏模塊對(dui)進、出口直(zhi)管段采用(yong)結構化🌐網(wang)格，而對旋(xuan)轉區采用(yong)非✏️結構化(hua)網格😘進行(hang)劃分以滿(man)足對葉輪(lun)内部複雜(za)區🈲域的網(wang)格描述，各(ge)塊網格通(tong)過塊之間(jian)的交界面(mian)拼接在一(yi)起。網格總(zong)數爲30多萬(wan)個四面體(ti)非結構化(hua)網格和100多(duo)萬💋個六面(mian)體結♻️構化(hua)網格，旋轉(zhuan)區網格如(ru)圖🤟1所示。

　　定(ding)解條件包(bao)括介質入(ru)口、出口和(he)固壁邊界(jie)的設置。入(ru)口💔處給定(ding)♍相應流量(liang)（1200m3/h）下的主流(liu)速度值；出(chu)口采用🐆壓(ya)力💔出口邊(bian)界條件，出(chu)口壓力相(xiang)對大氣壓(ya)爲0；進、出口(kou)管道㊙️内壁(bi)，支架均取(qu)無滑移固(gu)壁邊界條(tiao)件。葉輪🧑🏾‍🤝‍🧑🏼部(bu)分采用旋(xuan)轉坐标系(xi)，給定相應(ying)流量下的(de)葉輪轉速(su)，将葉片的(de)吸力面和(he)壓力面以(yi)及輪♌毂定(ding)義爲旋♊轉(zhuan)壁面條件(jian)，在旋轉壁(bi)面條件的(de)定義中，按(an)照MRF的要求(qiu)，将旋轉壁(bi)面的旋轉(zhuan)速度定義(yi)爲相對速(su)度，并且相(xiang)對周圍流(liu)體速度爲(wei)0。
2計算結果(guo)分析
2.1壓力(li)場分析
　　 流(liu)量計 全壓(ya)定義爲入(ru)口全壓與(yu)出口全壓(ya)之差，通過(guo)全壓分析(xi)能夠直接(jie)反映儀表(biao)壓損的大(da)小。全壓越(yue)大表明流(liu)✊體經🔞過流(liu)量計後産(chan)生的壓損(sun)越大，壓損(sun)過大會導(dao)緻流量計(ji)不能正常(chang)使用。進口(kou)全壓一定(ding)時，出口全(quan)壓Pout越大，則(ze)流量🙇🏻計的(de)全壓△P越小(xiao)，壓力損失(shi)越小。如圖(tu)2（a）和圖3（a）所示(shi)，35°渦輪出口(kou)全壓要明(ming)顯小于45°渦(wo)輪出口處(chu)的全壓🌈，這(zhe)說明相同(tong)的工況下(xia)45°渦輪所産(chan)生的壓損(sun)較小。

　　渦輪葉(ye)片動壓的(de)分布和大(da)小直接影(ying)響渦輪驅(qu)動力矩的(de)大小，35°葉片(pian)所受動壓(ya)明顯小于(yu)45°葉片所受(shou)動☎️壓，說明(ming)在相同🔴工(gong)況下45°螺👉旋(xuan)升角渦輪(lun)能獲得較(jiao)大‼️的驅動(dong)力矩，如圖(tu)2（b）和圖3（b）所示(shi)，與35°渦輪相(xiang)比，較小的(de)流⛱️量就可(ke)推動渦輪(lun)穩定旋轉(zhuan)，從而使儀(yi)表進入線(xian)性工作區(qu)。由此可預(yu)測安裝45°螺(luo)旋角渦輪(lun)🌈的儀表能(neng)獲得較小(xiao)的始動流(liu)量。
2.2速度場(chang)分析
　　當氣(qi)體介質以(yi)充分發展(zhan)的湍流經(jing)過渦輪時(shi)，35°渦輪的🔆速(su)度矢量方(fang)向變化較(jiao)大且向壁(bi)面集中，使(shi)得與葉片(pian)直接作用(yong)産生推動(dong)🧡力矩的速(su)度矢量減(jian)少，如💃圖（4a)所(suo)示，且在出(chu)口處速度(du)衰減較大(da)，間接說明(ming)介質流經(jing)渦輪後壓(ya)損的增加(jia)，如圖4（b）所示(shi)。而45°渦輪内(nei)部的速度(du)矢量分布(bu)比較均勻(yun)，過流性較(jiao)好，與葉片(pian)直接作用(yong)的速度矢(shi)量較多，産(chan)生較大的(de)驅動力矩(ju)✌️，如圖♍（5a)所示(shi)，且在出口(kou)處速度衰(shuai)減較小，如(ru)圖（5b)所示。



3實驗(yan)對比
　　氣體(ti)渦輪流量(liang)計的檢定(ding)采用負壓(ya)檢測方法(fa)，如圖6所示(shi)，由💛标準吸(xi)風裝置産(chan)生負壓使(shi)标準羅茨(ci)流量計和(he)🌐被檢定的(de)氣體渦輪(lun)流量計同(tong)時測量，安(an)裝在被測(ce)儀表兩端(duan)取壓口👨‍❤️‍👨處(chu)的U型☀️管可(ke)以測量流(liu)量計進、出(chu)口處的壓(ya)力，從而得(de)到儀表的(de)壓力損失(shi)。
　　利用黃金(jin)分割法選(xuan)取0～1200m3/h範圍8個(ge)流量點，在(zai)每一個流(liu)量🚶點随機(ji)采集3組不(bu)同時刻的(de)數據，包括(kuo)标準羅茨(ci)流量計和(he)被檢定流(liu)量計的累(lei)積流量及(ji)其輸出脈(mo)沖數，對✔️每(mei)組數據進(jin)行🧡算術平(ping)均得到流(liu)量點處的(de)平均儀表(biao)系數。通過(guo)采集U型管(guan)壓差裝置(zhi)💰的指示值(zhi)記錄每個(ge)流🔞量點處(chu)的壓力損(sun)失，檢定⭐結(jie)果如表2所(suo)示。

　　利用多(duo)項式插值(zhi)對表2中的(de)數據進行(hang)密化，得到(dao)20組插值數(shu)👣據，通過3次(ci)B樣條拟合(he)得到儀表(biao)系數曲線(xian)和⛱️壓力損(sun)失曲線🤩。
始(shi)動流量以(yi)儀表系數(shu)進入線性(xing)區的最小(xiao)流量來确(que)定，在小🙇🏻流(liu)量區内安(an)裝45°螺旋升(sheng)角渦輪的(de)流量計在(zai)流量20m3/h左右(you)即進入線(xian)性工作區(qu)；而安裝35°螺(luo)旋升角渦(wo)輪的💋流量(liang)計則在流(liu)量150m3/h左右時(shi)才進入線(xian)性工作區(qu)，而且在線(xian)性工作區(qu)内也存在(zai)着明顯的(de)波動，如圖(tu)7所示.

　　35°渦輪流量(liang)計在各工(gong)況點處的(de)壓損明顯(xian)大于45°渦輪(lun)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量計，最(zui)大♍壓損達(da)到3500Pa以上，如(ru)圖8所示。上(shang)述分析表(biao)明安💜裝45°螺(luo)旋升角渦(wo)輪的流量(liang)計與安裝(zhuang)35°螺旋升角(jiao)渦輪的流(liu)量計相比(bi)具有較小(xiao)的始動流(liu)量，較小的(de)壓力損失(shi)，而且儀表(biao)計量的線(xian)性度較好(hao)♉。

4結論
　　對螺(luo)旋升角爲(wei)35°和45°的氣體(ti)渦輪流量(liang)計旋轉部(bu)件内流場(chang)進行數⭐值(zhi)模拟，分析(xi)描述其内(nei)部流動的(de)壓力場和(he)速度場，安(an)🔞裝45°螺旋升(sheng)角渦輪的(de)流量計比(bi)安裝35°螺旋(xuan)升角渦輪(lun)的流量計(ji)具有較小(xiao)的👅始動流(liu)量和壓力(li)損失。
利用(yong)黃金分割(ge)法選取儀(yi)表流量範(fan)圍内的檢(jian)定點，通過(guo)儀表負壓(ya)檢定平台(tai)獲得了儀(yi)表系數曲(qu)線和壓力(li)損失曲線(xian)，與數🧑🏽‍🤝‍🧑🏻值仿(pang)真中的預(yu)測相吻合(he)，表明數值(zhi)模在流量(liang)計性能預(yu)測中的有(you)效性。
　　渦輪(lun)葉片的螺(luo)旋升角是(shi)影響儀表(biao)性能的關(guan)鍵參⭐數👣，合(he)理選擇渦(wo)輪的葉片(pian)螺旋升角(jiao)，可進一步(bu)改善儀表(biao)的性能。

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