[摘要(yao)] 渦輪流(liu)量計 性(xing)能會随(sui)着被測(ce)流體粘(zhan)度的增(zeng)大而變(bian)差，爲了(le)降低介(jie)質粘度(du)🏃‍♀️對渦輪(lun)性能的(de)影響，采(cai)用計算(suan)流體力(li)學CFD)仿🤟真(zhen)的🔆方法(fa)，通過适(shi)當地增(zeng)大頂端(duan)間隙，實(shi)現了對(dui)液體渦(wo)輪流量(liang)計 參數(shu)的定量(liang)優化，并(bing)從葉輪(lun)尾部流(liu)場、葉片(pian)表面壓(ya)力場及(ji)葉輪受(shou)力情況(kuang)等方面(mian)分析了(le)不同的(de)葉輪頂(ding)端問隙(xi)對葉輪(lun)性能産(chan)生影響(xiang)的機理(li)。
　　液體渦(wo)輪流量(liang)計具有(you)測量精(jing)度高、量(liang)程寬、壓(ya)損小⭐、輸(shu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼出📱脈沖(chong)信号、重(zhong)複性和(he)動态響(xiang)應好等(deng)多種優(you)點✉️。在用(yong)于低粘(zhan)度液體(ti)流量測(ce)量時，在(zai)相當寬(kuan)的流量(liang)範圍内(nei)，其測量(liang)精度可(ke)達0.5%~0.15%，重複(fu)性可達(da)0.1%~0.05%。缺點在(zai)于儀表(biao)系數受(shou)被測流(liu)體粘度(du)變化☔的(de)影響較(jiao)大。一般(ban)來㊙️說，粘(zhan)度變化(hua)對線性(xing).特性的(de)影響随(sui)着流量(liang)計口徑(jing)的減小(xiao)而增大(da)。目前，國(guo).内渦輪(lun)❤️流量計(ji)出廠時(shi)🔴，一般都(dou)是用水(shui)或粘度(du)比較低(di)㊙️的柴油(you)進行檢(jian)定，但很(hen)多🚶‍♀️使❗用(yong)者卻用(yong)其來測(ce)量液壓(ya)油、潤滑(hua)油等中(zhong)粘度甚(shen)至高粘(zhan)度液體(ti)的流量(liang)🙇‍♀️。這就迫(po)切要求(qiu)提高渦(wo)輪流🔞量(liang)計在測(ce)量粘性(xing)介質時(shi)的精度(du)。
　　通過改(gai)變葉輪(lun)葉片頂(ding)端間隙(xi)來實現(xian)渦輪的(de)優化✍️在(zai).以🈲往的(de)㊙️文獻口(kou).四中已(yi)有出現(xian)，但如何(he)進行定(ding)量♈的優(you)化及改(gai)變♌頂端(duan)🐆間隙會(hui)對渦輪(lun)的性能(neng)造成多(duo)大的影(ying)響等，卻(que)仍需作(zuo)進一步(bu)的研究(jiu)。
　　通過對(dui)不同葉(ye)輪頂隙(xi)的渦輪(lun)流量計(ji)進行計(ji)算流體(ti)力學CFD)仿(pang)💛真🌐四，當(dang)流體粘(zhan)度爲9.1cSt時(shi)，渦輪的(de)線性度(du)誤㊙️差由(you)0.987%減小至(zhi)0.014%;當流體(ti)粘度爲(wei)31.6eSt時，渦輪(lun)的線性(xing)度誤差(cha)由5.568%減小(xiao)至3.693%。
1渦輪(lun)流量計(ji)CFD仿真方(fang)法
1.1三維(wei)仿真模(mo)型建立(li)
　　以DN10渦輪(lun)流量傳(chuan)感器爲(wei)例進行(hang)研究，按(an)照實驗(yan)所用渦(wo)輪流量(liang)傳🈲感器(qi)的幾何(he)結構參(can)數建立(li)仿真模(mo)型，如圖(tu)1所示。在(zai)渦輪前(qian)後分别(bie)增加10D的(de)直管段(duan)以模拟(ni)實流實(shi)驗中的(de)流動狀(zhuang)态。

1.2網(wang)格劃分(fen)
　　對模型(xing)的網格(ge)劃分是(shi)仿真的(de)關鍵。網(wang)格質量(liang)直接♌影(ying)響仿真(zhen)🆚的求解(jie)過程和(he)結果，若(ruo)所劃網(wang)格質量(liang)太差，在(zai)後續的(de)仿真過(guo)程中☔會(hui)産生很(hen)多問題(ti)，減小收(shou)斂速度(du)，影響求(qiu)解結果(guo)的準确(que)性。在既(ji)♈保證網(wang)格質量(liang)又控制(zhi)網格數(shu)量的條(tiao)件下，對(dui)網格進(jin)行如下(xia)的🌏劃分(fen)。
　　葉輪處(chu)結構較(jiao)爲複雜(za)，所以在(zai)網格劃(hua)分時采(cai)用四🌐面(mian)體網格(ge)，其intervalsize爲0.12。在(zai)葉輪兩(liang)側定義(yi)了interface面，以(yi)聯接葉(ye)輪轉動(dong)區域和(he)其它靜(jing)止區城(cheng)。網格質(zhi)量指标(biao)EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小(xiao)于0.82.
1.3參數(shu)設定
　　選(xuan)取SSTk-w湍流(liu)模型，對(dui)流體特(te)性及邊(bian)界條件(jian)等都嚴(yan)格按🤟照(zhao)⭕實流實(shi)驗進行(hang)設置，并(bing)采用多(duo)參考坐(zuo)标系的(de)方法☔解(jie)決轉動(dong)的流體(ti)區域流(liu)場變化(hua)問題。通(tong)過監🥵測(ce)葉輪及(ji)輪毂的(de)力矩，并(bing)根據驅(qu)動力矩(ju)與阻力(li).矩的差(cha)值對葉(ye)輪轉速(su)大小進(jin)行調節(jie)，當力矩(ju)系數Cm值(zhi)達到10-9時(shi)，認爲💋葉(ye)輪所受(shou)力💁矩達(da)到平衡(heng)，則此時(shi)的葉輪(lun)轉速即(ji)爲合适(shi)的轉速(su)。.
2葉輪頂(ding)端間隙(xi)影響的(de)仿真
2.1頂(ding)端間隙(xi)影響的(de)理論依(yi)據
　　當流(liu)體在管(guan)道内部(bu)流動時(shi)，渦輪流(liu)量計同(tong)時受到(dao)驅動力(li)矩及阻(zu)力矩的(de)作用。其(qi)中阻力(li)矩主要(yao)包括粘(zhan)性摩擦(ca)阻力矩(ju)、機械摩(mo)擦阻力(li)矩和磁(ci)阻力矩(ju)等🔅。而在(zai)測量粘(zhan)性流體(ti)時❄️機械(xie)摩擦阻(zu)力😍矩和(he)磁阻力(li)矩可以(yi)忽略不(bu)計。葉片(pian)邊緣與(yu)殼體内(nei)壁之間(jian)充滿🛀了(le)流體，因(yin)此這一(yi)形式的(de)摩擦阻(zu)力實際(ji)上是由(you)流⛹🏻‍♀️體與(yu)固體壁(bi)面🏒之間(jian)由于存(cun)在着相(xiang)對運動(dong)而引起(qi)的粘性(xing)摩擦阻(zu)力。但是(shi)由于其(qi)間隙💰相(xiang)當小，因(yin)此流體(ti)在這一(yi)狹小間(jian)隙中的(de)流動始(shi)終認❌爲(wei)是處在(zai)層流流(liu)動狀态(tai)，從而可(ke)直接應(ying)用納維(wei)埃一斯(si)托克斯(si)方程對(dui)流場求(qiu)解。

　　式中(zhong):T1爲葉片(pian)頂端與(yu)傳感器(qi)外殼内(nei)壁之間(jian)的粘性(xing)♋摩擦阻(zu)力矩，n·m;r,爲(wei)葉片頂(ding)端處半(ban)徑，m;r。爲流(liu)量計殼(ke)體内壁(bi)半徑，m;C爲(wei)葉片⭐寬(kuan)，m;ρ爲流體(ti)密度，kg/m';v爲(wei)流體運(yun)動粘度(du)，m2/s;0爲葉輪(lun)旋轉角(jiao)速度，rad/s。由(you)(1)式🈲可以(yi)看出，通(tong)過減小(xiao)r,即葉片(pian)☁️頂端處(chu)半⭐徑可(ke)以減小(xiao)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩。
　　雖然(ran)葉片頂(ding)端間隙(xi)的增大(da)可以減(jian)小T1的數(shu)值，增加(jia)葉輪轉(zhuan)👈速，降低(di)渦輪對(dui)流體粘(zhan)性的敏(min)感程度(du)，但是由(you)于随着(zhe)🏃頂隙的(de)增大，漏(lou)流也增(zeng)大，這會(hui)給測量(liang)的精度(du)帶來影(ying)響🐉，因此(ci)要兼顧(gu)兩者以(yi)達到平(ping)衡。
2.2仿真(zhen)數據
通(tong)常采用(yong)葉片頂(ding)端間隙(xi)與管道(dao)半徑之(zhi)比δ對頂(ding)端間隙(xi)進🛀🏻行❄️無(wu)量綱化(hua)

　　選擇了(le)運動粘(zhan)度分别(bie)爲9.1cSt、31.6eSt的柴(chai)油-機油(you)混合液(ye)，對不同(tong)頂🐆端間(jian)隙的渦(wo)輪流量(liang)計進行(hang)仿真，仿(pang)真結果(guo)如表1所(suo)示。從表(biao)中數據(ju)可以看(kan)出，渦輪(lun)流量計(ji)在測量(liang)時，一般(ban)在小流(liu)❤️量點處(chu)的儀表(biao)系數會(hui)小于大(da)流量點(dian)處的儀(yi)表系數(shu)，這是造(zao)成線性(xing)度誤差(cha)的原因(yin)。對👉于相(xiang)同粘度(du)💰的流體(ti)，在相同(tong)流速時(shi)，随着頂(ding)端間隙(xi)🛀的增大(da),渦輪流(liu)量計的(de)旋轉角(jiao)速度增(zeng)大，相應(ying)的儀表(biao)系數也(ye)增大。而(er)渦輪流(liu)量計在(zai)測量粘(zhan)性流體(ti)時主要(yao)受影響(xiang)的是在(zai)🛀🏻小流量(liang)點，頂端(duan)間🥵隙增(zeng)大後，渦(wo)輪在小(xiao)流量點(dian)處的儀(yi)表系數(shu)✏️相對于(yu)大流量(liang)點得到(dao)了更大(da)的提高(gao),故減小(xiao)了線性(xing)度誤差(cha)。即對于(yu)同一介(jie)質粘度(du)，渦輪流(liu)量計🏃‍♀️的(de)儀表系(xi)數受流(liu)量變化(hua)的影響(xiang)在減小(xiao)。

3頂端間(jian)隙影響(xiang)的機理(li)分析
　　通(tong)過分析(xi)渦輪流(liu)量傳感(gan)器内部(bu)的速度(du)場和壓(ya)力場變(bian)✏️化以及(ji)葉片受(shou)力情況(kuang)等，可以(yi)理解在(zai)測量粘(zhan)性流體(ti)時頂端(duan)間隙變(bian)化對流(liu)量傳感(gan)器特性(xing)産生影(ying)響的流(liu)體力學(xue)機理🏃🏻‍♂️。
3.1速(su)度場分(fen)析
　　圖2爲(wei)渦輪葉(ye)片尾部(bu)流體速(su)度矢量(liang)圖，灰色(se)部分爲(wei)葉片。可(ke)以看出(chu)在葉片(pian)的尾部(bu)，流體出(chu)現了流(liu)動分離(li)。靠近葉(ye)輪的流(liu)體，其速(su)度可以(yi)認爲與(yu)葉輪的(de)轉速相(xiang)同，葉輪(lun)的轉速(su)越慢，其(qi)尾部的(de)低☎️流速(su)區越大(da)。

　　比較圖(tu)3(a)和圖3(b)、圖(tu)4(a)和圖4(b)，可(ke)以看出(chu)當流體(ti)粘度一(yi)定時，流(liu)量‼️越大(da)，葉輪的(de)尾部低(di)流速區(qu)越小。當(dang)頂端間(jian)隙由0.2mm增(zeng)加:至0.5mm時(shi)，對于相(xiang)同粘度(du)的流體(ti)和相同(tong)的流量(liang)點，葉輪(lun)尾部低(di)流速區(qu)🐕變小，表(biao)明葉輪(lun)旋轉角(jiao)速度增(zeng)大，即儀(yi)表系數(shu)變大。但(dan)在小流(liu)量點處(chu)，低流速(su)區🥵的相(xiang)對變化(hua)較之于(yu)大流量(liang)點處要(yao)大，即小(xiao)流量點(dian)處葉輪(lun)轉速的(de)相對變(bian)化比大(da)流量點(dian)處要大(da)，則儀表(biao)系數的(de)☂️增加值(zhi)相對也(ye)大，故渦(wo)輪的線(xian)性度誤(wu)差減小(xiao)。

3.2壓力場(chang)分析
　　比(bi)較圖5(a)和(he)圖5(b)、圖6中(zhong)的圖6(a)和(he)圖6(b)，可以(yi)看出，對(dui)于相同(tong)粘度🧡的(de)流體，随(sui)☂️着流量(liang)的增大(da)，高壓區(qu)的面積(ji)變大，且(qie)向葉📱片(pian)的尾部(bu)和頂端(duan)移動，緻(zhi)使葉片(pian)所受驅(qu)動力矩(ju)增加，葉(ye)輪旋☂️轉(zhuan)角速度(du)增大。對(dui)于相同(tong)粘度的(de)流體在(zai)相同的(de)流量點(dian)處，頂端(duan)間隙由(you)0.2mm增大至(zhi)0.5mm時，比較(jiao)🤩圖5和圖(tu)6可以看(kan)出，葉片(pian)表面的(de)高壓區(qu)面積變(bian)大，且向(xiang)葉片的(de)尾部和(he)頂端移(yi)動，緻使(shi)葉輪所(suo)受驅動(dong)力🐇矩增(zeng)加，而🌍由(you)圖7和圖(tu)8可以看(kan)出葉片(pian)♋尾部的(de)低壓區(qu)面積變(bian)小，葉輪(lun)旋轉的(de)阻力減(jian)小，則旋(xuan)轉的角(jiao)速度增(zeng)大，即儀(yi)表系數(shu)增大。

　　由(you)3)式可以(yi)看出，當(dang)其它條(tiao)件一定(ding)時，對于(yu).确定的(de)葉輪🌈轉(zhuan)⛱️速，葉輪(lun)受到的(de)粘性阻(zu)力矩也(ye)是一定(ding)的。那麽(me)，反過來(lai)亦可以(yi)☂️通過粘(zhan)性阻力(li)矩來判(pan)斷葉輪(lun)轉速的(de)大小。
利(li)用Fluent中的(de)Report可以得(de)到渦輪(lun)流量計(ji)所受的(de)壓力力(li)矩✍️和💯粘(zhan)性阻力(li)矩，如表(biao)2所示。

　　比較表(biao)格中的(de)數據可(ke)以得出(chu)，對于具(ju)有相同(tong)粘度的(de)流✍️體和(he)相同的(de)流量點(dian)，當渦輪(lun)的頂端(duan)間隙增(zeng)大時，葉(ye)輪所受(shou)到的粘(zhan)性阻力(li)矩變小(xiao)，這直接(jie)導緻了(le)渦輪的(de)轉速增(zeng)大即儀(yi)✨表系數(shu)增大。在(zai)小流量(liang)點，粘性(xing)阻力矩(ju)相對減(jian)小了16.64%，在(zai)大流量(liang)點，粘性(xing)阻力矩(ju)相對減(jian)小了13.79%，這(zhe)樣渦輪(lun)轉速在(zai)小流量(liang)點處相(xiang)對增加(jia)較爲顯(xian)著，故渦(wo)🔴輪的線(xian)性度誤(wu)差得到(dao)了降低(di)。
4結論
　　對(dui)具有不(bu)同頂端(duan)間隙的(de)液體渦(wo)輪流量(liang)計進行(hang)CFD仿真分(fen)析，當🤟流(liu)‼️體粘度(du)爲9.leSt時，渦(wo)輪的線(xian)性度誤(wu)差由.0.987%減(jian)小至💋0.014%;當(dang)流體粘(zhan)度爲31.6cSt時(shi)，渦輪的(de)線性度(du)誤差由(you)5.568%減小至(zhi)3.693%。通過❌分(fen)析渦輪(lun)的内部(bu)流場✔️及(ji)葉輪受(shou)力情況(kuang)，可🌈以得(de)出以下(xia)
結論:
(1)适(shi)當增大(da)葉輪的(de)頂端間(jian)隙，流體(ti)粘度和(he)流量一(yi)定時，葉(ye)🐕輪尾⛱️部(bu)低流速(su)區減小(xiao)，葉輪旋(xuan)轉角速(su)度增大(da)，即儀表(biao)系數變(bian)大。而小(xiao)流量點(dian)處的低(di)流速區(qu)相對變(bian)化較之(zhi)于大流(liu)量點處(chu)要大，即(ji)小流🚶量(liang)點處葉(ye)輪轉速(su)的相📧對(dui)變化比(bi)大流量(liang)點處要(yao)大，則儀(yi)表系數(shu)的增加(jia)值相對(dui)也大，故(gu)渦輪的(de)線性度(du)誤差減(jian)小。
(2)對于(yu)相同粘(zhan)度的流(liu)體，在相(xiang)同的流(liu)量點，渦(wo)輪的頂(ding)端間隙(xi)适當增(zeng)加時，葉(ye)片尾部(bu)的低壓(ya)區面積(ji)變小，葉(ye)片表面(mian)的高壓(ya)區向葉(ye)片的尾(wei)部和頂(ding)端移動(dong)且面積(ji)變大，緻(zhi)使葉輪(lun)所受驅(qu)動❄️力矩(ju)增加，旋(xuan)轉的角(jiao)💜速度增(zeng)大，儀表(biao)系數增(zeng)大。
(3)對于(yu)相同粘(zhan)度的流(liu)體和相(xiang)同的流(liu)量點，葉(ye)輪所受(shou)🔴到的粘(zhan)性⚽阻力(li)矩随着(zhe)葉輪頂(ding)端間隙(xi)增大而(er)變小，則(ze)葉輪的(de)轉速增(zeng)大✏️，液體(ti)渦輪流(liu)量計系(xi)數增大(da)。在小流(liu)量點，粘(zhan)性阻力(li)矩♉相對(dui)減🔞小值(zhi)較🐕大流(liu)量點處(chu)更爲顯(xian)著，即儀(yi)表系數(shu)相對增(zeng)加值更(geng)大，故渦(wo)輪的🤟線(xian)性度誤(wu)差得到(dao)了降低(di)。

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