[摘要] 渦輪流量(liang)計 性能會随着(zhe)被測流體粘度(du)的增大而變差(cha)，爲了降低介質(zhì)粘度對渦輪性(xìng)能的影響，采用(yòng)計算流體力🛀🏻學(xué)CFD)仿真的方法，通(tōng)過适當🌏地增大(dà)頂端間隙，實現(xiàn)了對液體渦輪(lún)流量計 參數的(de)定量優化，并從(cong)葉輪尾部流場(chǎng)、葉片表面壓力(lì)場📱及葉輪受力(lì)情況等方面分(fèn)析了不同的葉(ye)輪♊頂端問隙對(duì)葉輪性能産生(sheng)影響的機理。
　　液(yè)體渦輪流量計(jì)具有測量精度(dù)高、量程寬、壓損(sǔn)小、輸出✨脈沖信(xin)号、重複性和動(dong)态響應好等多(duō)種優點。在用于(yu)低粘度液體🔞流(liu)量測量時，在相(xiang)當寬的流量範(fan)圍内，其測量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻精(jīng)度可達0.5%~0.15%，重複🥵性(xìng)可達0.1%~0.05%。缺點在于(yu)儀💜表系數受被(bèi)測流體粘度變(biàn)化的影響較大(da)。一般來☔說，粘度(du)變化對線性.特(te)性💃的影響随着(zhe)流量計口徑🌂的(de)減小而增大。目(mù)前，國.内渦輪流(liú)量計出廠時，一(yi)般都是用水☂️或(huò)粘度比較低的(de)柴油進行檢定(ding)，但很多使用者(zhě)卻用其來測💰量(liang)液壓油、潤滑油(yóu)🌈等中粘度甚🔞至(zhì)高粘度液體的(de)流量。這就迫切(qie)要求提高渦輪(lun)流✨量計在測量(liàng)粘性介質時的(de)精度。
　　通過改變(bian)葉輪葉片頂端(duān)間隙來實現渦(wō)輪的優化在.以(yǐ)往的文獻口.四(si)中已有出現，但(dàn)如何進行定量(liang)❤️的優✔️化及💃🏻改變(bian)🐆頂端🈲間隙會對(duì)渦輪的性能造(zao)成多大的影♻️響(xiang)等，卻仍需作❗進(jin)一步✊的研究。
　　通(tong)過對不同葉輪(lun)頂隙的渦輪流(liu)量計進行計算(suan)流🐅體力學㊙️CFD)仿真(zhen)♉四，當流體粘度(du)爲9.1cSt時，渦輪的線(xiàn)性度誤差由0.987%減(jian)小至0.014%;當流體粘(zhan)度爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差由(yóu)5.568%減小至3.693%。
1渦輪流(liú)量計CFD仿真方法(fǎ)
1.1三維仿真模型(xing)建立
　　以DN10渦輪流(liu)量傳感器爲例(li)進行研究，按照(zhào)實驗所用渦輪(lún)流量傳感器的(de)幾何結構參數(shu)建立仿真模型(xíng)，如圖1所示。在渦(wo)輪前後分别增(zēng)加10D的直管段以(yi)模拟實流實驗(yàn)中的流動狀态(tài)。

1.2網格劃分
　　對(dui)模型的網格劃(huà)分是仿真的關(guan)鍵。網格質量直(zhi)接影響🏃‍♀️仿真的(de)求解過程和結(jie)果，若所劃網格(ge)質量太差，在👅後(hou)續💔的仿真過程(chéng)中會産生很多(duo)問題，減小收斂(liǎn)速度，影響求解(jiě)結果的準确性(xìng)。在既保證網格(ge)質量又控制網(wang)格數量🧡的條件(jian)下，對網格進行(hang)如下的⛷️劃分。
　　葉(yè)輪處結構較爲(wei)複雜，所以在網(wang)格劃分時采用(yong)四面💞體網🌏格，其(qi)intervalsize爲0.12。在葉輪兩側(ce)定義了interface面，以聯(lián)接葉輪轉動區(qū)域和其它靜止(zhi)區城。網格質量(liang)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小🔱于(yu)0.82.
1.3參數設定
　　選取(qǔ)SSTk-w湍流模型，對流(liú)體特性及邊界(jiè)條件等都嚴格(ge)📱按照實⚽流實驗(yan)進行設置，并采(cǎi)用多參考坐标(biāo)系的方法🤩解決(jué)🏃‍♀️轉動的流體區(qu)㊙️域流場變化問(wen)題。通過監測葉(ye)輪🔱及輪毂的力(lì)矩，并根據⛹🏻‍♀️驅動(dong)力矩與阻力.矩(jǔ)的差值對葉輪(lun)轉速大小進行(háng)調節，當力♊矩系(xì)數Cm值♍達到10-9時，認(rèn)爲葉輪所受力(li)矩達到平衡，則(ze)此時的葉輪轉(zhuan)速即爲合适的(de)轉速。.
2葉輪頂端(duan)間隙影響的仿(pang)真
2.1頂端間隙影(ying)響的理論依據(jù)
　　當流體在管道(dào)内部流動時，渦(wo)輪流量計同時(shi)受到驅動力矩(ju)及阻力矩的作(zuo)用。其中阻力矩(jǔ)主要包括粘性(xìng)摩擦阻力矩、機(jī)械摩擦阻力矩(ju)和磁阻力矩等(deng)。而在測量粘性(xing)流體時機械摩(mó)擦阻力🔴矩和磁(cí)阻力矩可以忽(hū)略不計。葉🍉片邊(biān)緣與殼體内壁(bì)之間充滿了流(liu)體，因此🏃🏻這一形(xíng)式的摩擦阻力(lì)實際上是由流(liú)體與固體壁面(miàn)之間由于存在(zai)着相對運動而(er)引起的粘性摩(mo)擦阻力。但是由(you)⁉️于其間隙相當(dāng)小，因此流📞體在(zai)這一狹小間隙(xì)✊中的流動始終(zhong)認爲是處在層(céng)流流動狀态，從(cong)而可直接應用(yong)納維埃一斯托(tuo)🥵克斯方程對流(liú)場求解。

　　式中:T1爲(wei)葉片頂端與傳(chuan)感器外殼内壁(bì)之間的粘性摩(mo)擦阻力矩，n·m;r,爲葉(yè)片頂端處半徑(jìng)，m;r。爲流量計殼體(ti)内⚽壁半🌍徑，m;C爲葉(ye)片寬，m;ρ爲流體密(mì)度，kg/m';v爲流體運動(dong)粘度，m2/s;0爲葉輪旋(xuan)轉角速🔴度，rad/s。由(1)式(shì)可以看📧出，通過(guo)減小r,即葉片頂(dǐng)端處半徑可以(yǐ)減小粘性摩擦(cā)阻力矩🔞。
　　雖然葉(yè)片頂端間隙的(de)增大可以減小(xiao)T1的數值，增加葉(yè)輪㊙️轉速，降低渦(wo)輪對流體粘性(xing)的敏感程度，但(dan)是🎯由于随着頂(dǐng)隙的增大，漏流(liú)也增大，這會給(gei)測量的精度帶(dài)來影響，因此要(yào)🍓兼顧兩者以達(dá)☁️到平衡。
2.2仿真數(shù)據
通常采用葉(yè)片頂端間隙與(yǔ)管道半徑之比(bi)δ對頂端間隙✊進(jin)行無量綱化

　　選(xuan)擇了運動粘度(dù)分别爲9.1cSt、31.6eSt的柴油(yóu)-機油混合液，對(duì)不同頂端間隙(xi)的渦輪流量計(jì)進行仿真，仿真(zhēn)結果如表1所🍓示(shì)。從🆚表中數據可(kě)以看出，渦輪流(liú)量計在測量時(shí)，一般在小流量(liang)點處的儀表系(xì)數會🐇小于大流(liú)量🌈點處的儀😘表(biao)系數，這⚽是造成(chéng)線性度誤差🐪的(de)原因。對于相同(tong)粘度的流體，在(zài)相同流速時，随(sui)着頂端間隙的(de)增大,渦輪流量(liang)計的旋轉角速(su)度增大，相應的(de)儀表系數也增(zēng)大。而渦輪流量(liang)計在測量粘性(xing)流體時主要受(shòu)影響的是在小(xiǎo)流量點，頂端間(jiān)隙🤟增大後，渦輪(lun)在小流量點處(chù)的儀表系數相(xiàng)對于大流量點(diǎn)得🚶‍♀️到了更大的(de)提高,故減小了(le)線性度誤差。即(jí)對于同❄️一介質(zhì)粘度，渦輪流量(liàng)計的儀表系數(shù)受流量變化的(de)影響在減小。

3頂(ding)端間隙影響的(de)機理分析
　　通過(guo)分析渦輪流量(liàng)傳感器内部的(de)速度場和壓力(li)場變化以✍️及葉(ye)片受力情況等(děng)，可以理解在測(cè)量粘性流體時(shi)頂端📐間隙變化(hua)對流量傳感器(qì)特性産生✉️影響(xiang)的流體力學機(jī)理🔴。
3.1速度場分析(xī)
　　圖2爲渦輪葉片(piàn)尾部流體速度(dù)矢量圖，灰色部(bu)分爲👉葉㊙️片。可以(yǐ)看出在葉片的(de)尾部，流體出現(xian)了流動分離。靠(kao)近葉輪的流體(ti)，其速🌈度可以認(ren)爲與葉輪的轉(zhuan)速相同，葉輪的(de)🆚轉速越慢，其尾(wěi)部的低流速區(qū)越大。

　　比較圖3(a)和(he)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可以(yǐ)看出當流體粘(zhān)度一定時，流量(liàng)越大，葉輪的尾(wěi)部低流速區越(yuè)小。當頂端間隙(xi)由0.2mm增加:至0.5mm時，對(duì)于相同粘度的(de)流體和相同的(de)流量點，葉輪尾(wěi)部低流速區變(bian)小，表明葉輪旋(xuan)轉角速度增大(dà)，即儀表系數變(bian)大。但在小流量(liàng)點處，低流速區(qu)的相對變化較(jiao)之于大流量點(dian)處要大，即小流(liú)量點處葉輪轉(zhuan)速的相對變化(hua)比大流量點處(chu)要大，則儀表系(xi)數的增加值相(xiang)對也大，故渦輪(lun)的線性度誤差(chà)減小。

3.2壓力場分(fen)析
　　比較圖5(a)和圖(tu)5(b)、圖6中的圖6(a)和圖(tú)6(b)，可以看出，對于(yu)相同粘度的流(liu)體，随着流量的(de)增大，高壓區的(de)面積變大，且向(xiàng)葉片的尾部和(he)頂🌍端移動，緻使(shi)葉片所受驅動(dong)力矩增加，葉輪(lun)旋轉角速🚶度增(zēng)大。對于相同粘(zhān)度的流體在相(xiàng)同的流量點處(chu)，頂端間隙由0.2mm增(zēng)大至0.5mm時，比較圖(tú)5和圖6可以⭕看出(chu)，葉片表面的高(gāo)壓區面積變大(dà)，且向葉片的尾(wěi)部🈲和頂端移動(dong)，緻使葉輪所受(shòu)驅動力⭐矩增加(jiā)，而由圖7和☂️圖8可(ke)以看出葉片尾(wěi)部的低壓區面(mian)積變小，葉輪旋(xuan)轉的阻力減小(xiǎo)，則旋轉的角速(su)度增大，即儀表(biǎo)系數增大。

　　由3)式(shi)可以看出，當其(qí)它條件一定時(shí)，對于.确定的葉(ye)輪♉轉速，葉🚶‍♀️輪🐅受(shou)到的粘性阻力(li)矩也是一定的(de)。那麽，反過來亦(yi)可以通過粘性(xing)阻力矩來判斷(duàn)葉輪轉速的大(da)小✊。
利用Fluent中的Report可(ke)以得到渦輪流(liú)量計所受的壓(ya)力力矩🐉和粘性(xìng)阻力矩，如表2所(suǒ)示。

　　比較表格(ge)中的數據可以(yǐ)得出，對于具有(yǒu)相同粘度的流(liú)體和相同的流(liú)量點，當渦輪的(de)頂端間隙增大(dà)時，葉輪所受到(dào)的粘性阻力矩(ju)變小，這直接導(dǎo)緻了渦輪的轉(zhuan)速增大即儀表(biǎo)系數增大。在小(xiǎo)流量點，粘性阻(zǔ)力矩相對減小(xiao)了16.64%，在大流量點(diǎn)，粘性阻力矩相(xiang)對減小了13.79%，這樣(yàng)渦輪轉速在小(xiao)流量點處相對(dui)增加較爲顯著(zhe)，故㊙️渦輪的線性(xìng)度誤差得到了(le)降低。
4結論
　　對具(ju)有不同頂端間(jiān)隙的液體渦輪(lún)流量計進行CFD仿(páng)❓真分析，當流體(tǐ)粘度爲9.leSt時，渦輪(lun)的線性度誤差(cha)由.0.987%減✉️小至0.014%;當流(liu)🚶體粘度爲31.6cSt時，渦(wo)輪的線性度誤(wù)差由5.568%減小至3.693%。通(tōng)過分析渦輪的(de)内部流場及葉(yè)輪受力情況，可(ke)以得出以下
結(jie)論:
(1)适當增大葉(yè)輪的頂端間隙(xì)，流體粘度和流(liú)量一定時，葉輪(lun)尾部低流速區(qū)減小，葉輪旋轉(zhuan)角速度增大，即(ji)儀表系🈲數變🌂大(da)。而小流量點處(chù)的低流速區相(xiang)對變化較之于(yu)大🔞流量點處要(yao)大，即小流量點(dian)處葉輪轉速的(de)相對變化比大(da)流量點處要大(da)，則儀表系數的(de)增加值相㊙️對也(yě)大，故渦輪的線(xiàn)性度🔞誤差減小(xiao)。
(2)對于相同粘度(du)的流體，在相同(tóng)的流量點，渦輪(lún)的頂端間隙适(shi)當增加時，葉片(piàn)尾部的低壓區(qū)面積變小，葉片(piàn)表面的高壓區(qu)向葉片的尾部(bu)和頂端移動且(qiě)面積變大，緻使(shǐ)葉輪所🏃‍♂️受驅動(dòng)力矩增加，旋轉(zhuǎn)的角速度增大(da)，儀表系數🚶‍♀️增大(da)。
(3)對于相同粘度(du)的流體和相同(tong)的流量點，葉輪(lún)所受到的🌈粘👌性(xing)阻力矩随着葉(ye)輪頂端間隙增(zēng)大而變小，則葉(ye)輪的轉速增大(dà)📞，液體渦輪流量(liàng)計系數增大。在(zài)小流量點，粘性(xing)㊙️阻力矩相對減(jian)小值較大流量(liang)點處更爲顯著(zhe)，即儀表系數相(xiang)對增加值更大(da)，故渦輪的線性(xing)度誤差得到了(le)降低🆚。

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