摘要(yao)：爲優化小流量(liàng)渦輪流量計 結(jié)構,建立小流量(liang)渦輪流量計的(de)數學模型和三(san)維模🙇🏻型,通過其(qí)☎️流場特性進行(hang)仿真分析,研究(jiu)導流架端部的(de)形狀、葉輪與導(dao)流架之間凹槽(cao)寬度、葉輪面⛹🏻‍♀️積(jī)和形狀對葉輪(lún)穩定旋轉的影(yǐng)響,并對不同結(jie)構導流架端部(bù)的小流📐量渦輪(lun)流量計的流場(chang)特性進行了分(fèn)析,圓🌂錐形結構(gou)葉輪的高壓低(di)速區面積最小(xiao)，能夠有效減少(shǎo)壓力損失,提㊙️高(gao)流量計的測量(liang)精度。
0引言
　　渦輪(lún)流量計 是一種(zhong)典型的速度式(shi)流量計,具有精(jing)度高、重複性好(hǎo)♋、結構簡單、在石(shí)油、化工、航空航(hang)天、電力等領域(yù)有着及其重要(yao)的應用中。爲解(jiě)決氣液兩相流(liú)量計量問題,文(wén)獻[2]設計了一種(zhong)雙渦輪質量流(liú)量計;文獻[3]針對(dui)傳統渦輪流量(liang)計需鋪設電源(yuan)線和信号傳輸(shu)電纜,使用不方(fāng)便的問題,設計(ji)了一種基于ARM單(dān)片機的無線渦(wō)輪流量計;文獻(xiàn)[4]采用3葉片長螺(luo)旋形結構設計(jì)了一種新型的(de)渦輪流量計;文(wén)獻[5]研究了基于(yu)渦輪式氣體流(liu)量傳感器的呼(hū)氣容量計💛算方(fāng)法;文獻[6]研究了(le)渦輪流量計變(biàn)粘度流量計算(suàn)與校準方法;文(wen)獻[7]研究了一種(zhǒng)高壓氣體渦輪(lún)流量計。這些研(yan)究✔️推動了渦輪(lun)流量計研究和(hé)💋應用,随着小流(liú)量計量精度要(yào)求的不斷提高(gāo)，小流量渦輪流(liú)量計的流場特(te)性等受🧑🏽‍🤝‍🧑🏻到關注(zhù)。本文從小流量(liang)渦輪流量計設(shè)計需求出發,通(tong)過建立小流量(liang)渦輪流🌈量計的(de)數學模型、三維(wéi)模型,仿真分析(xī)小流量㊙️渦輪流(liu)量計的流場特(te)性，研究其優化(hua)設計。
1渦輪流量(liang)傳感器工作原(yuan)理
　　渦輪流量計(ji)依靠流經管道(dào)的流體對置于(yú)管道内葉輪葉(ye)片的沖擊驅動(dòng)葉輪轉動,如圖(tú)1所示，其核心結(jie)構包括殼體、前(qian)後🌈導流架、葉輪(lún)、軸承和磁鋼。其(qi)中殼體連接外(wai)部管道,固定内(nèi)部⭐結構部🔞件,對(duì)進入殼體内的(de)流體進行微整(zheng)流;葉輪空心輪(lun)毂✉️内裝磁鋼,兩(liǎng)端裝有軸承,與(yǔ)導流架.配合,保(bao)證葉輪穩定旋(xuán)轉,實現流量大(dà)小⭐的計量。
 
2小流(liu)量渦輪流量計(ji)數學模型
　　流體(tǐ)流速流量與葉(ye)輪角速度成比(bi)例關系,通過對(dui)渦.輪葉片🤩.上力(li)矩的分析,綜合(hé)小流量渦輪流(liu)量計的葉輪結(jie)構特性及♌其制(zhì)造工藝,依據動(dòng)量矩定理⁉️得到(dào)葉輪運動方程(cheng)爲:
 
　　式(1)中,J爲葉輪(lún)轉動動量;ɷ爲葉(yè)輪旋轉角速度(dù);Md爲葉輪驅動力(lì)📞矩,Mr,爲葉片表面(miàn)粘性摩擦阻力(li)矩;Mb爲軸與軸承(cheng)間的粘性摩👅擦(cā)阻力矩;Mh爲輪毂(gū)周面上粘性摩(mó)擦阻力矩;Mw爲輪(lún)毂端面上的粘(zhān)性摩擦阻力矩(jǔ);Mt爲葉片頂端與(yu)殼🎯體間隙的粘(zhān)性摩擦阻力矩(ju);Mm爲電磁阻力🚶矩(jǔ)和軸承上摩擦(ca)阻力矩🛀🏻之和。
式(shì)(1)中:
 
　　式(3)中ρ爲流體(ti)密度;Q爲流體體(ti)積流量;u1爲流體(tǐ)的軸向來流速(su)度;u2爲流體流出(chu)時葉片速度;a1爲(wèi)流體流人時與(yu)葉輪圓周方向(xiàng)的夾角☔;a2爲流體(tǐ)流出葉片與葉(yè)輪圓周切📐向的(de)夾角;如圖2葉片(pian)入口和出口的(de)速度平🙇🏻面圖所(suǒ)示。
　　當流量恒定(ding)時,式(3)中ρ、Q、u1、a1爲已知(zhī)量,考慮到葉輪(lún)葉片旋轉🍉方向(xiàng)上流❗體進出口(kou)線速度相同,記(ji)進出口線速度(dù)分别設㊙️爲Ur1和👌ur2,ur1=ur2=ur;記(ji)流體與葉輪葉(ye)片出入口的相(xiàng)對💜角速度分别(bie)爲ɷ1和ɷ2,則圓周運(yùn)動方向夾角β2與(yu)葉片與軸線結(jie)構夾角θ之間有(yǒu)式(4)所示關系:
 
 
　　式(shì)(9)中,ɷh?爲輪毂處角(jiao)速度;βw爲平均相(xiàng)對流速方向與(yu)葉輪軸線間角(jiǎo)度;Ah爲葉片部分(fen)輪毂面積,R0爲葉(ye)輪所在殼體内(nèi)徑,Rh爲輪毂半徑(jìng)
輪毂周面粘性(xing)摩擦阻力矩Mhf爲(wei):
 
3渦輪流量計三(sān)維流場仿真與(yǔ)優化設計
3.1葉輪(lun)三維模型建立(li)
　　基于上述分析(xī)可見，葉輪的運(yùn)動特性主要受(shou)其結構參數、流(liú)體粘性系數等(deng)影響。爲分析小(xiǎo)流量渦輪結構(gòu)的流場特🍓性,設(she)計參數如表1所(suǒ)示葉輪系統,借(jie)助UG軟件建立其(qí)三維仿✊真模型(xing);将該三維模型(xing)導入ANSYSWork-bench軟件中仿(páng)真。
 
　　考慮到葉輪(lún)的運動性能是(shì)流量計量的核(he)心,仿真中采用(yong)小四面體網格(gé)。小尺寸窄表面(mian)采用局部網格(ge),渦輪旋🔴轉區劃(hua)分的網格數約(yue)爲230萬,整個模型(xíng)劃🌈分的網格總(zǒng)數爲353萬。
3.2葉輪流(liu)場特性分析
3.2.1葉(yè)輪速度場分析(xī)
　　分别取流量爲(wèi)5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉輪流場仿(pang)真分析,獲得上(shàng)述流量下🙇‍♀️葉輪(lún)後導流架後端(duan)速度矢量圖(圖(tu)3(a),(b),(c)所示),可見流體(ti)與前導流架前(qián)端碰撞産生低(di)速區，靜壓力變(biàn)大,且随🌏流量增(zeng)大而變⛹🏻‍♀️大,壓力(lì)㊙️損失明顯;流體(ti)進入前導流架(jià)後,流速加快,雷(léi)諾數🔆增加,湍流(liu)強度變大💃🏻。流體(ti)進入葉輪前，先(xiān)流經葉輪與前(qian)後💜導流架連接(jiē)的槽,由于槽内(nei)流速低,此時流(liu)量的速度分布(bu)不均,且有強渦(wō)流産生。回流導(dao)葉尾端速度矢(shǐ)量圖如圖3(d)所示(shi),流體在後導流(liú)✏️架後端出現長(zhǎng)尾流,尾流長度(dù)随流量增大而(ér)減小。
 
 
3.2.2壓力場分(fèn)析
　　分析上述三(sān)個不同流量時(shi)流道内壓力場(chǎng),發現随着📱流量(liang)增加,葉輪、導流(liu)架上遊面形成(cheng)的靜壓變高,葉(yè)片🐅上遊面和葉(yè)片下遊面的壓(yā)力随着流量的(de)增加而減小(如(rú)圖4所示),可見,導(dao)流架端部的形(xíng)狀、葉輪與導流(liú)架之間凹槽寬(kuan)度、葉輪✏️面積和(hé)形狀對葉輪穩(wen)定旋轉均有明(ming)顯影響💜。
3.3結構優(you)化設計
3.3.1導流架(jia)頭部結構設計(ji)
　　基于上述CFD仿真(zhen)分析結果,爲有(you)效減小葉輪壓(ya)力.損😘失,将原導(dao)😄流架頭部的球(qiú)形分别設計橢(tuǒ)球型和圓錐形(xíng),改進後的導流(liú)架頭部尺寸如(ru)圖5所示。
 
3.3.2結構優(yōu)化後葉輪三維(wéi)流場特性
　　基于(yu)上述結構,仿真(zhen)流量爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時，不(bú)同導流架結構(gou)下葉輪速度🛀場(chǎng),由.圖6可見,圓錐(zhui)形結構葉輪的(de)高壓低速區面(mian)積最小,其🏃‍♀️次是(shi)橢圓形體,球形(xing)結構葉輪的高(gāo)壓低速區面積(ji)最大,圓錐形結(jié)構能夠有效減(jiǎn)少壓力損失,提(tí)高流量計的測(ce)量精度。在前導(dao)流架環狀流動(dòng)路徑中，圓錐形(xing)流體的速度分(fèn)布最均勻的，橢(tuǒ)圓體結構次之(zhi),球形結構最差(cha),圓錐結構具有(you)較好的整流效(xiào)果。
流量爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shí),改進後導流架(jià)頭部形狀後端(duān)形成的尾流如(rú)圖7所示。圓錐形(xing)結構尾流面積(ji)最小,橢球形較(jiào)小，球形結構尾(wěi)流面積最大,三(sān)種形狀的尾流(liú)中均有渦流出(chū)現,圓錐形産生(shēng)渦流最小,壓力(lì)損失最✏️小。
4結論(lun)
　　本文從小流量(liang)渦輪流量計設(she)計需求出發,通(tong)過建立小☁️流量(liang)🙇🏻渦輪流量計的(de)數學模型、三維(wéi)模型,基于小流(liú)量渦輪流量計(ji)的流場特性,優(you)化改進了其導(dao)流架結🈚構,所得(dé)結論如🔆下:
(1)由于(yú)流體對前導流(liú)架沖擊,會導緻(zhì)葉輪靜壓力變(bian).大,流⛷️道面積變(bian)小,流速增大,經(jing)前導流架進人(rén)葉輪旋轉區後(hou)随葉輪旋轉形(xing)成旋流。
(2) 随着流(liu)量增加,葉輪、導(dao)流架上遊面形(xíng)成的靜壓變高(gao),葉片上遊面和(he)葉片下遊面的(de)壓力随着流量(liang)的增加.而減小(xiǎo)。
(3)圓錐形結構葉(yè)輪的高壓低速(su)區面積最小，能(néng)夠有效減少壓(yā)♌力損失,提高流(liú)量計的測量精(jing)度。此外,在前導(dǎo)流架環狀流動(dong)路徑中,圓錐形(xíng)流體的速度分(fèn)布最均勻的，較(jiao)橢圓體球形導(dao)流架結構,圓錐(zhui)結構具有最好(hǎo)的整流效果。

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