[摘要(yào)]采用計算(suàn)流體力學(xue)(CFD)的方法對(dui)一口徑爲(wèi)80mm的氣體渦(wō)輪流量計(jì) 進行工況(kuàng)條件的數(shu)值模拟研(yan)究.通過計(jì)算,分析了(le)流量計在(zài)不同流量(liàng)下,各部件(jiàn)包括前整(zheng)流器.前導(dao)流器、機芯(xin)殼體、葉輪(lún)支座、葉輪(lún)和後.導流(liu)器對壓力(li)‼️損失的影(ying)響,給出了(le)各部件的(de)❓流量與壓(ya)力損失的(de)關系曲線(xian)及其壓力(li)損失比例(li).數值模拟(ni)結果與實(shi)驗結果相(xiàng)符💔,進而從(cóng)流道内的(de)壓力分布(bù)和流場分(fèn)💛析壓力損(sǔn)失原因并(bìng)提出減少(shao)壓力損失(shī)的改☀️進思(si)路.
　　在天然(ran)氣的采集(jí)、處理、儲存(cún)、運輸和分(fen)配過程中(zhong),需🤟要數以(yǐ)百萬計的(de)流量計,它(ta)既是天然(rán)氣供需雙(shuāng)方貿易結(jié)算的依據(jù),也是生産(chan)部門用氣(qì)效率的主(zhu)要技術指(zhi)标，因此對(dui)流量計測(ce)量正确率(lǜ)和可靠性(xìng)有要求.
　　氣(qi)體渦輪流(liu)量計屬于(yu)速度式流(liú)量計,是應(ying)用于燃氣(qì)貿🏃‍♀️易計量(liang)的三大流(liú)量儀表之(zhī)一，由于具(ju)有重複✊性(xìng)好、量程範(fàn)圍寬、适🎯應(yīng)性強、精度(dù)高、對流量(liang)變化反應(yīng)靈敏、輸出(chu)脈沖信号(hào)、複現性好(hao)和體積小(xiao)等特點，氣(qì)體渦輪流(liu)量計近年(nián)來已在石(shí)油、化工和(hé)天然氣等(děng)領域獲得(dé)廣泛的應(yīng)用”。
　　随着渦(wō)輪流量計(jì)在管道計(jì)量領域的(de)廣泛使用(yong),天然氣㊙️管(guǎn)✉️道輸送過(guo)程中的能(néng)耗成爲不(bu)容忽視的(de)問題，而天(tiān)然💛氣管道(dao)輸✍️送過程(chéng)中的壓力(lì)損失是産(chan)生能源消(xiao)耗的主要(yào)原因之一(yi).爲保證天(tiān)然氣能順(shùn)利輸送至(zhi)用🔞戶端,就(jiu)需要提高(gao)各⛹🏻‍♀️壓氣站(zhan)的輸送壓(yā)力并盡量(liàng)減少🐇管道(dào)輸送過程(chéng)中的壓力(lì)損失,而各(gè)級管道上(shang)的計✍️量流(liú)量計所造(zào)成的壓力(lì)損失占有(yǒu)很大比重(zhòng)，因此,氣體(ti)㊙️渦輪流量(liàng)計的壓力(li)損失研究(jiū)對節能減(jiǎn)排和推動(dòng)我國燃氣(qi)計量儀表(biǎo)産業的發(fā)展具有較(jiào)好✌️的推動(dong)作用，
　　目前(qian)，渦輪流量(liang)計的優化(hua)主要通過(guo)改良其導(dǎo)流件、葉輪(lun)🚩，軸承、非磁(cí)電信号檢(jian)出器等部(bu)件的結構(gou)尺寸和加(jiā)工工藝，來(lái)改善⚽流量(liang)計測量氣(qi)體、高粘度(dù)流體💜和小(xiǎo)流量時的(de)特性.孫✨立(lì)軍[切💰對降(jiàng)低渦輪流(liú)量傳感器(qi)粘度👌變化(huà)敏感😘度進(jin)行了研究(jiū).SUN等0采用了(le)Standardke湍流👉模型(xíng)數值模拟(ni)口徑爲15mm的(de)渦輪流量(liàng)計的内部(bù)流動,結果(guo)表明壓👉力(lì)損失受到(dào)前端和後(hòu)端形狀、導(dǎo)流體半徑(jing)、導流體的(de)導流片和(hé)渦輪葉片(pian)🙇‍♀️厚度的影(ying)響.劉正先(xiān)和徐蓮環(huán)回雖💛然對(duì)氣體渦輪(lún)流量計的(de)流動㊙️進行(háng)實驗測量(liàng)和數值計(jì)算，發現前(qian)導流器的(de)結構變化(hua)對後面各(gè)部🧡件内的(de)氣體流動(dòng)速度梯度(du)和壓力恢(huī)複也有明(míng)顯影響,使(shi)總壓力損(sǔn)失進一步(bu)放大或減(jiǎn)小,但對流(liu)量計的其(qi)👨‍❤️‍👨它部件未(wei)進行分析(xī).本文🈚将對(duì)一種型号(hào)氣體渦輪(lun)流量計各(ge)部🐅件的壓(ya)力損失與(yu)流量的關(guān)系進行分(fèn)析研究，以(yi)提出其優(yōu)化思⛷️路.
1渦(wo)輪流量計(ji)的基本結(jié)構及工作(zuo)原理
　　本文(wen)采用80mm口徑(jing)氣體渦輪(lún)流量計作(zuo)爲研究對(dui)象,對其進(jìn)行📱内部流(liú)道的壓力(li)損失數值(zhí)模拟.氣體(ti)渦輪流量(liang)計結構示(shì)意圖如圖(tu)1.氣體渦輪(lún)流量計實(shí)物如圖2,其(qí)中圖2(a)爲渦(wo)㊙️輪流量🙇🏻計(jì)實物♉圖,圖(tú)2(b)爲渦輪流(liú)量計機芯(xīn)葉輪實物(wù)圖.
 
　　氣(qi)體渦輪流(liú)量計的原(yuán)理是,氣體(tǐ)流過流量(liàng)計推動渦(wō)輪葉片旋(xuan)轉,利用置(zhì)于流體中(zhong)的葉輪的(de)旋轉角⚽速(su)度與流體(ti)流速成比(bi)例的關系(xì)，通過測量(liang)葉輪轉速(su)來得❗到流(liú)體✌️流速，進(jìn)而得到管(guǎn)道内😍的流(liu)量值[10].渦輪(lún)流量計輸(shu)出的脈沖(chòng)頻率S與所(suǒ)測體積;流(liú)量qv成正💋比(bǐ)，即
 
　　式(2)中:J一(yi)葉輪的轉(zhuan)動慣量;t一(yī)時間;ω一葉(ye)輪的轉速(sù);Tt一🥵推動力(li)矩🧡;Trm一機械(xiè)摩擦阻力(lì)矩;Ttf一流動(dòng)阻力矩;Tre一(yi)電磁阻力(li)矩.
2計算模(mo)型
2.1數學模(mó)型
　　設定渦(wō)輪流量計(jì)數值模拟(nǐ)的工作介(jie)質爲空氣(qì).流動處于(yú)湍👈流流動(dong)，數值模拟(ni)湍流模型(xing)采用RealizableK-e模型(xing)，該模型适(shì)用于模拟(nǐ)計算旋轉(zhuǎn)流動.強逆(nì)壓梯度的(de)邊界層流(liú)動、流動分(fèn)離和二次(ci)流等,其模(mó)型方程表(biǎo)示🔱爲11]1:

 
2.2流體(tǐ)區域網格(gé)劃分
　　使用(yòng)Solidworks三維設計(jì)軟件依照(zhào)實物尺寸(cun)對渦輪流(liú)量計各部(bù)件進行🏒建(jiàn)模及組裝(zhuāng)，簡化主軸(zhou)、取壓孔和(hé)加油💋孔等(deng)對流體區(qu)城影響較(jiào)小的部分(fen)，
　　先對機芯(xīn)部分做布(bù)爾運算得(dé)到純流體(tǐ)區域，然後(hou)對葉🌐輪外(wai)加包絡體(ti)形成旋轉(zhuǎn)區域，在機(jī)芯進出口(kou)前後均加(jia)上15倍機芯(xin)口徑的直(zhi)管段，以保(bao)證進出口(kǒu)流動爲充(chong)分發展湍(tuan)流.
　　全部流(liú)體區域包(bao)括前後直(zhí)管段、葉輪(lun)包絡體以(yǐ)及機芯部(bù)分🛀🏻的流體(tǐ)區域.用Gambit軟(ruan)件對三維(wéi)模型進行(hang)網格劃分(fèn)，對流體區(qu)域中的小(xiao)面和尖角(jiǎo)等難以生(sheng)成網格的(de)部分進行(háng)優化和簡(jiǎn)化處理，流(liú)體區域使(shi)用非結構(gòu)化混合網(wǎng)格，并對機(ji)芯流道内(nèi)葉輪等流(liú)動情況較(jiào)複雜區域(yù)進行了局(jú)部加密，如(rú)圖3.其中圖(tu)3(a)爲🌈機芯流(liu)體區域網(wang)格圖，圖3(b)爲(wèi)葉輪網格(gé)圖,整體網(wǎng)格㊙️總數量(liang)約⁉️230萬.
 
2.3數值(zhí)模拟仿真(zhen)條件設置(zhi)
　　數值計算(suàn)時，爲方便(bian)模拟結果(guo)與實驗結(jie)果的對比(bi),環境🏃‍♂️溫度(du)、濕度和壓(yā)力設置與(yǔ)實驗工況(kuàng)相同,流體(ti)介質選擇(zé)空氣,空氣(qi)的密度ρ和(hé)動力粘度(dù)”根據Rasmussen提出(chu)的計算規(guī)程拟合推(tui)導出的簡(jiǎn)化公式(5)和(he)(6)計算獲得(dé)：
 
　　模型選擇(zé)Realizablek-e湍流模型(xíng)，壓力插值(zhí)選擇Bodyforceweighted格式(shì),湍流動能(néng)、湍流耗散(san)‼️項和動量(liang)方程均采(cǎi)用二階迎(ying)風格式離(lí)散，壓‼️力與(yǔ)🙇🏻速度的耦(ou)合采用SIMPLEC算(suan)法求解，其(qi)餘設置均(jun)采用Fluent默認(rèn)值.
　　計算區(qū)域管道人(rén)口采用速(sù)度入口邊(bian)界條件，速(sù)度方向垂(chuí)直于人口(kǒu)直管段截(jié)面，出口邊(bian)界條件采(cǎi)用壓力出(chū)口.葉輪包(bao)絡體設置(zhì)爲動流動(dòng)區域,其餘(yú)爲靜流動(dòng)💋區域，采用(yong)interface邊界條件(jian)作爲分界(jiè)面，對于旋(xuan)轉部分和(hé)靜止部分(fèn)之🧑🏽‍🤝‍🧑🏻間的耦(ǒu)合采用多(duō)重參考坐(zuò)标模型(MRF).葉(yè)輪采用滑(huá)移邊界條(tiao)件且相對(dui)于附近旋(xuan)轉流體區(qu)域速度爲(wei)零.葉輪轉(zhuǎn)速㊙️是通過(guo)使用FLUENT軟件(jian)中的TurboTopol-ogy與TurboReport功(gōng)能，不斷調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，觀察葉(ye)輪轉速是(shi)否達到力(li)矩平衡來(lai)确定的。
3數(shù)值模拟結(jie)果分析
　　在(zai)流量計流(liú)量範圍内(nèi)選取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhè)6個流量點(dian)進行同工(gong)🔞況環境數(shù)值模拟，得(de)到氣體渦(wō)輪流量計(jì)的内部☔流(liú)場和壓力(li)分布等數(shù)據.進口橫(héng)截面取于(yu)前整流器(qì)前10mm處，出口(kǒu)橫截面取(qǔ)于後導流(liú)體後10mm處.計(ji)算渦輪流(liú)量計進出(chū)口橫截面(miàn)上的壓力(li)差，即得到(dào)流量計的(de)壓力損失(shī)。
 
　　圖4爲流量(liang)與壓力損(sun)失之間的(de)關系曲線(xian),圖中實驗(yàn)值是在💛工(gong)況💯條件下(xia)使用音速(su)噴嘴法氣(qi)體流量标(biao)準裝置測(ce)得.
　　根據圖(tu)4中壓力損(sun)失随流量(liang)的變化趨(qu)勢，可以将(jiāng)流量㊙️與壓(yā)力損失之(zhi)間的關系(xì)拟合曲線(xiàn)爲二次多(duo)項式,其表(biao)達☎️式爲
 
　　這(zhè)與流量計(jì)的壓力損(sǔn)失計算公(gōng)式(8)趨勢相(xiang)符,均爲二(er)次函🧑🏾‍🤝‍🧑🏼數，且(qiě)數值模拟(nǐ)結果與實(shí)驗結果吻(wěn)合得較好(hao)，說明渦輪(lún)流💃量計的(de)内部流場(chang)數值模拟(ni)方法及結(jie)果是可行(háng)且可靠的(de).流量計的(de)壓力損失(shi)計算公式(shi)爲。
 
式(8)中:△P----壓(ya)力損失;α壓(ya)力損失系(xi)數;υ----管道平(ping)均流速.
　　以(yi)流量Q=250m³/h的數(shu)值模拟計(ji)算結果爲(wèi)例進行渦(wo)輪流量計(jì)内部流場(chang)🚩及壓力場(chǎng)的分析.圖(tú)5爲渦輪流(liu)量計軸向(xiàng)剖面靜壓(yā)分❗布圖.前(qián)導流器前(qián)後的壓力(lì)場分布較(jiào)均勻且壓(yā)力梯度較(jiao)小，在機芯(xīn)殼體🔱與葉(yè)輪支座連(lian)接凸台處(chù)壓力有所(suo)增加,連接(jiē)面後壓♌力(li)又逐漸✌️減(jian)小.故認爲(wei)流體流經(jīng)葉輪支座(zuò)産生壓力(li)損失的主(zhu)要原因是(shì)連接處存(cun)在凸台㊙️,導(dǎo)緻流場出(chu)現🐪較大變(biàn)化，不能平(ping)滑過渡,建(jiàn)議将葉輪(lun)支㊙️座與機(ji)芯殼體的(de)連接改爲(wei)圓弧線🌐型(xing)或流線型(xíng).
　　觀察圖5和(hé)圖6,當流體(ti)流經葉輪(lun)從後導流(liu)器流出渦(wo)輪流🙇‍♀️量計(jì)時,壓力梯(tī)度變化明(ming)顯，存在負(fù)壓區域并(bìng)造成很大(da)的壓降，在(zai)後導流器(qi)凸台及流(liú)量計出口(kou)處速度變(bian)化明顯，由(you)于氣流通(tōng)過後導流(liú)器後流道(dào)突擴,在後(hòu)導流器背(bèi)面形成明(ming)顯的低速(sù)渦區，産生(shēng)漩渦二次(ci)流。
 
　　結合圖(tú)7、圖8流量計(jì)軸向剖面(miàn)和出口橫(héng)截面的總(zǒng)壓及速度(du)🏃‍♀️分布圖,其(qi)速度分布(bu)與壓力分(fèn)布相似,流(liu)量計流🍉道(dào)内速度分(fèn)布較均勻(yun)的區域其(qí)壓力梯度(du)變化也較(jiào)小，即流道(dào)内速度的(de)分布和變(bian)化與壓力(li)損💛失大小(xiao)相關.由流(liú)量計軸向(xiang)剖面和出(chū)口橫截面(miàn)的速度及(ji)壓力分布(bù)圖可以看(kan)出,流量計(ji)☔後導流器(qì)處産生的(de)漩渦二次(ci)流影響了(le)出口橫截(jie)面處的🐉速(su)度及壓力(li)分布,流體(ti)呈螺旋🈲狀(zhuàng)流動,故出(chū)口處速度(dù)及壓力較(jiao)大區域均(jun1)偏💋移向流(liu)體旋轉方(fāng)向。
 
　　流量計(jì)各部件的(de)壓力損失(shī)随流量變(bian)化的趨勢(shi)與流量計(ji)總🏃🏻壓力損(sǔn)失随流量(liàng)的變化趨(qu)勢相同,其(qi)拟合公式(shi)爲系數不(bu)同的二⛹🏻‍♀️次(cì)多項式，各(gè)部件的壓(ya)力損失與(yǔ)流量呈二(èr)次函數關(guān)系，随着流(liú)量的增加(jiā)，壓力損失(shī)顯著增加(jia).
 
　　觀察圖10各(gè)部件壓力(lì)損失百分(fèn)比圖，可見(jian)前整流器(qì)、前導流器(qi)和機芯殼(ké)體處的壓(yā)力損失很(hěn)小，葉輪支(zhi)座處壓力(li)損失約占(zhàn)總壓力損(sǔn)失的1/4.前整(zheng)流器所占(zhàn)壓力損失(shī)比例在各(gè)流😘量點基(ji)🐪本保持不(bu)變,前導流(liú)器和機芯(xin)🈲殼體處的(de)壓力損失(shī)随流量的(de)增加其比(bi)👈例略有降(jiang)低,葉輪支(zhi)座處壓力(li)損失随流(liú)量的增加(jia)其比例略(luè)有增加,但(dan)總體上受(shòu)流量影響(xiang)不大.葉輪(lun)處的壓力(lì)損失随流(liú)量從13m³/h增加(jiā)至250m³/h,其比例(lì)從15.88%降至8.71%,降(jiàng)幅💁明顯.後(hòu)導流器處(chu)的壓力損(sun)失占總壓(yā)力損失的(de)大半,随着(zhe)流量從13m³/h增(zeng)加至250m³/h其壓(yā)力損失比(bi)例由43.77%升至(zhì)🈚55.83%,增幅明顯(xiǎn).總之,後導(dao)流器、葉輪(lún)支座和葉(ye)輪是流體(tǐ)🥰流經渦輪(lún)流♈量計産(chan)生壓力損(sun)失的主要(yào)影響部件(jian),可通過優(yōu)化其結構(gòu)以降低渦(wō)♻️輪流量計(ji)的總壓力(lì)損失.
4結語(yu)
　　本文采用(yong)Fluent軟件對一(yi)口徑爲80mm的(de)渦輪流量(liàng)計内部進(jin)行了數值(zhí)模拟計算(suan),分析内部(bù)流場、壓力(lì)場及各部(bù)件産生的(de)壓力損失(shi),得出🌈以下(xià)結論:
1)漩渦(wō)二次流是(shì)産生能量(liàng)消耗的主(zhǔ)要原因,故(gù)建議對渦(wo)輪流量計(jì)葉輪支座(zuò)及後導流(liu)器進行幾(jǐ).何參數的(de)優化,将其(qí)凸台邊緣(yuán)改爲流線(xiàn)型以減少(shao)流道突擴(kuò)的影響.減(jian)少後導流(liú)器葉片厚(hòu)度并增加(jiā)其長🐅度及(jí)數量以減(jiǎn)弱氣💔體螺(luo)旋狀流動(dòng),減弱漩渦(wo)二次⚽流,達(dá)到降低流(liú)量計壓力(li)損失的目(mu)的.
2)分析各(ge)部件對壓(yā)力損失的(de)影響,其壓(yā)力損失與(yu)流量💞成二(er)次函數關(guan)系.後導流(liu)器相對于(yú)其他部件(jiàn)是壓力🤩損(sǔn)失的主要(yào)因素,約占(zhàn)總壓力損(sun)失的一半(ban),随着流量(liang)🏃‍♀️的增加其(qi)壓力損失(shi)占總壓力(lì)✉️損失的比(bǐ)例上升了(le)12.12%.葉輪支座(zuò)的♋壓力損(sǔn)失約占總(zǒng)壓力損失(shi)的1/4,其壓力(li)損失比例(lì)随流量的(de)增加基本(běn)不變.随着(zhe)流⛷️量的增(zēng)加葉輪産(chan)生的壓力(lì)損失比例(li)降幅明顯(xian).
　　通過數值(zhi)模拟分析(xi)得出速度(du)的分布和(he)變化與壓(yā)力損⭐失大(dà)小相關,通(tōng)過優化流(liu)量計流道(dào)内的速度(dù)分布可降(jiàng)😍低流量計(ji)的壓力損(sun)失,後續相(xiàng)關的渦輪(lun)流量計優(yōu)化研究可(ke)從優化其(qi)流道内💃速(su)度分布人(rén)🛀手.

本文來(lái)源于網絡(luò),如有侵權(quán)聯系即删(shan)除！