在天然氣的(de)采集、處理、儲(chǔ)存、運輸和分(fèn)配過程中，需(xu)要數以百萬(wan)💞計的流量計(ji)，它既是天然(ran)氣供需雙方(fāng)貿易結算的(de)依🔞據，也是生(shēng)産部門用氣(qì)效率的主要(yao)❤️技術指🤟标，因(yīn)此😍對流量計(jì)測量準确度(du)和可靠性有(yǒu)🔞很高的要求(qiu)。 氣體渦輪流(liú)量計 屬于速(su)度式流量計(jì)，是應用于燃(rán)氣貿易計量(liang)的三大♍流量(liang)儀表之一。由(you)于具有重複(fu)性好、量程範(fan)圍寬、适應性(xìng)強、精度高、對(dui)💛流量變化反(fǎn)應靈敏、輸出(chu)脈沖信号、複(fu)現性好和體(tǐ)積小等特點(dian)，氣體渦輪流(liu)量計☔近年來(lai)已在石油、化(huà)工和天然氣(qi)等領域獲得(de)廣泛的應用(yòng)。
   随着 渦輪流(liú)量計 在管道(dao)計量領域的(de)廣泛使用，天(tian)然氣管道輸(shu)送過🚶‍♀️程中的(de)能耗成爲不(bú)容忽視的問(wen)題，而天然氣(qì)管道輸送過(guo)程🔞中的壓力(li)損失😍是産生(shēng)能源消耗的(de)主要原因之(zhī)一。爲保證天(tian)然氣能順利(li)輸送至用戶(hu)端，就需要提(tí)高各壓氣站(zhan)的輸送壓力(li)并盡量減少(shǎo)管道輸送過(guo)程中的壓力(li)損失，而各級(ji)管道上的計(ji)量流量計所(suo)造成的壓力(lì)損失占有很(hen)大比重。因此(ci)🌈，氣體渦輪流(liu)量計的壓力(li)損失💰研究對(dui)節能減排和(he)推動我國燃(rán)氣計量儀表(biao)❓産業的發展(zhǎn)具有較好的(de)推動♻️作用。
   近(jìn)年來，越來越(yue)多的學者采(cǎi)用數值模拟(ni)仿真方法對(dui)渦輪流量計(ji)進行研究，如(rú)XU、LIU、 等學者均通(tong)過數值計算(suan)形式模🌍拟流(liú)量計内部流(liú)動，并與實驗(yàn)比較驗證了(le)模拟結果的(de)正确性。應用(yòng)S－A、标準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标準(zhun)k－ω這5種湍流模(mó)型對渦輪流(liu)量計🌈進行三(san)維數值模拟(ni)❤️，并将應用💁各(ge)湍流模型得(de)出的仿真儀(yí)表系數與實(shí)流标定值❗進(jin)行對比和分(fèn)析，這對數值(zhi)模拟計算選(xuǎn)取湍流模型(xíng)給出了🌏一定(ding)參考。
   目前，渦(wo)輪流量計的(de)優化主要通(tōng)過改良其導(dǎo)流件、葉輪、軸(zhou)承、非㊙️磁電信(xin)号檢出器等(deng)部件的結構(gòu)尺寸和加工(gong)工藝，來改善(shan)流量計測量(liang)氣體、高粘度(dù)流體和小流(liú)量時的特性(xìng)。對👄降低渦輪(lún)流量傳感器(qi)粘度變化敏(min)感度進行了(le)研究。SUN等采用(yòng)了Standard　k－ε湍流模型(xíng)數值模拟口(kǒu)徑爲15mm的渦輪(lún)流量計的内(nèi)部流動，結果(guǒ)表明壓力損(sun)失受到前端(duan)和後端形狀(zhuang)、導流體半徑(jing)、導流體的導(dao)流片和渦㊙️輪(lún)葉片厚度的(de)影響.雖然對(duì)氣體渦輪流(liú)量計的流動(dòng)🌍進行實驗測(cè)量和🌈數值計(jì)算，發現前導(dao)流器的結構(gou)變化對後面(miàn)各部件内的(de)氣體流動速(su)度梯度和壓(yā)力恢複也有(you)明顯影響，使(shǐ)總壓力損失(shi)進一步放大(da)或減✂️小，但對(duì)流量計的其(qi)它部件未進(jìn)行分析。本文(wén)将對一種型(xíng)号氣體渦輪(lun)流量計各部(bù)件🏃🏻‍♂️的壓力損(sun)失與流量的(de)關系進🛀🏻行分(fèn)析研究，以提(ti)出其優☁️化思(sī)路。
1 渦輪流量(liàng)計的基本結(jie)構及工作原(yuán)理
   本文采用(yòng)80mm口徑氣體渦(wo)輪流量計作(zuò)爲研究對象(xiang)，對其進行内(nei)部⭐流道的壓(yā)力損失數值(zhí)模拟。
   氣體渦(wō)輪流量計結(jie)構示意圖如(rú)圖1。氣體渦輪(lun)流量🐉計🌈實物(wu)如圖2，其中圖(tú)2（a）爲渦輪流量(liang)計實物圖，圖(tu)2（b）爲渦輪流量(liàng)計機芯✉️葉輪(lún)實物圖。


   氣(qi)體渦輪流量(liàng)計的原理是(shì)，氣體流過流(liú)量計推動渦(wō)輪葉片🈲旋轉(zhuan)，利用置于流(liú)體中的葉輪(lun)的旋轉角速(su)度與流體流(liú)速成比例的(de)關系，通過測(ce)量葉輪轉🐪速(sù)來得到流體(ti)流速，進而得(dé)到管道内的(de)流量值。渦輪(lún)流量計輸出(chū)的脈沖頻率(lǜ)f與所測體積(jī)流量qv成正🌈比(bǐ)，即

式（1）中：k—流量(liàng)計的儀表系(xi)數。
根據運動(dong)定律可以寫(xiě)出葉輪的運(yùn)動方程爲

式(shì)（2）中：J—葉輪的轉(zhuan)動慣量；t—時間(jian)；ω—葉輪的轉速(sù)；Tr—推動力矩；Trm—機(jī)械摩擦阻🛀力(lì)矩；Trf—流動阻力(lì)矩；Tre—電磁阻力(li)矩。
2 計算模型(xing)
2.1 數學模型
   設(shè)定渦輪流量(liàng)計數值模拟(nǐ)的工作介質(zhi)爲空氣，流動(dòng)處于💁湍流流(liú)動，數值模拟(ni)湍流模型采(cai)用Realizable K－ε模型，該模(mó)型🌈适用⭐于模(mó)拟計算旋🌈轉(zhuǎn)流動、強逆壓(ya)梯度的邊界(jiè)層流動、流動(dong)📱分離和二次(cì)流等，其模型(xing)方程表示爲(wèi)：
——各向流速平(ping)均值；a—聲速；μ—動(dong)力粘性系數(shu)；υ—運動粘性系(xì)數；K—湍流動能(neng)；ε—湍流耗散率(lǜ)；βT—膨脹系數；ωk—角(jiao)速度； —時均轉(zhuan)動速率張量(liàng)；如不考✌️慮浮(fu)力影響Gb＝0，如流(liú)動不可壓縮(suō)💜， ＝0，YM＝0。
2.2 流體區域網(wang)格劃分
   使用(yòng)Solidworks三維設計軟(ruǎn)件依照實物(wu)尺寸對渦輪(lun)流量計各部(bù)件🙇‍♀️進行建模(mó)及組裝，簡化(hua)主軸、取壓孔(kǒng)和加油♊孔等(děng)對流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼體區域(yù)影響較小的(de)部分。
   先對機(jī)芯部分做布(bu)爾運算得到(dào)純流體區域(yu)，然後對葉輪(lun)外🙇🏻加包絡體(ti)形成旋轉區(qu)域，在機芯進(jìn)出口前後🌈均(jun)加上15倍機芯(xin)口徑的直管(guǎn)段，以保證進(jìn)出口💜流動爲(wei)充分發🏃🏻‍♂️展湍(tuan)流✔️。
   全部流體(tǐ)區域包括前(qián)後直管段、葉(yè)輪包絡體以(yǐ)及機芯部👅分(fèn)的流體區域(yu)。用Gambit軟件對三(san)維模型進行(háng)網格劃分，對(duì)流體㊙️區域中(zhong)的小面和尖(jiān)角等難以生(sheng)成網格的部(bù)分進行優化(hua)🔴和簡化處理(li)，流體區域使(shi)用非結構化(huà)混合網格，并(bìng)對機芯流道(dào)内葉輪等流(liú)動情況較複(fú)雜區域進行(hang)了局部加密(mi)，如圖3。其中圖(tu)3（a）爲機芯流體(tǐ)區域💰網格圖(tu)，圖3（b）爲葉輪網(wǎng)格圖，整體網(wang)格💃🏻總數量約(yue)230萬。

2.3 數值(zhi)模拟仿真條(tiáo)件設置
   數值(zhi)計算時，爲方(fāng)便模拟結果(guo)與實驗結果(guǒ)的對比，環境(jìng)溫度♻️、濕度和(he)壓力設置與(yu)實驗工況相(xiàng)同，流體介質(zhi)選擇空氣，空(kong)氣的密👣度ρ和(hé)動力粘度η根(gen)據Rasmussen提出的計(ji)算規程拟💜合(hé)推導出的簡(jiǎn)化公式（5）和（6）計(jì)算獲得：
式（5）（6）中(zhōng)：T—溫度；P—壓力；H—濕(shi)度。
   求解器采(cǎi)用分離、隐式(shi)、穩态計算方(fang)法，湍流模型(xíng)選擇Realizable　k－ε湍流💃模(mó)型💃🏻，壓力插值(zhí)選擇Body force weighted格式，湍(tuān)流動能、湍流(liú)耗散項和動(dòng)量方程均采(cai)用二階迎風(feng)格式離散，壓(ya)力與速度的(de)耦合采用SIMPLEC算(suan)🆚法求解，其餘(yu)設置均采用(yong)Fluent默💞認值。
   計算(suan)區域管道入(rù)口采用速度(du)入口邊界條(tiao)件，速度方向(xiang)垂🔞直于入口(kou)直管段截面(miàn).出口邊界條(tiao)件采用壓力(lì)出口。葉輪包(bāo)絡🙇‍♀️體設置爲(wèi)動流動區域(yù)，其餘爲靜流(liú)動區域，采用(yong)interface邊界條件作(zuo)爲分界面，對(dui)于旋轉部分(fen)和靜💯止部分(fen)之間的耦合(hé)采用多重參(can)考坐标模型(xing)（MRF）。葉輪采用滑(huá)移邊界💋條件(jiàn)且相對于附(fu)近旋轉流體(ti)區域速度☁️爲(wei)零。葉輪轉速(sù)是通過使用(yong)FLUENT軟🏃‍♀️件中的TurboTopol－ogy與(yǔ)Turbo　Report功能，不斷調(diao)整葉輪轉速(su)，觀察葉輪轉(zhuǎn)速是否達到(dào)力矩平衡來(lai)确☔定的。
3 數值(zhí)模拟結果分(fen)析
   在流量計(ji)流量範圍内(nèi)選取了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個(ge)流量點進行(hang)同工況環境(jing)數值模拟，得(de)到氣體渦輪(lun)流量計的内(nei)部流場和壓(ya)力分布等數(shu)據✌️。進口橫截(jie)面取于前整(zheng)流器前10mm處，出(chū)口橫截面取(qu)于後導流體(tǐ)後10mm處。計算渦(wō)輪流量計進(jìn)出口橫截面(mian)上的壓力差(chà)，即得到流量(liàng)計🙇‍♀️的壓力損(sun)失。
圖4爲流量(liang)與壓力損失(shī)之間的關系(xi)曲線，圖中實(shí)驗🌍值是在工(gong)況條件下使(shi)用音速噴嘴(zuǐ)法氣體流量(liang)标準裝置測(cè)得。

   根據圖4中(zhōng)壓力損失随(sui)流量的變化(hua)趨勢，可以将(jiāng)流量與👄壓力(li)損失之間的(de)關系拟合曲(qǔ)線爲二次多(duo)項式，其表達(dá)式爲🐇

   這與流(liu)量計的壓力(li)損失計算公(gong)式（8）趨勢相符(fu)，均爲二次函(hán)數，且數值模(mo)拟結果與實(shi)驗結果吻合(he)得較好，說明(míng)渦輪流量計(ji)的内部流場(chǎng)數值模拟方(fāng)法及結果是(shi)可行且可靠(kao)的。流量計的(de)壓力損失計(ji)算公式爲

式(shi)（8）中：ΔP—壓力損失(shī)；α—壓力損失系(xi)數；υ—管道平均(jun1)流速。
   以流量(liàng)Q＝250m3/h的數值模拟(nǐ)計算結果爲(wèi)例進行渦輪(lun)流量計✌️内部(bù)流場及壓力(li)場的分析.圖(tú)5爲渦輪流量(liang)計軸向剖面(mian)靜壓分布圖(tu).前導🌈流器前(qián)後的壓力場(chang)分布較均勻(yun)且壓力梯度(dù)較小，在機芯(xin)殼體☀️與葉輪(lun)支座連接凸(tū)台處壓力有(yǒu)所增加，連接(jie)面後壓力又(yòu)逐漸減小.故(gù)認爲🆚流體流(liú)經葉輪支座(zuò)産生壓力損(sun)失的🚩主要原(yuan)因是連接處(chu)存在凸台，導(dǎo)緻流場出現(xian)較大變化，不(bu)能平滑過渡(du)，建議将葉輪(lun)支座與機芯(xīn)殼體的連接(jie)改爲圓弧線(xian)型或流線型(xíng)。
   觀察圖5和圖(tú)6，當流體流經(jīng)葉輪從後導(dǎo)流器流出渦(wo)輪流量計時(shi)，壓力梯度變(bian)化明顯，存在(zài)負壓區域并(bing)造成很大的(de)壓降，在後導(dao)流器凸台及(ji)流量計出口(kǒu)處速度變化(huà)明🆚顯，由于氣(qi)流通過後導(dao)流器後流道(dào)突擴，在後🌈導(dǎo)流器背面形(xíng)成明👄顯的低(dī)速渦區，産生(shēng)了漩渦二次(ci)流。

   結合圖7、圖(tu)8流量計軸向(xiang)剖面和出口(kǒu)橫截面的總(zong)壓及速度🤞分(fèn)布圖，其速度(dù)分布與壓力(lì)分布相似，流(liu)量計流道内(nei)速度分布😘較(jiao)均勻的區域(yu)其壓力梯度(dù)變化也較小(xiǎo)，即流道内速(sù)度的分布和(hé)變化與壓力(li)損失大小相(xiang)🤩關。由流量計(jì)軸向剖面和(he)出口橫截面(mian)的速度及壓(ya)力分布圖可(kě)以看出，流量(liàng)計後導流器(qì)處🐇産生的漩(xuán)渦二🈲次流影(yǐng)響了出口橫(héng)截面處的🐪速(su)度🤞及壓力分(fen)布


   流量計各(gè)部件的壓力(li)損失随流量(liang)變化的趨勢(shì)與流量計總(zong)壓力損失随(sui)流量的變化(huà)趨勢相同，其(qí)拟合公式爲(wèi)系數👌不同的(de)二次多項式(shi)。各部件的壓(ya)力損失與流(liú)量呈二次函(han)數關系，随着(zhe)流量的增加(jiā)，壓力損失顯(xiǎn)👣著增加。

   觀察(cha)圖10各部件壓(ya)力損失百分(fèn)比圖，可見前(qián)整流器、前導(dao)流器🙇🏻和機芯(xīn)殼體處的壓(ya)力損失很小(xiao)，葉輪支座處(chù)壓力損失約(yuē)占總壓力損(sun)失的1/4。前整流(liu)器所占壓力(lì)損失比例在(zài)各流量點基(ji)本保持不變(biàn)，前導流器和(he)機芯殼體處(chu)的壓力損失(shi)随流量的增(zēng)加其比㊙️例略(luè)有降低，葉輪(lún)支座處壓力(li)損失随🔞流量(liang)的增加其比(bǐ)例略有增加(jiā)，但總體上受(shòu)流量影響不(bu)大🈲。葉輪處的(de)壓力🐅損失随(sui)流量從13m3/h增加(jiā)至250m3/h，其比例從(cong)15.88%降至8.71%，降幅明(ming)顯.後導流器(qì)處的壓力損(sǔn)失占總壓力(lì)損失的大半(ban)，随着流量從(cóng)13m3/h增加至250m3/h其壓(ya)♍力損失比例(li)由43.77%升至55.83%，增幅(fú)明顯。總之，後(hòu)導流器🐅、葉輪(lún)支座和葉輪(lun)是流體♊流經(jīng)渦輪流量計(jì)産生壓力👉損(sun)失的主要影(yǐng)響部件，可通(tōng)過優化其結(jié)構以降低渦(wo)輪✔️流量計的(de)總壓力損失(shi)。

4 結語
   本文采(cǎi)用Fluent軟件對一(yi)口徑爲80mm的渦(wō)輪流量計内(nèi)部進🤞行🏒了數(shu)值模拟計算(suan)，分析内部流(liu)場、壓力場及(jí)各部件産生(sheng)的壓力損失(shī)，得出以下結(jié)論：
1）漩渦二次(cì)流是産生能(néng)量消耗的主(zhǔ)要原因，故建(jiàn)議對💁渦輪🌍流(liu)量🍉計葉輪支(zhi)座及後導流(liu)器進行幾何(hé)參數的優化(huà)，将其凸台邊(biān)緣改爲流線(xiàn)型以減少。流(liú)道突擴的🌐影(ying)響，減少後導(dao)流器葉片厚(hòu)度并增加其(qi)長度及數量(liàng)🍓以減弱氣體(ti)螺旋狀流動(dòng)，減弱漩渦二(er)次流，達到降(jiàng)低流量計壓(yā)力損失的目(mu)的。
2）分析各部(bu)件對壓力損(sǔn)失的影響，其(qi)壓力損失與(yu)流量成二🚶次(cì)函數關系。後(hou)導流器相對(duì)于其他部件(jian)是壓力損失(shi)的主要因素(su)，約占總壓力(lì)損失的一半(bàn)，随着流量的(de)增加其壓力(lì)損失占總壓(yā)力損失的比(bǐ)例上升了12.15%。葉(ye)輪支座的⭐壓(ya)力損失約占(zhàn)總壓力損失(shī)的1/4，其壓力損(sǔn)失比例随流(liú)量的增加基(ji)本不變。随着(zhe)流㊙️量的增加(jiā)葉輪産生的(de)壓力損失比(bǐ)例降幅明顯(xian)。
通過數值模(mó)拟分析得出(chū)速度的分布(bù)和變化與壓(yā)力❤️損🐆失大✂️小(xiao)相關，通過優(you)化流量計流(liu)道内的速度(dù)分布可降低(dī)流量計的壓(ya)力損失，後續(xù)相關的渦輪(lún)流量計優化(huà)研究可從優(yōu)化其🌏流道内(nèi)💁速度分布入(rù)手。

以上内容(róng)來源于網絡(luo)，如有侵權請(qǐng)聯系即删除(chu)!