0引言(yan)
　　氣體渦輪(lún)流量計 是(shi)計量天然(rán)氣、液化氣(qì)、煤氣等介(jie)質的速度(du)式儀表[1-2]。爲(wei)了改😘善🚩氣(qi)體渦輪流(liú)量計的性(xing)能，爲設計(jì)提供指導(dao)和方向，近(jin)年來一👄些(xie)學💜者利用(yòng)CFD技術對其(qí)内部流場(chǎng)進行了研(yan)究。LavanteEV等[3]利用(yong)FLUENT對氣體渦(wō)輪流量計(ji)内部流🤟場(chǎng)進行數值(zhí)模拟，并根(gēn)據仿真結(jié)果解釋實(shí)驗過程中(zhōng)的現象。對(dui)前導流器(qì)引起的流(liú)量計壓力(lì)損失進㊙️行(háng)數值計算(suan)😍和實驗測(ce)量，從流動(dòng)機理上解(jie)釋了結💛構(gòu)和壓損之(zhī)間的關系(xì)。LIZhifei等[6]利用數(shù)值🔴模拟得(de)到了導流(liu)器内部的(de)速度場和(he)壓力場，并(bing)以減小壓(yā)力損失爲(wei)目标優化(huà)了導流器(qì)🧡的結構。通(tong)過對氣體(tǐ)渦🐉輪流量(liàng)計進行CFD仿(páng)真，研究不(bu)同流量下(xià)的壓損值(zhi)，并通過實(shí)驗證明了(le)數值模拟(nǐ)的⛹🏻‍♀️有效性(xìng)。對渦輪傳(chuán)感器内部(bù)的㊙️速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進行了數(shu)❓值仿真，提(ti)出對前🆚後(hòu)導流器、葉(ye)輪葉片形(xing)狀和頁頂(dǐng)間隙🚶‍♀️的❌改(gǎi)進。
　　上述研(yán)究中未涉(shè)及針對不(bú)同螺旋升(shēng)角渦輪内(nèi)流場㊙️的數(shù)值模拟，以(yǐ)及渦輪葉(yè)片螺旋升(shēng)角的改變(biàn)對儀表性(xing)能影響的(de)研究。本文(wén)對安裝35°和(hé)45°葉片螺旋(xuán)升角渦輪(lún)🥰的DN150型氣體(tǐ)渦輪流量(liang)計♍的内流(liú)場進行數(shù)值模拟，通(tong)過⛹🏻‍♀️模拟結(jié)果㊙️預測儀(yí)表的始動(dòng)流量和壓(ya)力🔆損失，并(bing)利用⭐預測(cè)的正确性(xing)，爲渦輪葉(ye)片螺旋升(sheng)角💁的進一(yi)步提供數(shù)值方法。
1數(shù)學模型及(jí)邊界條件(jian)
　　利用FLUENT軟件(jian)對渦輪内(nei)流場進行(háng)數值模拟(nǐ)時，忽略天(tian)然氣✊的密(mì)度變化，在(zài)0～1200m3/h内，介質流(liu)動速度遠(yuan)遠小于聲(sheng)速（即馬赫(hè)數遠🥰小于(yu)0.3），認爲🏃流體(ti)不可壓縮(suo)，且假設流(liu)動中無熱(re)量交換，不(bú)考慮能量(liang)守恒方程(chéng)。
1.1微分控制(zhi)方程
　　氣體(tǐ)渦輪流量(liang)計内部流(liú)動爲湍流(liú)黏性流動(dòng)，滿足連續(xu)性方⛹🏻‍♀️程和(he)黏性流體(tǐ)運動方程(chéng)。
基本微分(fèn)方程[9]：
連續(xù)性方程：

1.2
　　湍(tuān)流模型選(xuǎn)擇由于雷(lei)諾應力項(xiàng)的加入使(shǐ)時均N-S方程(cheng)👌不封閉，爲(wei)☔了求解引(yin)入k-ε兩方程(chéng)湍流模型(xing)。兩方程湍(tuān)流模型有(you)标準k-ε模型(xing)，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可(ke)實現的k-ε模(mo)型。其中，RNGk-ε模(mó)型主要應(ying)用于旋轉(zhuǎn)機械的⛱️流(liu)動問題，在(zài)大範圍的(de)湍流模拟(ni)中有較高(gāo)的精度🔴。該(gāi)模型能夠(gou)比較準🧑🏽‍🤝‍🧑🏻确(que)地模拟各(gè)種複雜流(liu)動👨‍❤️‍👨，其中湍(tuan)流黏度由(you)下式确🔱定(ding)：

1.3網格劃分(fen)與定解條(tiáo)件
　　根據流(liu)量計的實(shi)際工況分(fèn)别在介質(zhì)入口和出(chu)口處添加(jiā)10倍管徑的(de)直管段，并(bing)把整個模(mo)型剖分爲(wei)3個區域：入(ru)口❓管道，旋(xuan)轉區，出口(kǒu)管道。旋轉(zhuǎn)區域又細(xi)分💞爲渦輪(lún)轉子和支(zhī)架定子兩(liǎng)個💜區域，定(dìng)子和轉子(zi)之間的耦(ou)合采用多(duō)參考MRF(MultipleReferenceFrame)模型(xing)。利用GAMBIT前處(chu)理🈲模塊對(duì)進、出口直(zhi)管段采用(yòng)結構化網(wang)格，而對旋(xuan)轉區采用(yong)非結構化(hua)網格進行(háng)劃分以滿(man)足對葉輪(lún)内部複雜(za)區域的網(wang)格描述，各(ge)💛塊網格通(tong)過塊之間(jiān)的交界面(mian)拼接在一(yī)起。網格總(zong)數爲30多萬(wan)個四面體(ti)非結構化(hua)網格和100多(duo)萬😍個六面(mian)體結構化(huà)網格，旋轉(zhuan)區網格如(ru)圖1所示。

　　定(dìng)解條件包(bāo)括介質入(ru)口、出口和(he)固壁邊界(jiè)的設置。入(rù)口處給定(ding)🧡相應流量(liang)（1200m3/h）下的主流(liú)速度值；出(chū)口采用壓(yā)力出口邊(biān)界條件，出(chu)口💋壓力相(xiàng)對大氣壓(yā)爲0；進、出口(kou)管道内壁(bì)，支架均取(qǔ)無滑移固(gù)壁邊界條(tiao)件。葉輪部(bù)分采用旋(xuan)轉坐标系(xi)，給定相💚應(ying)流量下的(de)葉輪轉🐪速(su)，将葉片的(de)吸力面和(he)壓❄️力面以(yi)及輪毂定(dìng)義爲旋轉(zhuǎn)壁面條件(jiàn)，在旋轉壁(bì)面條件⁉️的(de)定義中，按(an)照MRF的要求(qiú)，将旋轉壁(bi)面的旋轉(zhuan)速度定義(yi)爲相對速(sù)度，并且相(xiang)對周圍流(liu)體速度爲(wèi)0。
2計算結果(guo)分析
2.1壓力(lì)場分析
　　 流(liu)量計 全壓(yā)定義爲入(rù)口全壓與(yǔ)出口全壓(ya)之差，通過(guò)全壓分析(xi)📱能夠直接(jie)反映儀表(biǎo)壓損的大(da)小。全壓越(yuè)大表明流(liú)體經過流(liú)量計後産(chan)生的壓損(sun)越大，壓損(sun)過大會導(dǎo)緻✉️流量計(jì)不能正常(chang)使用。進口(kou)全壓一定(dìng)時，出口全(quán)壓Pout越大，則(zé)流量計的(de)全壓△P越小(xiao)，壓力👌損失(shi)越小。如圖(tu)2（a）和圖3（a）所示(shi)，35°渦輪出口(kou)🍓全壓要明(ming)顯小于45°渦(wō)輪出口處(chù)的全壓🎯，這(zhè)說明相同(tong)的工👨‍❤️‍👨況下(xià)45°渦輪所産(chǎn)生的壓損(sun)較小。

　　渦輪葉(ye)片動壓的(de)分布和大(dà)小直接影(yǐng)響渦輪驅(qu)動力矩的(de)大小，35°葉片(pian)所受動壓(yā)明顯小于(yú)45°葉片所受(shou)動壓，說明(míng)在相同工(gong)況下45°螺📱旋(xuan)升角渦輪(lun)能獲得較(jiao)大的驅動(dong)🈲力矩，如圖(tú)2（b）和圖3（b）所示(shì)，與35°渦輪相(xiàng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼比，較小的(de)流量就可(ke)推🤞動渦輪(lun)穩定旋轉(zhuan)，從而使儀(yí)表進入線(xiàn)性✔️工作區(qū)。由此可預(yù)測安裝🚶45°螺(luó)旋角渦輪(lún)的儀表能(neng)獲得較小(xiǎo)的始動流(liú)量。
2.2速度場(chang)分析
　　當氣(qì)體介質以(yǐ)充分發展(zhan)的湍流經(jīng)過渦輪時(shi)，35°渦輪的速(su)度⭕矢量🌈方(fang)向變化較(jiào)大且向壁(bi)面集中，使(shǐ)得與葉片(piàn)直接作用(yòng)⭐産生🌈推動(dong)力矩的速(sù)度矢量減(jiǎn)少，如圖（4a)所(suǒ)示，且在出(chu)口處速度(du)衰減較大(dà)，間接說明(ming)介質♈流經(jīng)渦輪後壓(yā)損的增加(jiā)，如圖🔴4（b）所示(shì)。而45°渦輪内(nei)部的🛀速度(du)矢量分🔞布(bù)比較均勻(yun)，過流性較(jiào)好⭐，與葉片(piàn)直接👌作用(yong)的速度矢(shǐ)量較多，産(chan)生較大的(de)驅動力矩(jǔ)，如圖（5a)所示(shi)，且在出口(kǒu)處速度衰(shuai)🌐減較小，如(ru)圖（5b)所示。



3實驗(yan)對比
　　氣體(ti)渦輪流量(liàng)計的檢定(ding)采用負壓(ya)檢測方法(fa)，如圖6所示(shì)，由标準❄️吸(xī)風裝置産(chǎn)生負壓使(shǐ)标準羅茨(cí)流量計和(hé)🈲被檢定的(de)🤩氣體渦輪(lún)流量計同(tóng)時測量，安(an)裝在㊙️被測(ce)儀👄表兩端(duan)取壓口🐉處(chù)的U型管可(kě)以測量流(liu)量計進、出(chu)口處的壓(ya)力，從🍓而得(de)到儀表的(de)壓力⭐損失(shi)。
　　利用黃金(jīn)分割法選(xuan)取0～1200m3/h範圍8個(gè)流量點，在(zai)每一個流(liu)量㊙️點随機(jī)✍️采集3組不(bu)同時刻的(de)數據，包括(kuò)标準羅茨(ci)流量計和(hé)被檢🛀🏻定流(liú)量計的累(lei)積流量及(ji)其輸出脈(mo)☀️沖數，對每(měi)組數♈據進(jin)行🌍算術平(píng)均得到流(liú)量點處的(de)平均儀表(biǎo)系數。通過(guo)🐆采集U型管(guǎn)壓差裝置(zhi)的指示值(zhí)記錄每個(ge)流量點處(chù)的壓力損(sun)失，檢定結(jie)果如表2所(suǒ)示。

　　利用多(duo)項式插值(zhí)對表2中的(de)數據進行(hang)密化，得到(dao)20組插值數(shù)據，通過3次(cì)B樣條拟合(hé)得到儀表(biǎo)系數曲線(xiàn)和壓力🔆損(sǔn)失曲線。
始(shi)動流量以(yi)儀表系數(shu)進入線性(xìng)區的最小(xiǎo)流量來🧡确(què)定，在小流(liú)量區内安(ān)裝45°螺旋升(shēng)角渦輪的(de)流量計在(zài)流量20m3/h左右(yòu)即進入線(xian)性工作區(qū)；而安裝35°螺(luo)旋升角渦(wo)輪的流量(liang)計則在流(liu)⚽量150m3/h左右時(shi)才進💛入線(xian)性工作區(qu)，而且在線(xian)性工作區(qū)内也存在(zai)着明顯的(de)波動，如圖(tú)7所示.

　　35°渦輪流量(liàng)計在各工(gōng)況點處的(de)壓損明顯(xian)大于45°渦輪(lun)流🌈量計，最(zuì)大壓損達(dá)到3500Pa以上，如(rú)圖8所示。上(shàng)述分析表(biao)明安裝45°螺(luo)旋升角渦(wo)輪的流量(liàng)計與安裝(zhuāng)35°螺旋升角(jiao)渦輪的流(liú)量計相比(bǐ)具🤩有較小(xiao)的始動流(liú)量，較小的(de)壓力損失(shī)🏃‍♀️，而且儀表(biao)計量的線(xian)性度較好(hǎo)。

4結論
　　對螺(luó)旋升角爲(wei)35°和45°的氣體(ti)渦輪流量(liang)計旋轉部(bu)件内流❤️場(chǎng)🌈進行數值(zhi)模拟，分析(xi)描述其内(nèi)部流動的(de)壓力場和(hé)速度場，安(ān)裝45°螺旋升(sheng)角渦輪的(de)流量計比(bǐ)安裝35°螺旋(xuan)升角渦輪(lún)的流量計(ji)具有較小(xiao)的始動流(liú)量和壓力(li)損失。
利用(yòng)黃金分割(gē)法選取儀(yi)表流量範(fan)圍内的檢(jiǎn)定點，通⛱️過(guo)儀🎯表負壓(ya)檢定平台(tai)獲得了儀(yí)表系數曲(qu)線和壓力(li)損失🥵曲線(xian)，與數值仿(páng)真中的預(yu)測相吻合(he)，表明數值(zhí)模在流量(liàng)✍️計性能預(yù)測中👅的有(you)效性。
　　渦輪(lun)葉片的螺(luó)旋升角是(shi)影響儀表(biǎo)性能的關(guān)鍵參數，合(hé)理選擇渦(wō)輪的葉片(pian)螺旋升角(jiǎo)，可進一步(bu)改善儀表(biǎo)🛀的性能。

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