摘要(yào)：應用動(dong)量定理(lǐ)研究 渦(wo)輪流量(liàng)計 的基(jī)本工作(zuo)機理及(jí)儀表系(xì)數模型(xing)。通過數(shu)值仿真(zhēn)和流動(dong)實驗，分(fèn)析切向(xiang)渦輪流(liu)量計葉(ye)片未轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)動時流(liu)體在渦(wo)輪☎️流量(liang)計的分(fèn)布情況(kuang)，闡述切(qiē)向渦輪(lun)計葉片(pian)轉動機(ji)理。基于(yu)小㊙️流量(liàng)實驗裝(zhuang)置，考察(chá)了渦輪(lun)流量計(jì)在單相(xiang)水及單(dan)相油條(tiáo)件下的(de)響應✊特(te)性。渦輪(lún)流量計(ji)在純水(shuǐ)與純油(you)介質🌈中(zhong)，啓動排(pái)量分别(bie)爲0.081m3/d與0.08m3/d，均(jun)遠遠低(di)于普通(tōng)螺🏃旋式(shi)渦輪流(liú)量🔞計的(de)0.5m3/d，證明渦(wō)輪流量(liang)計在低(dī)流量測(ce)量中具(ju)有良好(hao)的應用(yong)前景。
0、引(yin)言：
　　渦輪(lún)流量計(ji)廣泛應(yīng)用于小(xiǎo)流量測(ce)量中。與(yu)軸向式(shi)渦輪流(liu)量🆚傳感(gan)器相比(bǐ)，切向渦(wo)輪流量(liàng)傳感器(qì)的啓💃🏻動(dong)排量更(geng)低，測💃量(liàng)靈敏度(du)更高，動(dong)态響應(yīng)速度更(gèng)快［1］。随着(zhe)國内大(da)部分油(you)田進入(ru)開發中(zhōng)後期，低(dī)産井數(shu)量逐年(nian)增多，大(dà)量油井(jing)的日産(chǎn)量低于(yu)5m3/d，單層産(chan)量甚至(zhì)低于1m3/d。低(di)産液井(jǐng)對測井(jing)儀器提(ti)出了新(xin)的要求(qiu)，傳統螺(luo)旋式渦(wō)輪流量(liang)計對低(dī)流量的(de)響應較(jiao)差，啓動(dòng)排量較(jiao)高，難以(yǐ)對低産(chǎn)井的井(jǐng)下流動(dòng)進行有(yǒu)效監測(ce)。爲此，提(ti)出采用(yòng)渦㊙️輪流(liú)量計測(cè)量小流(liú)量。
1、渦輪(lún)流量計(ji)工作原(yuan)理：
? 渦輪(lun)流量計(ji)基本構(gòu)造見圖(tú)1。被測流(liú)體在流(liú)經葉輪(lún)之前流(liu)道🔆會💃🏻減(jian)縮，流速(sù)增加，流(liú)體經過(guo)葉輪後(hou)葉片旋(xuán)轉，磁電(diàn)傳感器(qi)記錄葉(yè)片轉動(dong)頻率，得(de)到被測(ce)流體相(xiang)對應的(de)流量。

　　渦輪(lún)在轉動(dong)時所受(shou)的力矩(ju)大緻可(kě)分：流體(ti)對渦輪(lun)的推動(dong)🌈力🔱矩Ｔｒ，機(ji)械摩擦(cā)力矩Ｔｒｍ，流(liu)體對渦(wō)輪産生(shēng)的流🛀🏻動(dong)阻力矩(ju)💃🏻Ｔｒｆ和電磁(ci)阻🔞力矩(jǔ)Ｔｒｅ［２］。渦輪運(yun)動方程(chéng)可以表(biao)示爲
　　式(shi)中，Ｊ爲渦(wo)輪轉動(dong)慣量；ω爲(wei)渦輪轉(zhuan)動角速(su)度。渦輪(lún)正💁常工(gōng)作時，ω可(kě)近似看(kan)作定值(zhí)（切向渦(wō)輪轉動(dòng)時由于(yu)📞驅動力(li)矩随着(zhe)位置📐變(bian)化而變(bian)化，所以(yi)轉動角(jiǎo)速度ω也(ye)是變化(hua)的，這裏(lǐ)将ω看作(zuò)定值）。
　　如(rú)圖2所示(shi)，渦輪流(liu)量計流(liú)道收縮(suō)後面積(jī)爲Ａ，從流(liu)道流出(chu)的流體(ti)速度爲(wèi)ｖ1，從渦輪(lún)流出的(de)流體速(sù)度爲ｖ2；ｖ1和(he)ｖ2與渦🥰輪(lun)葉片速(su)度方向(xiang)的夾角(jiǎo)爲α1和α2，渦(wo)輪的轉(zhuǎn)動角速(sù)度爲💜ω，假(jiǎ)設出口(kǒu)處流體(tǐ)相對運(yun)動速✌️度(du)的方向(xiàng)平行于(yu)葉片方(fang)向。

在渦輪(lún)轉動時(shi)，隻有垂(chuí)直葉片(pian)方向的(de)力對驅(qū)動力矩(jǔ)有貢獻(xian)，因此隻(zhī)考慮垂(chuí)直葉片(pian)方向的(de)驅動力(lì)ｆ。

 式中，ｆＨｚ爲(wèi)轉動頻(pin)率；Ｑ爲流(liú)量。
2、渦輪(lún)流量計(jì)流場分(fèn)布特性(xìng)仿真分(fen)析：
　　Workbench是ANSYS公(gong)司開發(fā)的協同(tóng)仿真環(huan)境，大大(dà)簡化了(le)仿真過(guò)程🙇‍♀️中各(gè)模塊間(jian)的交互(hù)操作。通(tōng)過幾何(he)建模、網(wǎng)格劃分(fèn)、計🐆算求(qiu)🈲解、後處(chu)理等過(guò)程，可以(yi)比較準(zhǔn)确地仿(pang)真複雜(za)機械模(mo)型的各(gè)個物理(lǐ)參數的(de)場💁分布(bù)［3］。
　　根據實(shi)際情況(kuang)采用了(le)二維計(ji)算，并将(jiang)計算域(yu)劃分爲(wei)2個部分(fen)：葉輪轉(zhuǎn)動部分(fen)和入口(kǒu)出口部(bu)分（見圖(tú)3）。
　　在圖3中(zhōng)葉輪部(bu)分和入(rù)口出口(kou)部分均(jun1)采用四(si)邊形網(wǎng)格，網格(gé)數各約(yuē)2萬，整個(gè)計算域(yu)網格數(shu)爲4萬。入(ru)口出口(kou)部分爲(wèi)靜止網(wang)格采用(yòng)參考系(xì)，葉輪部(bù)分爲動(dòng)網格，繞(rao)圓心轉(zhuǎn)動，同時(shí)采用相(xiang)對參考(kǎo)系，參考(kao)系轉動(dong)速度與(yǔ)網格轉(zhuan)速相同(tóng)。

　　渦輪流(liú)量計仿(páng)真模型(xing)見圖4。圖(tú)4中右側(ce)入口和(hé)左側出(chu)口均寬(kuān)20ｍｍ，在⭐計算(suàn)中分别(bie)設置爲(wei)速度入(ru)口和速(sù)度出口(kǒu)，轉動部(bu)分直徑(jìng)（圖4中Ｄ1）爲(wei)18ｍｍ，葉片頂(ding)端半徑(jing)爲8.5ｍｍ，轉動(dòng)腔上半(bàn)部分直(zhi)徑（Ｄ3）爲20ｍｍ，轉(zhuan)動腔下(xià)半部分(fen)直徑（Ｄ2）爲(wei)19ｍｍ，轉動腔(qiang)入口出(chū)口寬度(du)均爲4ｍｍ。

　　圖(tú)5、圖6中速(sù)度入口(kou)分别爲(wei)0.08m3/d及1m3/d。如圖(tú)5所示，當(dang)流速較(jiao)低時，流(liú)體在切(qie)向渦輪(lún)内可以(yi)近似看(kàn)成繞角(jiao)流動，此(ci)🏃‍♂️時腔體(tǐ)内📞葉片(piàn)壓強對(dui)稱分布(bù)，基本上(shàng)不産生(sheng)壓差，無(wú)法驅動(dòng)渦輪葉(ye)片轉動(dong)；随着流(liú)速增大(dà)，流體在(zai)流入靠(kào)近入口(kǒu)的腔體(ti)時，在腔(qiāng)體内産(chan)生旋渦(wō)，旋渦的(de)運動導(dǎo)緻葉片(piàn)壁面壓(yā)強分布(bu)不均勻(yún)📧，從而産(chan)生驅動(dòng)矩，如圖(tu)6所示💋。可(ke)以看出(chū)對驅動(dong)力矩有(you)貢獻的(de)是🏃🏻靠近(jin)入口的(de)腔體，其(qí)他腔體(tǐ)基本上(shàng)不産生(shēng)壓差。

　　爲(wei)了驗證(zhèng)仿真的(de)準确性(xìng)，通過室(shi)内實驗(yan)對其驗(yan)證。切🏒向(xiang)渦📱輪采(cǎi)用可視(shi)化研究(jiū)平台，整(zheng)個渦輪(lún)的結構(gòu)都采用(yong)亞克力(li)闆雕🆚刻(ke)組🌏裝而(er)成。如圖(tu)7所示，水(shuǐ)箱主✉️要(yao)提供穩(wěn)定水壓(ya)，水平切(qiē)向渦👈輪(lún)做成💘開(kai)口系統(tǒng)并放置(zhi)在實驗(yan)支撐架(jià)上，前置(zhì)閥門可(ke)控制水(shui)流，在需(xū)要更換(huan)切向🐆渦(wo)輪的零(líng)件時可(ke)關閉，控(kong)制閥門(mén)主要🏃🏻是(shì)控制流(liu)經切向(xiàng)渦輪的(de)流量，流(liu)量測量(liàng)仍采用(yong)傳🤟統可(kě)靠的容(róng)積時間(jian)法。實🤞驗(yàn)時以染(ran)✔️色劑作(zuò)爲示蹤(zōng)劑，以觀(guān)察流場(chang)的分布(bu)情況。


　　如(rú)圖8所示(shi)，記錄的(de)是未啓(qǐ)動時切(qie)向渦輪(lún)内的流(liú)場，水從(cong)🤟圖8左側(ce)流入渦(wō)輪，從右(you)側流出(chū)，實驗時(shí)水的流(liú)速很🥵低(di)（0.05m3/d），腔體1中(zhong)的流動(dòng)可近似(si)看作不(bú)可壓縮(suō)無旋♋繞(rào)角流動(dòng)，此時流(liú)體在🔴腔(qiang)體1中的(de)速度可(kě)看成對(dui)稱分布(bù)，由伯努(nǔ)利方程(chéng)算得的(de)壓強也(yě)是對稱(chēng)分布，此(ci)時2個壁(bì)面幾乎(hu)沒有壓(yā)強🌈差，所(suo)以渦輪(lún)未啓動(dòng)。
　　圖9記錄(lù)的是切(qie)向渦輪(lun)正常轉(zhuan)動時的(de)流場，圖(tú)9中水從(cong)左向右(you)流動，實(shí)驗時水(shui)速較快(kuài)（1m3/d），渦輪葉(ye)片順時(shí)針🔞轉動(dòng)。水速變(bian)大💔後，擾(rǎo)動變大(dà)，不再是(shi)無旋繞(rào)角流動(dòng)，腔體1中(zhong)流體形(xing)成一個(ge)運動的(de)旋渦，導(dao)緻腔内(nèi)壓強分(fen)布不再(zài)對稱，産(chan)生壓差(cha)，緻使渦(wo)輪葉片(pian)🧡轉動，旋(xuan)渦在随(sui)葉片運(yùn)動到腔(qiang)體2中時(shí)逐漸耗(hào)散消失(shī)。數值仿(pang)真的計(ji)算結✔️果(guǒ)與物理(lǐ)實驗的(de)🔴結果基(ji)本一緻(zhì)。

3、切向渦(wo)輪在單(dān)相流體(tǐ)中響應(yīng)特性：
　　爲(wèi)了驗證(zheng)切向渦(wo)輪在單(dān)相流體(tǐ)中的響(xiǎng)應情況(kuang)，在全☀️集(ji)流☔條件(jiàn)下對其(qi)在單相(xiàng)水及單(dan)相油介(jiè)質中響(xiang)應規律(lǜ)進行了(le)研究。對(dui)于單相(xiang)水的渦(wō)輪響應(yīng)情況，進(jìn)行了在(zai)0～6m3/d流速範(fan)圍内😘的(de)渦輪響(xiǎng)應實驗(yàn)，測得單(dān)相水介(jie)質中渦(wo)輪的啓(qǐ)動排量(liang)爲🔴0.081m3/d，渦輪(lun)響應情(qing)況見圖(tú)10。經過拟(nǐ)合後的(de)響應關(guān)系爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采(cǎi)用同樣(yàng)的方法(fǎ)，對單相(xiang)油條件(jian)下渦輪(lún)響應規(gui)律進行(háng)研究（見(jian)圖11），測得(dé)單相油(yóu)的啓動(dong)排量爲(wèi)0.08m3/d。對單相(xiang)油的🐆實(shí)驗結果(guǒ)進行拟(ni)合，可得(de)單相油(yóu)的響應(ying)曲線爲(wei)ω＝6.73Ｑ－6.72。與水對(duì)比而言(yan)，油的拟(ni)合曲線(xian)斜率更(gèng)大，即随(suí)着流量(liang)增加轉(zhuǎn)速增加(jiā)得略快(kuai)。
　　爲了深(shen)入分析(xī)渦輪流(liú)量計在(zài)單相低(di)流量條(tiao)件下的(de)響應特(tè)點，将流(liu)量作爲(wèi)橫坐标(biao)，儀表Ｋ值(zhí)即轉速(sù)／流♉量作(zuo)爲縱🌈坐(zuo)标，繪制(zhì)單相水(shuǐ)（見圖12）和(he)單相油(yóu)（見圖13）的(de)渦輪流(liú)♌量計特(te)性曲線(xiàn)。

　　爲了深(shen)入分析(xī)切向渦(wo)輪流量(liàng)計在單(dan)相低流(liu)量條件(jian)下的響(xiǎng)應特點(dian)，将流量(liàng)作爲橫(héng)坐标，儀(yi)表K值即(ji)轉速／流(liu)量作爲(wèi)縱坐标(biao)，繪制單(dan)相水（見(jiàn)圖12）和單(dan)相油（見(jian)🧡圖13）的切(qie)向渦輪(lun)👨‍❤️‍👨流量計(jì)🐆特性曲(qǔ)線。


　　可以(yǐ)看出，渦(wō)輪啓動(dong)後首先(xiān)進入一(yī)個非線(xian)性段，在(zai)非線🈚性(xìng)相應段(duan)，Ｋ值随着(zhe)流量增(zēng)加而增(zeng)大；當流(liú)量比較(jiao)大（單相(xiang)水超過(guo)0.5m3/d，單🌈相油(yóu)♈超過1m3/d）時(shí)，渦輪進(jìn)入線性(xing)段📱，在線(xian)性💃🏻響應(ying)段，Ｋ值達(da)到峰值(zhi)，有相對(dui)較小的(de)波動。
4、結(jie)論：
（1）數值(zhi)仿真結(jié)果與物(wù)理實驗(yan)結果基(ji)本一緻(zhi)，當流速(sù)低于啓(qi)💞動㊙️排量(liang)，渦輪未(wèi)啓動時(shi)，流體沿(yán)葉片做(zuò)繞角💃🏻運(yùn)動👈，葉片(piàn)兩側壓(yā)力相等(deng)，葉片不(bú)轉動；當(dāng)流速高(gao)于啓動(dòng)排量，渦(wo)輪㊙️轉動(dong)時，流體(tǐ)在腔内(nei)産生旋(xuán)渦，造成(cheng)葉片兩(liǎng)邊壓差(chà)，從而造(zao)成葉片(piàn)轉動。
（2）渦(wō)輪流量(liang)計在純(chún)水與純(chún)油介質(zhì)中，啓動(dòng)排量分(fen)别爲0.081m3/d與(yǔ)0.08m3/d，均遠遠(yuǎn)低于普(pǔ)通螺旋(xuan)式渦輪(lun)流量計(jì)0.5m3/d的啓動(dong)🛀🏻排量，在(zài)低✂️流量(liang)測量具(ju)有良好(hao)的前景(jing)。
（3）渦輪流(liú)量計在(zai)未達到(dao)穩定轉(zhuǎn)動前，Ｋ值(zhi)不斷增(zēng)大，穩定(ding)轉動後(hou)🎯 K值💋趨于(yú)一條直(zhí)線，具有(you)良好的(de)線性關(guān)系。

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