[摘要] 渦輪(lún)流量計 性能(néng)會随着被測(ce)流體粘度的(de)增大而變差(chà)，爲了降👅低✌️介(jiè)質🌏粘✌️度對渦(wo)輪性能的影(yǐng)響，采用計算(suàn)流體力學CFD)仿(pang)真的方法，通(tong)過适當🧑🏽‍🤝‍🧑🏻地增(zeng)大頂端間隙(xì)，實現了對液(yè)體渦輪流量(liang)計 參數的定(dìng)量優化，并從(cóng)葉輪尾部流(liu)場、葉片表面(mian)壓力🔞場及🔞葉(yè)輪受力情況(kuàng)等方面分析(xī)了不同的葉(yè)輪頂端問隙(xi)對葉輪性能(neng)産生影響的(de)機理。
　　液體渦(wo)輪流量計具(ju)有測量精度(du)高、量程寬、壓(ya)損小、輸出脈(mo)沖信号、重複(fu)性和動态響(xiang)應好等多種(zhong)優點。在用于(yú)低🔴粘度液體(ti)流量測量時(shi)，在相當寬的(de)流量🎯範圍内(nei)，其測量精度(dù)可達0.5%~0.15%，重複性(xing)可達‼️0.1%~0.05%。缺點在(zai)于儀表系數(shù)受被測流體(tǐ)粘度變化‼️的(de)影響較大。一(yi)般來說，粘度(du)變化🔞對線性(xing).特性的影響(xiǎng)随着流量計(jì)口徑的減小(xiǎo)而增大☔。目前(qián)，國.内渦輪✔️流(liu)量計出廠時(shi)，一般都是用(yong)水或粘度比(bi)較低的柴油(yóu)進💞行檢定，但(dan)很多使用者(zhe)卻用其來測(cè)💯量液壓油、潤(rùn)滑油等中粘(zhan)度甚至高粘(zhān)度液體的流(liu)量。這就迫切(qiē)要求提高渦(wo)⭐輪流👅量計在(zài)測量粘性介(jiè)質時的精度(dù)。
　　通過改變葉(ye)輪葉片頂端(duān)間隙來實現(xian)渦輪的優化(huà)在♈.以往的⛷️文(wen)獻口.四中已(yi)有出現，但如(rú)何進行定量(liàng)的優化及改(gǎi)變頂端間隙(xi)會對渦輪的(de)性能造成多(duō)大的影響等(deng)，卻仍需作進(jìn)一步的研究(jiū)☁️。
　　通過對不同(tong)葉輪頂隙的(de)渦輪流量計(jì)進行計算流(liu)體力學CFD)仿真(zhēn)四，當流體粘(zhān)度爲9.1cSt時，渦輪(lún)的線性度誤(wu)差由0.987%減小至(zhì)0.014%;當流體粘度(dù)爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差(chà)由5.568%減小至3.693%。
1渦(wō)輪流量計CFD仿(pang)真方法
1.1三維(wei)仿真模型建(jian)立
　　以DN10渦輪流(liu)量傳感器爲(wèi)例進行研究(jiu)，按照實驗所(suǒ)用渦輪🔞流量(liàng)傳🚩感器的幾(jǐ)何結構參數(shù)建立仿真模(mó)型，如圖1所示(shi)。在渦輪前後(hou)分别增加10D的(de)直管段以模(mo)拟❌實流實💜驗(yan)中的流動狀(zhuàng)态。

1.2網(wǎng)格劃分
　　對模(mo)型的網格劃(hua)分是仿真的(de)關鍵。網格質(zhì)量直接🥰影響(xiǎng)🏒仿真的求解(jiě)過程和結果(guǒ)，若所劃網格(gé)質量太差，在(zai)後續的仿真(zhen)過程中會産(chǎn)生很多問題(ti)，減小收斂速(su)度，影響求🌈解(jiě)結果的準确(que)性。在既保證(zheng)網格質量又(yòu)控制🐪網格數(shù)量🐅的條件下(xia)，對網格進行(háng)如下的😄劃分(fèn)。
　　葉輪處結構(gòu)較爲複雜，所(suo)以在網格劃(hua)分時采用四(si)面🥵體網格，其(qi)intervalsize爲0.12。在葉輪兩(liǎng)側定義了interface面(miàn)，以聯接葉輪(lún)轉動區域和(hé)其它靜止區(qū)城。網格質量(liàng)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小(xiao)于0.82.
1.3參數設定(dìng)
　　選取SSTk-w湍流模(mo)型，對流體特(te)性及邊界條(tiáo)件等都嚴格(gé)按照實☁️流實(shi)驗進行設置(zhì)，并采用多參(can)考坐标系的(de)方法解決🔞轉(zhuǎn)動✨的流體區(qū)域流場變化(hua)問題。通過監(jian)測葉輪⁉️及輪(lun)毂💘的力矩，并(bìng)根據🐆驅動力(lì)矩與阻力.矩(jǔ)的差值對葉(yè)輪轉速大小(xiǎo)進行調節，當(dāng)力矩系數Cm值(zhi)達到10-9時，認爲(wèi)❄️葉輪所受力(li)矩達到平衡(héng)，則此時的葉(yè)輪轉速即爲(wei)合适的轉速(su)。.
2葉輪頂端間(jiān)隙影響的仿(pang)真
2.1頂端間隙(xì)影響的理論(lun)依據
　　當流體(ti)在管道内部(bù)流動時，渦輪(lun)流量計同時(shí)受到💞驅☔動🐉力(li)矩及阻力矩(jǔ)的作用。其中(zhong)阻力矩主要(yào)包括💜粘性🚩摩(mó)擦阻力矩、機(jī)械摩擦阻力(lì)矩和磁阻力(lì)矩等。而在測(cè)量粘性流體(ti)時機械摩擦(cā)阻力矩和磁(cí)阻力矩可以(yǐ)忽略不計。葉(yè)💘片邊緣與☎️殼(ke)體内壁之間(jiān)充滿了流體(ti)，因此🔞這一形(xíng)式的摩擦阻(zu)力實際上是(shì)由流體與固(gu)體壁面之間(jian)由于存在着(zhe)相對運動而(ér)引起的粘性(xìng)摩擦阻力🌈。但(dàn)是由于其間(jiān)隙相當小，因(yīn)此流體在這(zhè)一狹小間隙(xì)中的流動始(shǐ)終認爲是處(chù)在層流流動(dòng)狀态，從而可(ke)直接應用納(nà)維埃一斯托(tuo)克斯方程對(dui)流場求解。

　　式(shì)中:T1爲葉片頂(ding)端與傳感器(qi)外殼内壁之(zhi)間的粘性摩(mó)擦阻力矩，n·m;r,爲(wei)葉片頂端處(chu)半徑，m;r。爲流量(liàng)計殼體内壁(bi)半徑，m;C爲葉片(pian)寬，m;ρ爲流體密(mi)度，kg/m';v爲流體運(yùn)動粘度，m2/s;0爲💜葉(ye)輪旋轉角速(sù)度，rad/s。由(1)式可以(yi)看出，通過減(jian)小r,即葉片頂(ding)端處半🐆徑可(ke)以減小粘性(xing)摩擦阻力矩(jǔ)。
　　雖然葉片頂(ding)端間隙的增(zeng)大可以減小(xiao)T1的數值，增加(jiā)葉輪🔞轉速，降(jiang)低渦輪對流(liú)體粘性的敏(min)感程度，但是(shi)🤞由于🈲随着頂(ding)隙的增大，漏(lou)流也增大，這(zhe)會給測量的(de)精度帶來影(yǐng)響，因此要🌈兼(jiān)顧兩💚者以達(dá)到平衡。
2.2仿真(zhēn)數據
通常采(cai)用葉片頂端(duan)間隙與管道(dào)半徑之比δ對(duì)頂端間隙進(jìn)行☀️無量綱化(huà)

　　選擇了運動(dong)粘度分别爲(wèi)9.1cSt、31.6eSt的柴油-機油(yóu)混合液，對不(bú)同頂端間隙(xi)的渦輪流量(liang)計進行仿真(zhen)，仿真結果如(rú)表1所示。從表(biao)中數據可以(yǐ)看出，渦輪流(liú)量計在測量(liang)時，一般在小(xiǎo)流量點處的(de)儀表系數會(huì)小于大流量(liang)點處的儀表(biao)系數，這是造(zào)成線性度誤(wu)差🐕的原因。對(dui)🏃‍♂️于相同粘度(du)的流體，在相(xiàng)同流速時，随(suí)着頂端間隙(xi)的增大,渦輪(lún)🤟流量計的旋(xuán)轉角速度增(zēng)大，相應的儀(yí)🧡表系數也增(zeng)大。而渦輪流(liu)量計在測量(liàng)粘性流體時(shí)主要受影響(xiǎng)的是在小流(liú)量點，頂端間(jiān)隙增大後，渦(wō)輪在小流量(liang)點處的儀表(biao)系數❄️相對于(yu)大流量點得(dé)🤞到了更大的(de)提高,故減小(xiao)了線性度誤(wù)差。即對于同(tong)🥵一介質粘度(du)，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shu)受流量變化(hua)♋的影響在減(jiǎn)小。

3頂端間隙(xi)影響的機理(lǐ)分析
　　通過分(fen)析渦輪流量(liang)傳感器内部(bu)的速度場和(hé)壓力場變化(hua)以及⛷️葉片受(shou)力情況等，可(ke)以理解在測(ce)量粘性流☎️體(ti)時頂端間隙(xi)變化對流量(liàng)傳感器特性(xìng)産生🈚影響的(de)流體力學機(ji)理🏃🏻‍♂️。
3.1速度場分(fèn)析
　　圖2爲渦輪(lún)葉片尾部流(liu)體速度矢量(liang)圖，灰色部分(fen)爲🈲葉片。可以(yǐ)看出在葉片(pian)的尾部，流體(tǐ)出現了流動(dòng)分離。靠近葉(ye)輪的流體，其(qí)速度可以認(ren)爲與葉輪的(de)轉✨速相同，葉(yè)輪的轉速越(yuè)慢，其尾部的(de)低流速區越(yuè)大。

　　比較圖3(a)和(hé)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可(ke)以看出當流(liu)體粘度一定(ding)時，流量越大(da)，葉輪的尾部(bu)低流速區越(yuè)小。當頂端間(jiān)隙由0.2mm增加:至(zhi)0.5mm時，對于相🏃同(tong)粘🌈度的流體(tǐ)和相同的流(liú)量點，葉輪尾(wěi)部低🔞流速區(qū)變小，表明葉(ye)輪旋轉角速(sù)度增大，即儀(yí)表系數變大(dà)。但在小流量(liang)點處，低流速(su)區的相對變(bian)化較之于大(da)流量點處要(yao)大，即小流量(liàng)點🈲處葉輪轉(zhuan)速🚶‍♀️的相對變(bian)化比大流量(liang)點處要大，則(zé)儀表系數的(de)❤️增加值相對(dui)也大，故渦輪(lún)的線性度誤(wù)差減✍️小。

3.2壓力(li)場分析
　　比較(jiào)圖5(a)和圖5(b)、圖6中(zhōng)的圖6(a)和圖6(b)，可(kě)以看出，對于(yu)相同粘🎯度的(de)流體，随着流(liu)量的增大，高(gāo)壓區的面積(ji)變大，且向葉(yè)片的尾部和(hé)頂端移⁉️動，緻(zhì)使葉片所受(shòu)驅動力矩增(zeng)加，葉輪旋💛轉(zhuan)角速度增大(dà)。對于相❓同粘(zhan)度的流體在(zai)相同的流量(liang)點處，頂端間(jiān)隙由0.2mm增大至(zhi)0.5mm時，比較圖5和(hé)圖6可以看出(chū)，葉片表面的(de)高壓區面積(ji)變大，且✍️向葉(yè)片的尾部🔞和(he)頂端移動，緻(zhi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼使葉輪所受(shou)驅動力🍉矩增(zeng)加，而由圖7和(hé)圖8可以看出(chu)葉片尾部的(de)低壓區面積(ji)變小，葉輪旋(xuan)轉的阻力減(jian)小，則旋轉的(de)角速度增大(dà)，即儀表系數(shu)增大❄️。

　　由3)式可(kě)以看出，當其(qí)它條件一定(dìng)時，對于.确定(dìng)的葉📞輪轉速(su)，葉輪📧受到的(de)粘性阻力矩(jǔ)也是一定的(de)。那麽，反過來(lai)亦❄️可以通過(guò)粘性阻力矩(jǔ)來判斷葉輪(lún)轉速的大小(xiao)🐉。
利用Fluent中的Report可(ke)以得到渦輪(lun)流量計所受(shou)的壓力力矩(ju)和粘👉性阻力(lì)矩，如表2所示(shì)。

　　比較表格中(zhōng)的數據可以(yǐ)得出，對于具(jù)有相同粘度(dù)的流體和相(xiàng)同的流量點(dian)，當渦輪的頂(ding)端間隙增大(da)時，葉輪所受(shou)到的粘性阻(zu)力矩變小，這(zhè)直接導緻了(le)渦輪的轉速(sù)增❄️大即儀👨‍❤️‍👨表(biǎo)系數增大。在(zài)小流量點，粘(zhan)性阻力矩相(xiang)對減小了16.64%，在(zài)大流量點，粘(zhan)性阻力矩相(xiàng)㊙️對減小了13.79%，這(zhè)樣渦輪轉速(su)在小流量點(diǎn)🚶‍♀️處相對增加(jia)較爲顯著，故(gù)渦輪的線性(xìng)度誤🔅差得到(dao)了降低。
4結論(lùn)
　　對具有不同(tong)頂端間隙的(de)液體渦輪流(liú)量計進行CFD仿(páng)✍️真分析，當流(liú)體粘度爲9.leSt時(shi)，渦輪的線性(xing)度誤差由.0.987%減(jian)小至0.014%;當流體(tǐ)粘度爲💰31.6cSt時，渦(wō)輪的線性度(du)誤差由5.568%減小(xiǎo)至3.693%。通過分析(xī)渦輪的内部(bù)流場及葉輪(lún)受力情況，可(kě)以得出以下(xià)
結論:
(1)适當增(zēng)大葉輪的頂(ding)端間隙，流體(ti)粘度和流量(liang)一定時，葉輪(lun)尾部低流速(sù)區減小，葉輪(lún)旋轉角速度(dù)增大，即儀表(biao)系數變😘大。而(ér)小流量點處(chu)的低流速區(qu)相對變化較(jiao)之于大流量(liang)點㊙️處要大，即(ji)小流量點處(chù)葉輪轉速的(de)相對變化比(bi)大流量點處(chu)要大，則儀表(biǎo)系數🤩的增加(jiā)值相對也大(dà)，故渦輪的線(xian)性度誤差減(jiǎn)小。
(2)對于相同(tong)粘度的流體(tǐ)，在相同的流(liu)量點，渦輪的(de)頂端間隙🥰适(shi)當增加時，葉(ye)片尾部的低(dī)壓區面積變(biàn)小，葉片✨表面(miàn)的高壓區向(xiàng)葉片的尾部(bu)和頂端移動(dòng)且👉面積變大(dà)，緻使葉輪所(suǒ)受驅動⛷️力矩(ju)增💛加，旋轉的(de)角速度增大(dà)，儀表系數增(zēng)大。
(3)對于相同(tong)粘度的流體(tǐ)和相同的流(liú)量點，葉輪所(suǒ)受🔅到的粘性(xìng)阻力矩随着(zhe)葉輪頂端間(jian)隙增大而變(biàn)小，則葉輪的(de)轉速增大，液(ye)體🏃‍♀️渦輪流量(liang)計系數增大(da)。在小流量點(dian)，粘性♈阻力矩(ju)相對減小值(zhi)較大流量點(dian)處更爲顯著(zhe)，即儀表系數(shù)相對增加值(zhi)更大💛，故渦輪(lun)的💋線性度誤(wu)差得到了降(jiàng)低❓。

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