摘要：根據(ju)已有的DN25旋(xuán)進旋渦流(liu)量計的結(jié)構參數，設(shè)計了DN20小型(xíng)旋進旋渦(wō)流量計 ，而(ér)後借助ANSYSFluent流(liu)體仿真對(dui)DN20小型旋進(jin)旋渦流量(liang)計進行了(le)結構與流(liú)場關系的(de)研究。通過(guò)正交試驗(yan)，獲得了‼️DN20小(xiao)型流量計(jì)不同結構(gou)的内部流(liú)場及其信(xin)息，分析了(le)流量👄計工(gong)作🔆範圍内(nèi)旋渦規律(lü)和流量之(zhī)間的關系(xi)；進一步更(gèng)換不同測(ce)量橫截面(mian)，查看壓力(lì)場及其變(bian)化規律，與(yǔ)原結構方(fang)案的測量(liàng)截面✏️進行(hang)比較，選🥰定(dìng)最優測量(liang)截面與測(cè)量點，爲DN20流(liú)量計産品(pin)研發提供(gòng)了理論依(yī)據。
0引言
　　旋(xuan)進旋渦流(liu)量計是根(gen)據旋渦進(jin)動現象設(shè)計的一種(zhǒng)流體振蕩(dàng)🥰式流量計(jì)，具有流量(liàng)範圍寬、無(wú)可動部件(jiàn)、不易腐蝕(shí)、可靠性高(gao)、安裝使用(yòng)方便、直管(guan)段要求短(duan)等優點，适(shì)用🏒于石油(yóu)、蒸汽、天然(ran)氣、水🧡等多(duō)種介質的(de)流量測量(liàng)[1]。20世紀70年代(dài)，對旋進旋(xuan)渦流量計(jì)性能進行(hang)了比較全(quan)面的實驗(yan)研究，驗證(zheng)了此流量(liàng)計線性輸(shu)出特性，同(tong)時發現此(cǐ)流量計不(bú)易受介質(zhi)粘度和密(mi)度影響，指(zhi)出旋進旋(xuán)渦流量計(ji)在高壓氣(qì)體測量方(fang)面的商業(yè)應用前♋景(jing)。對旋進旋(xuan)渦流量計(jì)做了實際(jì)工況下✉️的(de)儀表特征(zhēng)測試，探索(suo)該流量計(jì)在計量領(ling)域應用的(de)可行性。
　　對(dui)于旋進旋(xuan)渦流量計(jì)内部流動(dong)特性及流(liú)量計改進(jin)方面，科研(yán)人員也進(jin)行了一定(dìng)的探索，彭(peng)傑剛等人(rén)[4]對旋進旋(xuan)渦♌流量計(jì)内部流場(chǎng)進行了數(shù)值模拟分(fèn)析，研究了(le)旋渦流量(liang)計内部流(liú)場的演變(biàn)情況，分析(xi)了流場🏃幹(gan)擾對旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計流場❄️進(jin)動效應的(de)影響。何馨(xin)❤️雨等人[5]對(dui)旋進旋渦(wō)内部🧡流場(chǎng)進行了☁️數(shu)值模拟分(fen)析，獲得了(le)比較全面(miàn)的流場信(xìn)息，對這種(zhong)流量計🔴的(de)内部流動(dong)特性有了(le)更💘加深入(rù)的理解。

　　目前，針對(duì)旋進旋渦(wo)流量計，特(te)别是小型(xíng)和微型流(liú)量計☔還存(cún)在流量計(jì)低流量工(gong)況條件下(xia)測量不準(zhǔn)确、過🌈程不(bú)穩定的問(wen)題，開🛀🏻發小(xiǎo)型流量計(jì)，相較于普(pǔ)通流量計(jì)需要👨‍❤️‍👨在結(jié)構上做出(chu)改進和優(you)化。比如，可(ke)采用導流(liu)片來降低(dī)壓損，提高(gāo)流量計的(de)性能。本文(wen)着重考慮(lü)對小型旋(xuán)進旋渦流(liu)量計的起(qi)旋角、收縮(suo)角和收縮(suo)比進行優(you)化研究，從(cong)而爲進一(yī)步開發和(he)定型小型(xing)🛀流量計提(ti)供理論上(shàng)的支持。
1旋(xuán)進旋渦流(liú)量計工作(zuò)原理[6]
　　旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計 主要由(you)起旋器、文(wén)丘裏管、消(xiao)旋器和檢(jiǎn)測傳感器(qì)組🌈成，其結(jie)構原理如(ru)圖1所示。
　　旋(xuán)進旋渦流(liú)量計是基(jī)于旋渦進(jin)動現象工(gong)作的。流🔅體(tǐ)流入旋進(jìn)旋渦流量(liàng)計後，首先(xiān)通過一組(zǔ)由固定螺(luo)旋🔅形葉片(piàn)組成的起(qǐ)旋器後被(bèi)強制旋轉(zhuan)，使流體形(xíng)成旋渦，旋(xuán)渦中心爲(wei)“渦核”是流(liú)體旋轉運(yùn)動速度很(hěn)高的區域(yu)，其外圍是(shì)環流。流💜體(tǐ)流經收縮(suo)段時旋渦(wo)加速，沿流(liu)✂️動方向渦(wo)核與流量(liàng)計的軸線(xian)相一緻❤️。當(dang)進入擴大(dà)段後，旋渦(wo)急劇減☀️速(sù)，壓力上升(shēng)，中心區域(yu)的壓力比(bǐ)周圍壓力(lì)低，于是産(chan)生✏️了局部(bù)回流；在回(huí)🔴流作用下(xià)，渦核開始(shǐ)像剛體一(yi)樣圍🛀🏻繞中(zhōng)心軸在擴(kuò)張段壁面(miàn)做螺旋進(jìn)動。其進動(dòng)頻率與流(liú)體的流速(sù)成正比。因(yīn)此，測得旋(xuan)進旋渦的(de)頻率即能(néng)反映流速(su)和體積流(liu)量的大小(xiao)。
2模型建立(lì)與計算
2.1仿(páng)真模型的(de)建立
　　根據(jù)現有的實(shi)物模型使(shi)用NX建立仿(pang)真模型，根(gēn)據測繪🙇‍♀️得(dé)出🙇🏻DN25旋進漩(xuan)渦流量計(jì)重要尺寸(cùn)：進出口直(zhí)徑爲25mm，收縮(suo)比爲1.25，收縮(suo)段夾角爲(wei)12°，起旋器葉(yè)片夾角爲(wèi)42°，擴張段夾(jia)角爲60°，建立(li)如圖2所示(shi)三維模型(xing)。

　　再根據實(shí)物參數建(jian)立好的DN25旋(xuan)進旋渦流(liú)量計模型(xing)的基礎上(shàng)進行修改(gai)，得到DN20小型(xing)旋進旋渦(wō)流量計模(mó)型。DN20旋進旋(xuán)渦流👌量計(ji)具體結構(gòu)尺寸數據(jù)如下：進出(chū)口直徑爲(wèi)φ20mm，收縮段夾(jiá)角爲12°，起旋(xuán)器葉片✨入(ru)射角爲42°，收(shou)⁉️縮比爲1.25（喉(hou)部直徑爲(wèi)φ16mm），擴張段夾(jia)角爲60°，結構(gou)💋尺寸如圖(tú)3所示。

2.2流體(tǐ)力學控制(zhì)方程和湍(tuan)流模型
　　旋(xuan)進旋渦流(liú)量計的流(liu)體動力特(tè)性，可以用(yòng)流體力學(xue)基本方💯程(chéng)🈲進行描述(shu)。
　　連續性方(fāng)程和動量(liàng)方程：

式（1）、式(shi)（2）中：p——靜壓；ui——流(liu)動速度；f——質(zhi)量力；τij——應力(lì)質量。

　　流量(liang)計内部爲(wèi)湍流流動(dòng)，需引入湍(tuān)流模型，标(biao)準的K-Epsilon湍流(liú)模🏃🏻型用于(yú)強旋流或(huo)帶有彎曲(qǔ)壁面的流(liú)動時🏃🏻‍♂️，會出(chu)㊙️現一⭐定的(de)失真，因此(cǐ)本文選用(yong)RNGk-?湍流模型(xíng)。湍流模型(xing)和相關方(fāng)程在文獻(xian)[5]中有詳細(xì)說明。
3K值系(xì)數的确定(ding)
3.1不同流量(liàng)下的K值系(xì)數
　　DN20小型旋(xuan)進旋渦流(liú)量計的範(fan)圍爲2.5m3/h～25m3/h，分别(bié)選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuo)爲仿真計(jì)算的進出(chu)口流量，出(chu)口的相對(duì)壓力設爲(wei)0Pa，壁♌面爲無(wu)滑移邊界(jie)。先常定計(ji)算，然後在(zai)常定計算(suàn)的基礎上(shang)進行非🛀常(chang)定計👌算。
　　選(xuan)取上述4組(zǔ)仿真的同(tong)一截面的(de)同選定一(yi)測量點，分(fen)别計算點(diǎn)的壓力變(biàn)化頻率與(yu)壓差，從而(ér)判斷不同(tóng)流量下DN20小(xiao)型旋進旋(xuán)渦流量計(ji)的性能優(you)劣。
　　截面取(qǔ)喉部（擴張(zhāng)段前截面(miàn)處），截面上(shang)節點位置(zhì)距⭐離壁🐪面(mian)3mm，具體🥰位置(zhi)如圖4所示(shi)。不同流量(liàng)下的節點(dian)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼壓力變(biàn)化雲圖如(ru)圖5所示。

　　根(gēn)據圖5數據(ju)，整理可得(dé)到以下數(shù)據：流量爲(wei)25m3/h時，0.002s内壓力(lì)變化約爲(wèi)3.9次，頻率爲(wèi)1950Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約(yue)爲281000；流量⛱️爲(wei)12.5m3/h時，0.005s内壓力(lì)變化約爲(wei)4.5次，頻率爲(wèi)900Hz，換算得K此(ci)時K系數✨約(yuē)爲259366；流量爲(wèi)5m3/h時，0.02s内壓力(li)變化約爲(wèi)6.5次，頻率爲(wèi)325Hz，換算得K此(ci)時K系數約(yue)爲233981；流量爲(wèi)2.5m3/h時，0.1s内壓力(li)變化約爲(wèi)17次，頻率💰爲(wèi)170Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約(yue)爲244957。
　　根據上(shang)述數據整(zheng)理可得：平(píng)均K系數值(zhí)約爲254825。
　　以上(shang)數據存在(zài)以下問題(tí)：當測量低(dī)流量（2.5m3/h）時，出(chu)現壓💰差減(jian)小，壓力變(bian)化的範圍(wei)不大，渦核(he)轉動幅度(dù)減小🤞，脈動(dòng)效應不明(míng)顯，不利于(yu)🈲傳感器的(de)測量。針對(dui)此問題，本(ben)文對DN20小型(xíng)旋進旋渦(wo)流量計進(jin)行結構優(you)化，以提高(gāo)流量計在(zai)測量低流(liu)量時的測(ce)量精度。
3.2針(zhen)對小流量(liang)測量的結(jie)構優化
　　參(can)考相關論(lùn)文[7]，影響流(liú)量計儀表(biǎo)精度與最(zui)小測量流(liú)量的♋3個相(xiang)關因素爲(wei)：收縮段角(jiǎo)度、起旋器(qì)入射角和(hé)喉部直👣徑(jìng)（收縮比⛹🏻‍♀️）。
　　仿(pang)真實驗選(xuǎn)用三因素(sù)三水平正(zhèng)交實驗，三(san)因素分别(bie)♋爲：起旋角(jiǎo)、收縮角和(he)收縮比。起(qǐ)旋角對應(yīng)的三水平(ping)爲40/42/45，收縮比(bi)對應的三(sān)水平爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收(shou)縮角對應(yīng)的三水🥰平(ping)爲13/12/15。綜🔞合考(kao)慮所有的(de)♈因素要實(shi)驗27次，而正(zheng)交實驗隻(zhī)要選取9組(zǔ)關鍵實驗(yàn)，表1爲正交(jiao)實驗表。

　　依(yi)照三因素(sù)三水平正(zhèng)交實驗表(biao)，按順序進(jin)行正交實(shí)驗🔞，得🍉到不(bu)同情況下(xia)的相同時(shí)刻的截面(miàn)壓力雲圖(tu)如圖6所示(shi)，截📧面壓力(lì)的變化圖(tu)如圖7所示(shi)。圖片按實(shí)驗序号一(yi)一對應。、


　　由(you)正交實驗(yan)所得到的(de)數據可知(zhī)，模型六與(yu)模型九在(zai)低流🐅量🙇‍♀️的(de)❤️情況下仿(pang)真，壓力變(biàn)化明顯，壓(yā)力變化幅(fú)度較原模(mo)型顯著提(ti)高，脈動效(xiao)應明顯，即(ji)相較于原(yuan)模型得到(dao)優👉化。
3.3确定(ding)模型
　　爲了(le)進一步驗(yàn)證模型參(can)數的優化(hua)情況，選擇(zé)最優模型(xíng)，分别取不(bu)同的進口(kǒu)流量，對模(mó)型六與模(mo)型九進行(háng)🏃仿真實驗(yàn)，計算對應(yīng)的頻率和(hé)K系數值。
　　考(kǎo)慮到原模(mó)型的流量(liàng)範圍在2.5m3/h～25m3/h，頻(pín)率爲150Hz～1500Hz，此次(cì)仿真實驗(yan)🔞取對🔆應⛱️的(de)進口流量(liàng)爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xing)六不同進(jìn)口流量的(de)對應壓力(li)變化圖如(rú)圖8所示。根(gen)🔴據4組仿真(zhēn)實驗所得(dé)數據，得到(dao)模型六的(de)頻率輸出(chu)💰範圍約爲(wei)✨162Hz～2100Hz，K值平均爲(wèi)279845，較原模型(xing)提高約27%。

　　模(mó)型九不同(tóng)進口流量(liang)的對應壓(ya)力變化圖(tú)如圖9所示(shi)。根據4組仿(pang)真實驗所(suo)得數據，得(de)到模型九(jiǔ)的頻率輸(shu)出😘範圍約(yue)爲200Hz～2350Hz，K值平均(jun1)爲322343，較原模(mo)型提高約(yuē)46%。

　　根據所有(you)相關數據(jù)得出結論(lùn)：模型九相(xiang)較于模型(xing)六有更好(hǎo)的🔞優化效(xiao)果。因此，選(xuǎn)取模型九(jiu)做爲最優(yōu)模型
3.4測量(liàng)點的選定(dìng)
　　由于流量(liàng)計的脈動(dong)複雜性，在(zai)管道内部(bu)對流場壓(yā)力測量⭐點(diǎn)的選取至(zhi)關重要。爲(wei)了選擇最(zui)優測量點(diǎn)，對整個模(mo)型進🆚行仿(pang)真實😄驗，根(gen)據以往經(jing)驗，選取喉(hóu)部附近不(bu)同的✌️8個位(wèi)置進行相(xiang)應的測🏃量(liàng)，查看對應(ying)的壓力變(bian)化，從而判(pàn)斷最優的(de)測量點。本(běn)次仿真實(shi)驗選擇的(de)8個測量點(dian)的位置如(rú)圖10所示🔱。

　　在(zai)低流量2.5m3/h仿(pang)真環境下(xia)，選擇如圖(tu)10所示的8個(gè)不同節點(dian)，比🔆較壓力(li)變化幅度(dù)及峰值的(de)變化。由上(shang)述實驗知(zhi)模型九優(yōu)化效果最(zuì)好，所以選(xuan)用模型九(jiǔ)做爲本💚次(cì)仿真實驗(yàn)的仿真模(mó)型，圖11爲各(ge)個不🔴同節(jiē)點的壓力(li)變化圖，其(qi)中a、b、c、d、e、f、g和h與圖(tu)10上節點一(yī)一對應。
　　由(you)于脈動信(xin)号的拾取(qu)是通過壓(ya)力傳感器(qì)測得，在傳(chuan)感器測🔴量(liang)條件一定(dìng)的情況下(xià)，壓力幅值(zhi)變化越大(da)越容易🚩測(ce)量。由圖11所(suo)得數據可(kě)知，c點和d點(diǎn)的壓力幅(fú)值與💯極值(zhí)大🌈于其他(tā)測量點，有(you)利于壓力(li)傳感器的(de)檢測，綜合(hé)所有實驗(yan)的壓力截(jie)面圖判斷(duan)，确定最🏃🏻優(yōu)的檢測點(dian)在距離喉(hóu)部末端約(yuē)0mm～1mm，且距壁面(miàn)2mm～4mm處。

4結語
1）本(ben)文根據DN25旋(xuan)進旋渦流(liú)量計實物(wu)模型，繪制(zhì)出DN20小型旋(xuán)進旋渦流(liu)量計，借助(zhù)ANSYSFluent對DN20小型旋(xuan)進旋渦流(liu)量計進行(háng)仿👅真實驗(yan)，獲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼得了DN20小(xiao)型流量計(jì)不同結構(gou)的内部流(liú)場及其信(xìn)息，分析了(le)流量計工(gong)作範圍内(nei)旋渦規律(lü)和流量之(zhi)間的關✊系(xì)，綜合分析(xi)後确定其(qí)K值系數。
2）根(gen)據DN20微型旋(xuán)進旋渦流(liu)量計在小(xiǎo)流量工況(kuang)下的壓力(li)變化情🔴況(kuang)♌，優化了其(qí)結構，确定(dìng)起旋角爲(wèi)45°、收縮比🌂爲(wèi)20：15、收縮角爲(wèi)12°時🔴，可有效(xiào)解決DN20微型(xíng)旋進旋渦(wō)流量計對(duì)小流🚶量的(de)測量不精(jing)确的問題(ti)。
3）本文在優(yōu)化模型的(de)基礎上，根(gēn)據同一流(liu)量下的壓(ya)力變化情(qing)況❗，綜合所(suǒ)有實驗，确(què)定了DN20小型(xíng)旋進旋渦(wō)流量計的(de)🏒最優測量(liang)點，爲DN20小型(xíng)流量計開(kai)發提供了(le)🈲理論依♋據(ju)。
4）在上述仿(páng)真研究和(hé)DN20建模的基(ji)礎上，依次(ci)制作了DN20小(xiao)型流🌍量❤️計(ji)3D打印樣機(jī)，通過測試(shì)其實際K系(xì)數在小流(liu)量段基本(ben)接近理論(lùn)🚩值，結果表(biǎo)明本文流(liu)量計的性(xing)能達到了(le)開發預期(qī)。

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