摘要(yào)：爲優化小流量渦(wō)輪流量計 結構,建(jian)立小流量渦輪流(liú)量計的數學模型(xing)和三維模型,通過(guò)其流場特性進行(háng)仿真分析,研究導(dǎo)流架端部的形❄️狀(zhuàng)、葉輪與⚽導流架之(zhī)間凹槽寬度、葉輪(lun)面👅積和形狀對葉(ye)輪穩定旋轉的影(ying)響,并對不同結構(gou)導流架端部的小(xiao)流量渦輪流量計(ji)的流場特性進行(hang)了分析,圓錐形結(jie)構葉🔞輪的高壓低(dī)速區面積最小，能(néng)夠有效☁️減少壓力(lì)損失,提高流量計(jì)的測🛀🏻量精度。
0引言(yán)
　　渦輪流量計 是一(yi)種典型的速度式(shì)流量計,具有精度(dù)高、重複性好、結構(gou)簡單、在石油、化工(gong)、航空航天、電力等(děng)領域有着及其重(zhong)💔要的🌂應用中。爲解(jie)決氣液兩相流量(liàng)計量問題,文獻[2]設(shè)計了一種雙渦輪(lun)質量流量計;文獻(xian)[3]針對傳統渦❓輪流(liu)量計需鋪設電源(yuán)線和信📞号傳輸電(dian)纜,使用不方便的(de)問題,設計了一種(zhong)基于ARM單片機的無(wu)線渦輪流🌂量計;文(wén)獻[4]采用3葉片長螺(luo)旋形結構設🏃🏻‍♂️計了(le)一種🏃新型的渦輪(lun)流量計;文獻[5]研究(jiu)了基于渦輪式氣(qi)體流量傳感器的(de)呼氣容量計算方(fāng)法;文獻[6]研究了渦(wō)輪流量計變粘度(dù)流量計算與校準(zhǔn)方法;文獻[7]研究了(le)一種高壓氣體渦(wō)輪流量計🌈。這些研(yan)究推動了渦輪✉️流(liu)量計研究和應用(yong),随着小流量計量(liang)精度‼️要求的不斷(duàn)提高，小🈲流量渦🚩輪(lún)流量計的流場特(te)性等受到關注。本(běn)文從小流量渦輪(lún)流量計設計需求(qiú)出發,通過建立小(xiǎo)流量渦輪流🚩量計(ji)的數學模🏒型、三維(wéi)模型,仿真分析小(xiǎo)流量渦輪流量計(jì)的流場特性，研究(jiū)其😄優化設計。
1渦輪(lun)流量傳感器工作(zuò)原理
　　渦輪流量計(ji)依靠流經管道的(de)流體對置于管道(dao)内葉輪葉🧡片的沖(chong)擊驅動葉輪轉動(dòng),如圖1所示，其核心(xīn)結構包括殼體、前(qian)後導流架、葉輪、軸(zhou)承和磁鋼。其中殼(ké)體連♍接外部🔴管道(dao),固定内部結構部(bu)件,對進入殼體内(nèi)的流體進行微整(zheng)流;葉輪空心輪毂(gū)内裝磁鋼,兩端裝(zhuang)有軸☁️承,與導流架(jià)📧.配合,保證葉✌️輪穩(wěn)定旋轉,實現流量(liang)大小的計量。
 
2小流量渦(wo)輪流量計數學模(mó)型
　　流體流速流量(liàng)與葉輪角速度成(cheng)比例關系,通過對(duì)渦.輪葉⛹🏻‍♀️片.上力矩(ju)的分析,綜合小流(liú)量渦輪流量計🏃‍♂️的(de)葉輪結構特性及(jí)✌️其制造工藝,依據(ju)動量矩定理得到(dao)葉📐輪運動方程爲(wèi):
 
　　式(1)中,J爲葉輪轉動(dòng)動量;ɷ爲葉輪旋轉(zhuǎn)角速度;Md爲葉輪驅(qu)動力矩,Mr,爲👌葉片表(biǎo)面粘性摩擦阻力(li)矩;Mb爲軸與軸承間(jian)的粘性摩擦阻力(lì)矩;Mh爲輪毂周面上(shàng)粘性摩擦阻力矩(jǔ);Mw爲輪毂端面上的(de)粘性摩擦阻力矩(jǔ);Mt爲葉片頂端與殼(ké)♋體間隙的粘性摩(mó)擦阻力矩;Mm爲電磁(ci)阻力矩和軸承上(shàng)👄摩擦阻力矩之和(hé)。
式(1)中:
 
　　式(3)中ρ爲流體(tǐ)密度;Q爲流體體積(ji)流量;u1爲流體的軸(zhou)向來㊙️流速度;u2爲流(liú)體流出時葉片速(su)度;a1爲流體流人時(shi)與葉輪圓周方向(xiàng)的夾角;a2爲流體流(liu)出葉片與葉輪圓(yuán)周切向的夾角;如(ru)圖2葉片入👣口和出(chū)口的速度平面圖(tu)所示。
　　當流量恒定(ding)時,式(3)中ρ、Q、u1、a1爲已知量(liàng),考慮到葉輪葉片(pian)旋轉方向上流體(tǐ)進出口線速度相(xiang)同,記進出口線速(su)度分🤟别設爲Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記(ji)流體與葉輪葉片(piàn)出入口的相對角(jiao)速度♉分别爲👨‍❤️‍👨ɷ1和ɷ2,則(ze)圓周運動方向夾(jiá)♌角β2與葉片與🔅軸線(xiàn)結構夾角θ之間😄有(you)式(4)所示關系:
 
 
　　式(9)中(zhong),ɷh?爲輪毂處角速度(du);βw爲平均相對流速(sù)方向與葉🔅輪軸線(xian)👈間角度;Ah爲葉片部(bu)分輪毂面積,R0爲葉(ye)輪所在殼體内徑(jìng)🈲,Rh爲輪毂半徑
輪毂(gū)周面粘性摩擦阻(zu)力矩Mhf爲:
 
3渦輪流量(liang)計三維流場仿真(zhen)與優化設計
3.1葉輪(lún)三維模型建立
　　基(jī)于上述分析可見(jian)，葉輪的運動特性(xìng)主要受其結構參(can)數、流㊙️體粘性系數(shù)等影響。爲分析小(xiao)流量渦輪結構的(de)流場特性,設計參(can)數如表1所示葉輪(lún)系統,借助UG軟件建(jian)立其三維仿真模(mó)型;将該三維模型(xíng)導入ANSYSWork-bench軟件中仿真(zhēn)。
 
　　考慮到葉輪的運(yùn)動性能是流量計(jì)量的核心,仿真中(zhong)采用小📱四面體網(wang)格。小尺寸窄表面(mian)采用局部網格,渦(wō)輪旋🤩轉區劃分的(de)網格數約爲230萬,整(zhěng)個模型劃分的網(wang)格總數爲353萬。
3.2葉輪(lún)流場特性分析
3.2.1葉(yè)輪速度場分析
　　分(fen)别取流量爲5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉(ye)輪流場仿真分析(xī),獲得上述流量下(xia)葉輪後導流架後(hou)端速度矢量圖(圖(tú)3(a),(b),(c)所示),可見流體與(yǔ)前導流架前端碰(pèng)撞産生低速區，靜(jing)壓力變大,且随🔴流(liu)量增大而變🌈大,壓(ya)力損失明♊顯;流體(tǐ)進入🌈前導流架👌後(hou),流速加快,雷諾數(shù)增加,湍流強度變(bian)大。流體進入葉輪(lun)前，先流經☂️葉輪與(yǔ)前後導流架連接(jie)的槽,由于槽内流(liu)速低,此時流量的(de)速度分布不均,且(qiě)有強渦流産生。回(hui)流導🈲葉尾端速🐕度(du)矢量圖如圖🤞3(d)所❓示(shi),流體在後導流架(jià)後端出現長尾🐆流(liu)🌈,尾流長度随流量(liàng)增大而減小。
 
 
3.2.2壓力(li)場分析
　　分析上述(shu)三個不同流量時(shi)流道内壓力場,發(fa)現随着流量增加(jiā),葉輪、導流架上遊(yóu)面形成的靜壓變(bian)高,葉片上遊🌐面和(he)葉片下遊面的壓(yā)力随着流量的增(zeng)加而減小(如圖4所(suo)示),可☂️見,導流架端(duān)部的形狀、葉輪與(yǔ)導流架之間凹槽(cao)寬度、葉輪面積和(he)形🥰狀對葉輪✨穩定(dìng)旋轉均有明顯影(ying)響。
3.3結構優化設計(ji)
3.3.1導流架頭部結構(gòu)設計
　　基于上述CFD仿(páng)真分析結果,爲有(you)效減小葉輪壓力(lì).損失,将原導🐇流架(jià)頭部的球形分别(bie)設計橢球型和圓(yuán)錐形,改進後的導(dǎo)流架頭部尺寸如(ru)圖5所示。
 
3.3.2結構優化(hua)後葉輪三維流場(chang)特性
　　基于上述結(jie)構,仿真流量爲Q=5.2184L/min和(hé)Q=16.6981L/min時，不同導流架結(jié)構下葉輪速度場(chǎng),由.圖6可見,圓錐形(xing)結構葉輪的高壓(ya)低速區面積最🌈小(xiǎo),其次是橢圓形體(ti),球形結構葉輪的(de)高壓低速區面積(jī)最❗大,圓錐形結構(gou)能夠有效減少壓(ya)力損失,提高流量(liang)計的測量精度。在(zài)🌈前導流架💜環狀流(liu)動路徑中，圓錐形(xing)流體的速度分布(bu)最均勻的，橢圓體(tǐ)結☀️構次之,球形結(jie)構最差,圓錐結構(gou)具有較好的整流(liu)效果。
流量爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shi),改進後導流架頭(tóu)部形狀後端形成(cheng)的尾流如圖7所示(shi)。圓錐形結構尾流(liú)面積最小,橢球形(xíng)較小✨，球形結構📐尾(wěi)流面積最大,三種(zhong)形狀的尾流中♌均(jun1)有渦🏃‍♂️流出現🔞,圓錐(zhuī)形産生渦流最小(xiao),壓力損失最小。
4結(jie)論
　　本文從小流量(liàng)渦輪流量計設計(ji)需求出發,通過建(jiàn)♉立小流量渦輪流(liu)量計的數學模型(xíng)、三維模型,基于小(xiǎo)流量渦輪流量計(ji)🐆的流場特性,優化(hua)改進了其導流架(jia)結構,所得結論如(ru)下:
(1)由于流體對前(qián)導流架沖擊,會導(dao)緻葉輪靜壓力變(bian)♋.大,流道面積變小(xiǎo),流速增大,經前導(dǎo)流架進人葉輪旋(xuan)轉區後随葉👅輪旋(xuan)轉形🐅成旋流。
(2) 随着(zhe)流量增加,葉輪、導(dǎo)流架上遊面形成(cheng)的靜壓變高,葉片(pian)上遊💁面和葉片下(xià)遊面的壓力随着(zhe)流量的增加.而減(jian)小。
(3)圓錐形結構葉(ye)輪的高壓低速區(qū)面積最小，能夠有(yǒu)效減少🔴壓⭐力損失(shi),提高流量計的測(cè)量精度。此外,在🏃‍♀️前(qian)導流架環狀流動(dong)路徑💰中,圓錐形流(liu)體的速度分✂️布最(zuì)均勻的，較橢圓體(ti)🈚球形導流架結構(gòu),圓錐結構具有最(zui)好的整流效⭕果。

本(běn)文來源于網絡,如(rú)有侵權聯系即删(shan)除！