[摘要]采(cai)用計算(suàn)流體力(lì)學(CFD)的方(fang)法對一(yi)口徑爲(wei)80mm的氣體(ti)渦輪流(liu)量計 進(jìn)行工況(kuang)條件的(de)數值模(mo)拟研究(jiū).通過計(jì)算,分析(xi)了流👄量(liàng)計✊在不(bu)同流量(liàng)下,各部(bu)件包括(kuò)前整流(liu)器.前導(dǎo)流器、機(ji)芯❌殼體(tǐ)、葉輪支(zhi)座、葉輪(lún)和後.導(dǎo)流器對(duì)壓力♊損(sun)失的影(ying)響,給出(chu)了各部(bu)件的流(liú)量與🈲壓(yā)力損失(shī)的關系(xi)曲線及(jí)其壓力(lì)損失比(bi)例💘.數值(zhí)模拟⭕結(jie)果與實(shi)♍驗結果(guo)相符♊,進(jin)而從流(liu)道内的(de)壓力分(fèn)布和流(liu)場分析(xi)壓力損(sun)失原因(yīn)并提出(chu)減少壓(ya)力損失(shī)的改進(jìn)思路.
　　在(zai)天然氣(qi)的采集(ji)、處理、儲(chu)存、運輸(shū)和分配(pèi)過程中(zhong),需要數(shù)以百萬(wàn)計的流(liú)量計,它(ta)既是天(tiān)然氣供(gong)需雙方(fāng)貿易結(jié)算👉的依(yi)據,也是(shi)生産部(bù)門用氣(qi)效率的(de)主要技(jì)術指标(biao)，因此🛀對(duì)流量計(jì)測量🏃🏻‍♂️正(zheng)确率🌈和(hé)可靠性(xìng)有要求(qiu).
　　氣體渦(wō)輪流量(liàng)計屬于(yu)速度式(shi)流量計(jì),是應用(yòng)于燃氣(qì)🙇‍♀️貿易計(jì)🍉量的三(sān)大流量(liang)儀表之(zhī)一，由于(yu)具有重(zhòng)複性好(hao)☎️、量程💛範(fàn)圍寬、适(shi)應性強(qiang)、精度高(gāo)、對流量(liang)變化反(fǎn)應靈敏(min)、輸出脈(mo)沖信号(hào)、複現性(xing)好和體(tǐ)積小等(děng)特點，氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)近年來(lai)已在🚶‍♀️石(shi)油、化工(gōng)和天然(rán)氣🔆等領(lǐng)域獲得(de)💜廣泛的(de)應用✊”。
　　随(suí)着渦輪(lún)流量計(ji)在管道(dao)計量領(ling)域的廣(guang)泛使用(yong),天✂️然氣(qì)管道輸(shū)送過程(cheng)中的能(neng)耗成爲(wèi)不容忽(hu)視的問(wen)題，而天(tiān)然氣管(guǎn)道輸送(song)過程中(zhōng)的壓力(lì)損失是(shì)産生🔞能(néng)源消耗(hào)的主要(yào)原因⭐之(zhī)一.爲保(bǎo)證天㊙️然(rán)氣能順(shùn)利輸送(song)至用戶(hù)端,就需(xū)要提高(gāo)各👅壓氣(qì)站的輸(shū)送壓力(lì)并盡量(liàng)減少管(guǎn)道輸送(sòng)過程中(zhōng)的壓力(li)損失,而(er)各級管(guǎn)道上的(de)計量流(liu)量計所(suǒ)造成的(de)壓力損(sun)失占有(yǒu)很大比(bi)重，因📱此(ci),氣體♌渦(wō)輪流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shi)研究對(duì)節🐉能減(jian)排和推(tui)動我國(guo)燃氣計(jì)量儀表(biao)産業的(de)發展🌏具(jù)有較好(hǎo)的推動(dong)作用，
　　目(mù)前，渦輪(lún)流量計(ji)的優化(hua)主要通(tong)過改良(liang)其導流(liu)件、葉輪(lún)，軸承、非(fei)☔磁電信(xin)号檢出(chu)器等部(bù)件的結(jie)構尺寸(cùn)和加💚工(gōng)工藝，來(lai)改善流(liu)量計測(ce)量氣體(ti)、高粘度(dù)流體和(hé)小流量(liàng)時的特(tè)性.孫立(lì)軍[切對(dui)降低渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qì)粘度變(biàn)化敏感(gǎn)度進行(hang)了研究(jiū).SUN等0采🌈用(yòng)了Standardke湍流(liu)✂️模型數(shù)值模拟(nǐ)口徑爲(wèi)15mm的渦輪(lun)流量計(jì)的内部(bu)流動,結(jié)果表明(ming)壓力損(sǔn)失受到(dao)前端和(hé)後端形(xing)狀、導流(liú)體半徑(jing)、導流體(tǐ)的導💋流(liu)片和✌️渦(wo)輪葉片(piàn)厚度的(de)影響.劉(liu)⛱️正🆚先和(hé)徐蓮環(huan)回雖然(rán)對氣體(ti)渦輪流(liu)💃🏻量計的(de)流動進(jìn)行實驗(yan)測量和(he)數值計(ji)算，發🔆現(xian)前導流(liu)器的結(jie)構變化(huà)對後面(miàn)各部件(jian)内的氣(qì)體流動(dong)速度梯(ti)度和壓(ya)力恢複(fu)也有明(ming)顯影響(xiang),使總壓(yā)力損失(shī)進一步(bù)放大或(huo)減小,但(dàn)對流量(liàng)計的其(qí)它部件(jiàn)✊未進行(háng)分析.本(běn)文将對(duì)一種☔型(xíng)号氣體(ti)渦輪流(liu)量計各(gè)部件☀️的(de)壓力損(sun)失與流(liú)量的關(guān)系進行(hang)分析研(yán)究，以提(ti)出其優(yōu)化思路(lù).
1渦輪流(liú)量計的(de)基本結(jie)構及工(gong)作原理(li)
　　本文采(cǎi)用80mm口徑(jing)氣體渦(wō)輪流量(liang)計作爲(wei)研究對(dui)象,對🌈其(qí)進行内(nei)部流道(dao)的壓力(lì)損失數(shù)值模拟(ni).氣體渦(wo)輪流量(liang)計結構(gou)示意圖(tú)👉如圖1.氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)實物如(ru)圖2,其中(zhong)圖2(a)爲渦(wo)輪流量(liang)計實物(wù)圖,圖2(b)爲(wèi)渦輪流(liú)量計機(ji)芯葉輪(lún)實物圖(tú).
 
　　氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計的(de)原理是(shi),氣體流(liu)過流量(liàng)計推動(dòng)渦輪葉(ye)片旋轉(zhuǎn),利用置(zhi)于流體(ti)中的葉(yè)輪的旋(xuán)轉角速(su)度與流(liu)體流速(su)成比例(li)的關系(xi)，通過測(ce)量葉輪(lun)轉🥰速來(lái)得到流(liu)體流速(sù)，進🧡而得(de)到管道(dao)内的流(liu)量值[10].渦(wō)♻️輪流量(liang)計輸出(chū)的脈沖(chòng)頻率S與(yǔ)所測體(tǐ)積;流量(liang)qv成正比(bi)，即
 
　　式(2)中(zhong):J一葉輪(lún)的轉動(dòng)慣量;t一(yī)時間;ω一(yi)葉輪的(de)轉速;Tt一(yi)推動力(lì)矩;Trm一機(jī)械摩擦(cā)阻力矩(jǔ);Ttf一流動(dòng)阻力矩(jǔ);Tre一電磁(ci)阻力矩(ju).
2計算模(mó)型
2.1數學(xué)模型
　　設(shè)定渦輪(lún)流量計(ji)數值模(mo)拟的工(gong)作介質(zhi)爲空氣(qi).流動處(chu)于🚶湍流(liu)㊙️流動，數(shù)值模拟(ni)湍流模(mó)型采用(yòng)RealizableK-e模型，該(gai)模型适(shì)用于模(mo)拟計算(suàn)旋轉流(liú)動.強逆(ni)壓梯度(du)的邊界(jiè)層流動(dòng)、流動分(fen)離和二(er)次流等(děng),其模🚶‍♀️型(xing)方程表(biǎo)示爲11]1:

 
2.2流(liu)體區域(yù)網格劃(huà)分
　　使用(yòng)Solidworks三維設(shè)計軟件(jian)依照實(shi)物尺寸(cun)對渦輪(lún)流量計(jì)各🌍部件(jiàn)進行建(jian)模及組(zu)裝，簡化(huà)主軸、取(qu)壓孔和(hé)加油孔(kǒng)等對流(liú)體區👉城(cheng)影😍響較(jiào)小的部(bu)分，
　　先對(dui)機芯部(bù)分做布(bu)爾運算(suàn)得到純(chun)流體區(qu)域，然後(hòu)對葉輪(lun)外⭐加包(bao)絡體形(xing)成旋轉(zhuǎn)區域，在(zai)機芯進(jin)出口前(qián)後🌏均加(jiā)上15倍機(jī)芯口徑(jìng)的直管(guan)段，以保(bao)證進出(chu)口流動(dòng)爲充分(fèn)發♌展湍(tuān)流.
　　全部(bù)流體區(qu)域包括(kuo)前後直(zhi)管段、葉(ye)輪包絡(luo)體以及(ji)💃機芯部(bù)分的流(liú)體區域(yù).用Gambit軟件(jiàn)對三維(wéi)模型進(jin)行網格(ge)劃分，對(dui)流體區(qū)域中的(de)小面和(hé)尖角等(děng)難以生(shēng)成💁網格(gé)的部分(fen)進行優(yōu)化和簡(jian)化處理(lǐ)，流體區(qu)域使用(yong)非結構(gòu)化混合(he)網格，并(bing)對機芯(xīn)流道内(nei)葉輪等(děng)流動🏃‍♀️情(qíng)況較複(fú)雜區域(yu)進行了(le)局部加(jiā)密，如圖(tu)3.其中圖(tú)3(a)爲機芯(xin)流體區(qu)域🏃‍♂️網格(ge)圖，圖3(b)爲(wèi)葉輪網(wang)格圖,整(zheng)體網格(gé)總數量(liàng)約230萬.
 
2.3數(shu)值模拟(ni)仿真條(tiao)件設置(zhì)
　　數值計(ji)算時，爲(wei)方便模(mo)拟結果(guǒ)與實驗(yàn)結果的(de)對比,環(huán)❤️境溫度(dù)✊、濕🍓度和(he)壓力設(she)置與實(shí)驗工況(kuang)相同,流(liu)體介質(zhi)選擇空(kōng)氣,空氣(qì)的密度(dù)ρ和動力(lì)粘度”根(gen)據Rasmussen提出(chu)的計算(suan)規程拟(ni)📐合推導(dǎo)🈲出的簡(jiǎn)💔化公式(shi)(5)和(6)計算(suan)獲得：
 
　　模(mo)型選擇(zé)Realizablek-e湍流模(mó)型，壓力(lì)插值選(xuan)擇Bodyforceweighted格式(shi),湍流動(dong)能、湍🎯流(liú)耗散項(xiang)📐和動量(liàng)方程均(jun)采用二(èr)階迎風(feng)格式離(lí)☀️散，壓力(li)與速度(du)的耦合(hé)采用SIMPLEC算(suàn)法求解(jie)，其餘設(shè)置均采(cǎi)用Fluent默認(ren)值.
　　計算(suan)區域管(guan)道人口(kǒu)采用速(sù)度入口(kǒu)邊界條(tiao)件，速度(du)方📐向垂(chuí)🔞直于人(ren)口直管(guǎn)段截面(mian)，出口邊(biān)界條件(jian)采用⭐壓(ya)力出口(kou).葉輪包(bāo)絡體設(she)置爲動(dong)流動區(qū)域,其餘(yú)爲靜流(liu)動區域(yù)，采用interface邊(biān)界條件(jiàn)作爲分(fen)界🏃🏻‍♂️面，對(dui)于旋轉(zhuǎn)部分和(hé)靜止部(bù)分之間(jian)的耦合(he)🏃‍♀️采用多(duō)重參考(kao)坐标模(mo)型(MRF).葉輪(lún)采用滑(huá)移邊界(jiè)條件且(qie)相對于(yu)附近旋(xuan)轉🧡流體(tǐ)區域速(sù)度爲零(líng).葉輪轉(zhuǎn)速是通(tōng)過使用(yòng)FLUENT軟件中(zhong)的TurboTopol-ogy與TurboReport功(gōng)能☎️，不斷(duàn)調整葉(ye)輪轉速(su)，觀察葉(yè)輪轉速(sù)是否達(dá)到力矩(ju)平衡來(lái)确定的(de)。
3數值模(mó)拟結果(guǒ)分析
　　在(zài)流量計(jì)流量範(fan)圍内選(xuǎn)取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhe)6個流量(liàng)點進行(hang)同工況(kuàng)環境⭐數(shu)㊙️值模拟(ni)，得到氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)的内部(bu)流場和(hé)壓力分(fen)布等數(shù)據.進口(kǒu)橫截面(miàn)取于前(qian)整流器(qì)前10mm處🥰，出(chū)口橫⭐截(jié)面取于(yú)後導流(liú)體後10mm處(chù).計算渦(wō)輪流量(liàng)計進出(chu)口橫截(jie)面上的(de)壓🐇力差(cha)，即得❄️到(dào)流量計(jì)的壓力(lì)損失。
 
　　圖(tu)4爲流量(liàng)與壓力(lì)損失之(zhī)間的關(guān)系曲線(xian),圖中實(shí)驗值是(shi)在🤩工況(kuang)條件下(xia)使用音(yīn)速噴嘴(zuǐ)法氣體(tǐ)流量标(biāo)⛹🏻‍♀️準裝置(zhi)測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼得.
　　根(gēn)據圖4中(zhōng)壓力損(sǔn)失随流(liu)量的變(biàn)化趨勢(shi)，可以将(jiang)流量與(yǔ)壓力🥵損(sun)失之間(jian)的關系(xi)拟合曲(qǔ)線爲二(er)次多項(xiàng)式,其表(biao)達式爲(wei)
 
　　這與流(liu)量計的(de)壓力損(sǔn)失計算(suan)公式(8)趨(qū)勢相符(fu),均爲二(er)次函數(shu)，且數值(zhí)模拟結(jié)果與實(shí)驗結果(guǒ)吻合得(de)較好，說(shuō)😄明渦🈚輪(lun)流量計(jì)的内部(bu)流場數(shu)值模拟(ni)方法及(ji)結果是(shì)💛可行且(qie)🆚可靠的(de).流量計(jì)的壓力(li)📐損失計(ji)算公式(shi)爲。
 
式(8)中(zhong):△P----壓力損(sǔn)失;α壓力(li)損失系(xi)數;υ----管道(dào)平均流(liú)速.
　　以流(liu)量Q=250m³/h的數(shu)值模拟(nǐ)計算結(jie)果爲例(li)進行渦(wo)輪流量(liàng)🚶‍♀️計❌内部(bù)🙇🏻流場及(jí)壓力場(chǎng)的分析(xi).圖5爲渦(wō)輪流量(liang)計軸向(xiang)剖面靜(jìng)♉壓分布(bu)圖.前導(dǎo)流器前(qián)後的壓(yā)力場分(fen)布較均(jun)勻🔞且壓(yā)力梯度(du)較小，在(zài)機👅芯殼(ké)體與葉(yè)輪支座(zuo)連接凸(tū)台處壓(yā)力有所(suǒ)增加,連(lián)接面後(hou)壓✍️力又(yòu)逐漸🚶減(jian)小.故認(ren)爲流體(tǐ)流經葉(yè)輪支座(zuo)産生壓(ya)力損失(shi)的主要(yào)原因是(shi)♈連接處(chu)存在凸(tu)台,導緻(zhì)流場出(chu)現較大(dà)變化，不(bú)能平滑(huá)過渡,建(jian)議🈲将葉(yè)輪支座(zuo)與機芯(xin)殼體的(de)連接改(gǎi)爲圓弧(hú)線型或(huo)流線型(xíng).
　　觀察圖(tu)5和圖6,當(dāng)流體流(liu)經葉輪(lún)從後導(dǎo)流器流(liú)出渦輪(lun)🐉流量計(ji)時,壓力(li)梯度變(bian)化明顯(xian)，存在負(fù)壓區域(yù)并造成(chéng)很大的(de)壓降，在(zài)後導流(liu)器凸台(tai)及流量(liàng)計出口(kou)🈲處速度(du)變化明(ming)☁️顯，由于(yú)氣流通(tong)🌈過後導(dǎo)流器後(hòu)流道💛突(tū)擴,在後(hou)🌈導流器(qì)背面形(xíng)成明顯(xian)的低速(sù)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼渦區，産(chǎn)生♉漩渦(wō)二次流(liú)。
 
　　結合圖(tú)7、圖8流量(liang)計軸向(xiang)剖面和(he)出口橫(héng)截面的(de)總壓🙇‍♀️及(jí)速度分(fèn)🌐布圖,其(qi)速度分(fèn)布與壓(yā)力分布(bù)相似,流(liu)量計流(liú)道内速(su)度分布(bu)較均勻(yun)的區域(yù)其壓力(li)梯度變(biàn)化也較(jiào)小，即流(liú)道内速(sù)度的分(fen)🚶布和變(bian)化與壓(ya)力損失(shi)大小相(xiàng)關.由流(liú)量計軸(zhou)向剖面(mian)和出口(kou)橫截面(mian)的速度(du)及壓力(lì)分布圖(tú)可以💋看(kan)出,流量(liàng)計🔴後導(dao)流器處(chù)産生的(de)漩渦二(èr)次流影(ying)響了出(chū)口橫截(jie)面處的(de)速度及(ji)壓力分(fèn)布,流體(tǐ)呈螺旋(xuán)狀流動(dòng),故出口(kou)處速度(dù)及壓力(li)較大區(qū)域均偏(pian)移向流(liú)體旋轉(zhuǎn)方向。
 
　　流(liu)量計各(ge)部件的(de)壓力損(sǔn)失随流(liu)量變化(hua)的趨勢(shi)與流量(liàng)計❓總壓(ya)力損失(shī)随流量(liàng)的變化(hua)趨勢相(xiàng)同,其拟(nǐ)合公式(shi)爲系數(shù)不同的(de)二次多(duō)項式，各(gè)部件的(de)壓力損(sǔn)失與流(liu)量呈二(er)次函✏️數(shu)關系⁉️，随(sui)着流量(liang)的增加(jia)，壓力損(sun)失顯著(zhe)增加.
 
　　觀(guan)察圖10各(ge)部件壓(yā)力損失(shī)百分比(bǐ)圖，可見(jian)前整流(liú)器🥰、前導(dao)流器和(he)機芯殼(ké)體處的(de)壓力損(sun)失很小(xiao)，葉輪支(zhi)座處💰壓(ya)力㊙️損失(shi)🌈約占總(zong)壓力損(sǔn)失的1/4.前(qián)整流器(qi)所占壓(ya)力損失(shī)比例🌈在(zài)各流量(liàng)點基本(běn)保持不(bú)變,前導(dǎo)流器和(hé)機芯💘殼(ke)體處的(de)壓力損(sǔn)失随流(liú)量的增(zēng)加其比(bǐ)🔞例略有(you)降低,葉(ye)輪支座(zuò)處壓力(lì)損失随(sui)流量的(de)增加🏃🏻‍♂️其(qi)比例略(luè)有增加(jia),但總體(ti)上受流(liu)量影響(xiǎng)不大.葉(ye)輪處的(de)壓力損(sǔn)失随🏃🏻‍♂️流(liu)量從13m³/h增(zeng)加至250m³/h,其(qi)比例從(cong)15.88%降至8.71%,降(jiang)幅明顯(xiǎn).後導流(liú)器處🔞的(de)壓力損(sun)失占總(zǒng)壓力損(sǔn)失的大(da)半,随着(zhe)流量從(cong)13m³/h增加🙇‍♀️至(zhi)250m³/h其壓力(lì)損失比(bi)例由43.77%升(shēng)至55.83%,增幅(fu)明顯.總(zong)之,後⛹🏻‍♀️導(dao)流器、葉(ye)輪支座(zuo)和葉輪(lun)是流體(ti)流經渦(wō)輪流量(liàng)計産生(shēng)壓力損(sǔn)失的主(zhǔ)要影響(xiang)部件,可(kě)通過優(you)化其結(jié)構以降(jiang)低渦輪(lún)流量計(ji)的總壓(yā)力損失(shī).
4結語
　　本(běn)文采用(yòng)Fluent軟件對(duì)一口徑(jing)爲80mm的渦(wō)輪流量(liàng)計内部(bu)進🈚行了(le)數值模(mó)拟計算(suàn),分析内(nei)部流場(chang)、壓力場(chang)及各部(bu)件産生(shēng)的壓力(lì)損失,得(dé)出以下(xia)結論:
1)漩(xuán)渦二次(cì)流是産(chǎn)生能量(liàng)消耗的(de)主要原(yuán)因,故建(jiàn)議對渦(wo)輪🔞流量(liàng)計葉輪(lún)支座及(ji)後導流(liú)器進行(háng)幾.何參(can)數的優(yōu)化,将其(qi)凸台邊(biān)緣改爲(wèi)流線型(xing)以減少(shao)流道❤️突(tū)擴的影(yǐng)響.減少(shao)後導流(liú)器葉片(piàn)厚度并(bìng)增加其(qí)長🏃‍♂️度及(jí)數量以(yǐ)減弱氣(qì)🐇體螺旋(xuán)狀流動(dong),減弱漩(xuan)渦二次(cì)流,達到(dào)降低流(liu)量計壓(ya)力損失(shi)的目的(de)💋.
2)分析各(gè)部件對(dui)壓力損(sun)失的影(ying)響,其壓(ya)力損失(shī)與流量(liang)🛀🏻成二次(cì)函數關(guān)系.後導(dao)流器相(xiang)對于其(qi)他部件(jiàn)是壓力(li)損失的(de)主要因(yīn)素,約占(zhan)總壓力(lì)損失的(de)一半,随(suí)着流量(liàng)📧的增加(jiā)其壓力(li)損失占(zhan)總壓力(li)損失的(de)比例上(shang)升了12.16%.葉(yè)輪支座(zuò)的🌈壓力(li)損失約(yuē)占總壓(yā)力損失(shi)的1/4,其壓(ya)力損失(shi)比例随(sui)流量的(de)增加基(jī)本不變(bian).随着流(liú)量的增(zēng)加葉輪(lun)産生的(de)壓力損(sun)失比例(li)降幅明(míng)顯.
　　通過(guo)數值模(mó)拟分析(xī)得出速(su)度的分(fen)布和變(bian)化與壓(ya)力損💛失(shī)🤟大小💔相(xiàng)關,通過(guo)優化流(liu)量計流(liú)道内的(de)速度分(fen)布📞可降(jiàng)低流量(liàng)計☀️的壓(ya)力損失(shi),後續相(xiàng)關的渦(wō)輪💰流量(liang)計優化(hua)研究可(kě)從📱優化(hua)其流道(dào)内速度(dù)分布人(ren)手.

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