摘要(yao):利用數值計算(suan)方法研究了不(bú)同安裝條件對(dui)渦輪流量計 性(xìng)能的影響。計算(suan)結果分析表明(míng),安裝于流量計(jì)前的單彎頭、雙(shuāng)彎頭以及閥門(men)等管道配件都(dou)會造成流體速(sù)度趨于扁平😄分(fen)布和不對稱分(fèn)布以及産生漩(xuán)渦流,都是影響(xiǎng)流量計計量精(jing)度的主要原因(yin)。合理布置彎頭(tou)和閥門開度的(de)方向,使流體通(tōng)過兩者時産生(sheng)的漩渦流旋轉(zhuan)方🔆向相反,則有(yǒu)利于降低流量(liang)計進口前漩渦(wō)流的強度,減少(shao)對流量計測量(liang)精度的影響。渦(wō)輪流量計的前(qian)導流件能有效(xiao)消除流體速度(du)中的漩渦流🈲分(fèn)量,但在校正速(sù)度分布的不對(dui)稱性和♊扁平性(xìng)方面🔞效果并不(bu)顯著。
1引言
渦輪(lún)流量計的測量(liàng)精度易受到流(liu)量計前管線安(an)裝條件的影響(xiǎng)。一般管線系統(tong)中的各種管配(pèi)件,包括閥門、彎(wan)頭、變徑管👣等所(suǒ)産生的流體幹(gan)擾都會引起流(liu)體💞速度分布發(fā)生畸變,産生漩(xuan)渦💰流和非對稱(chēng)流等，影響了渦(wō)輪流量計的測(cè)量精度。安裝條(tiáo)件對渦輪流量(liàng)計性能的影響(xiǎng)早就引起各♋國(guó)學者的廣泛關(guān)注,并對此問題(ti)進行了較爲系(xì)統的實驗研究(jiū)。先後利用⁉️實驗(yan)研究了渦輪流(liu)量計進口前裝(zhuang)有90°彎頭、不在同(tong)一平面内的雙(shuang)彎頭、IS09951推薦的能(neng)夠産生高和低(dī)流體幹擾的管(guǎn)線🔞結構以及閥(fa)門]等對渦輪流(liu)量計測量精度(du)的影響。
近幾年(nian)數值計算方法(fa)逐漸應用于渦(wō)輪流量計的研(yán)究中(8-12],與實驗方(fang)法相比,數值計(jì)算方法具有成(cheng)本低、更🏃‍♂️能提供(gòng)詳細的三維流(liu)場以及能掌握(wò)管線結構引起(qǐ)的各種流體幹(gàn)🔅擾的衰減規律(lǜ)等優點。數值計(ji)算方法的有效(xiào)性也逐漸得到(dao)了驗證E[8.12].但是迄(qì)今爲止仍未見(jian)文獻報道利用(yòng)數值計算手段(duàn)研究安裝條件(jiàn)對渦❄️輪🏃‍♀️流量計(jì)性能的影響。
另(lìng)一方面,機動油(yóu)料裝備逐漸向(xiang)小型化發展,選(xuan)用計量裝置時(shi)通常考慮選用(yong)測量精度高、質(zhì)量輕的流量🥰計(jì)，如渦輪流量計(jì)。然而渦輪流量(liàng)計對前後直⛱️管(guǎn)段的要求限制(zhì)了其在機動💁油(yóu)料裝備上的使(shǐ)用。爲此,本文利(li)用數值計算手(shou)段就流量計進(jìn)口前裝✨有90°彎頭(tóu)、不在同-平面内(nèi)的雙彎頭以及(ji)雙彎頭之間有(yǒu)一個半圓形擋(dǎng)闆三種安裝🏃條(tiáo)件對流量計内(nèi)部流場以及♋測(cè)量精⭐度的影🌈響(xiang)進行研究,爲渦(wo)輪流量計在機(jī)動油料裝備♍上(shang)的應用提供指(zhǐ)導。.
2流體速度分(fèn)布的特征參數(shu)
流體幹擾影響(xiǎng)渦輪流量計測(ce)量精度的速度(du)畸變⛱️主👅要體現(xiàn)在💜三個方面:速(su)度分布的扁平(píng)性、漩渦流和速(sù)🌍度分⭐布的非對(duì)稱性🐇。爲了能定(ding)量描述流體幹(gan)擾引起的速度(dù)☀️畸變,Mickan定✂️義了軸(zhou)向動量數K。、漩流(liu)數K,和非對稱數(shu)K,三個特征參數(shù)5)。本文引人這三(san)個參數,以便于(yu)後面的分析。
軸(zhóu)向動量數K。用于(yu)衡量流體軸向(xiàng)動量通量的轉(zhuǎn)動力⁉️矩的大小(xiao),其計算式爲:
 
式(shì)中:u爲軸向流速(su),um爲平均流速,r爲(wei)徑向坐标，ρ爲流(liu)體密度,R爲管線(xiàn)🚩半徑,A爲管線的(de)橫截面積。對于(yú)充分發展流☎️,Ku爲(wei)定🐅值,約✏️爲0.62,而⭕我(wǒ)們所關心的是(shì)充分發展流與(yu)幹擾🚶‍♀️流之間的(de)差别📧，故常用🤞反(fan)映兩✉️者差别的(de)參量△Ku(其值等于(yú)Ku-Ku0),它對渦輪流量(liàng)計的測量精度(dù)具有較✊大的影(ying)響。.
漩流數Kv用于(yú)衡量軸向漩渦(wo)的強度。由于渦(wō)輪流量計的轉(zhuǎn)速易受漩渦流(liu)的影響,因此Kv的(de)大小對其有重(zhong)要的影響。其計(ji)算式爲:
 
式中:v爲(wei)切向流速。
非對(dui)稱數KA用于衡量(liàng)速度分布對稱(chēng)性的程度,用管(guan)💘線橫截面上流(liú)體質心與對稱(chēng)軸之間的距離(li)來表示,其計算(suan)式爲:
 
式中:y、z分别(bié)爲管線橫截面(miàn)上的直角坐标(biāo),m爲質量流量。
3數(shù)值計算模型
3.1基(ji)本方程組
描述(shu)渦輪流量計内(nei)部流場的基本(běn)方程組爲連續(xu)💯性方程、N-S運♋動😄方(fāng)程和紊流模型(xing)。目前還沒有普(pu)遍适用的紊流(liu)模型,本文選用(yòng)較常用的标準(zhǔn)k-ε雙方程模型。模(mo)型方程中相關(guān)系數取值分别(bié)爲:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。
3.2網格劃分和(he)邊界條件
在數(shu)值計算過程中(zhōng),渦輪流量計的(de)葉輪處于旋轉(zhuǎn)狀态,故葉輪😘部(bù)分的網格劃分(fèn)疏密對計算結(jie)果的正确率具(ju)有重要的影響(xiang),在網格劃分時(shí)對葉輪表🔴面的(de)網格進行了适(shi)當的局部加密(mi)處理。前、後導流(liú)件部分區域采(cǎi)用六面體網格(gé),其他區域采用(yong)四面體網格,葉(yè)輪部分全部采(cǎi)用四面體網格(ge),單流量計計算(suan)區域内網格總(zǒng)數爲97.31萬個,其中(zhōng)葉輪部分的網(wang)格總數爲67.42萬個(ge)。
爲了減少在計(jì)算過程中因計(jì)算域進口與出(chū)口位置對渦輪(lún)流量計内部流(liú)場的影響,本文(wén)計算域的進口(kǒu)與出口适當向(xiàng)外作了延伸，上(shang)遊直管段長度(dù)爲.5D,下遊爲10D。進口(kou)🙇🏻采用圓管紊流(liú)流速分⭐布的1/7律(lü)來确定。凡與流(liú)體相接觸的所(suǒ)有固體界面上(shang)采用無滑移固(gu)體璧面條件,出(chū)口施加定靜壓(ya)。
4數值計算
4.1流量(liang)計前的管線結(jié)構
文中采用的(de)渦輪流量計結(jie)構如圖1所示。流(liú)量計的内👅徑爲(wei)15mmm,葉🌏輪葉片數爲(wei)4片,前、後導流件(jian)采用橢球形端(duan)面。
 
本文(wen)主要分析了Casel~Case5等(děng)5種結構，見圖2。
 
Case1:流(liu)量計前是一長(zhang)爲5D的直管段。
Case2:90°的(de)彎頭，其前有一(yi)5D長的直管段。考(kǎo)慮到機動油料(liao)裝備上流量計(ji)的安裝空間非(fēi)常受限，彎頭與(yu)流量計進口之(zhi)間的距離設爲(wei)1D。
Case3:不在同一平面(miàn)内的雙彎頭,兩(liǎng)彎頭之間有一(yī)長爲0.5D的♻️直管🈲段(duan)🏃🏻,進口管段長度(du)和第二個彎頭(tou)與流量計進口(kǒu)的距離同Case2。
Case4:在Case3的(de)雙彎頭中間位(wei)置上布置了一(yi)個1mm厚的半圓薄(bao)闆，薄闆🔅位于㊙️雙(shuang)彎頭的外側位(wei)置。
Case5:除了半圓薄(báo)闆的位置在雙(shuāng)彎頭的内側外(wài),管線結構同Case4。
研(yan)究Case4和Case5的管線結(jié)構主要目的有(yǒu)兩個:一是研究(jiu)閥門對流量計(jì)測量精度的影(yǐng)響;二是閥門開(kāi)度與彎頭的相(xiang)對方向🐉不同時(shí)對流量計測量(liang)精度的影響。
4.2計(ji)算結果與分析(xī)
計算參數:流體(tǐ)的進口平均速(su)度um爲5m/s,計算介質(zhi)爲20℃的水。
 
圖3示出(chū)了不同條件下(xia)渦輪流量計進(jin)口處在4個方向(xiàng)上的軸向和切(qiē)向流速分布。從(cóng)圖中可以看到(dao),對🔞于Casel這種管線(xian)結構,軸向流速(sù)符合充分發展(zhǎn)流的速💞度分布(bu)🙇‍♀️,切向流速分量(liàng)很小。而且在進(jìn)口橫截面上，根(gēn)據式(1)~(3)計算得到(dao)Ku0等于0.62,Kv和KA分别等(deng)于0,因此可作爲(wei)參🐅考量用于其(qí)它管線結構的(de)分析。本文對所(suo)有計算🌂結果的(de)分析都以此作(zuò)爲參考進行的(de)。
當流量計前裝(zhuang)有90°彎頭時(Case2)，軸向(xiàng)流速在管線對(duì)稱軸💋上附近表(biǎo)現爲最小，然後(hou)向管壁兩側增(zeng)加,呈現了非對(duì)❗稱的🚩馬鞍型分(fen)布,且切向流速(sù)表現出了二次(ci)流現象。
當流量(liàng)計前的管線結(jie)構爲不在同一(yi)平面内的雙彎(wān)頭🔴時🈲(Case3)，軸向流速(su)出現了與Casel相似(si)的非對稱的馬(mǎ)鞍型分布,不🐅過(guo)其不對🔞稱程度(du)要比Casel小，但流速(sù)更呈扁平分布(bu)👄;切向流🌈速同樣(yàng)出現了二次流(liú)現象,其漩渦強(qiáng)度則要比Casel強得(dé)多🔴。
對于兩個彎(wān)頭之間有一半(bàn)圓薄擋闆的兩(liang)種管線結構Case4和(he)Case5,軸向流速的不(bu)對稱分布非常(chang)嚴重。除了在θ=90°這(zhe)個方向上軸♋向(xiang)流速呈馬鞍型(xing)分布外,在其餘(yu)三個方向上幾(jǐ)乎💰是從管璧的(de)一✊.側向另⭕-側單(dān)調遞增的趨勢(shi)。不過,兩種管線(xiàn)結構的切向流(liú)速則表現出了(le)不同的分布趨(qū)勢。當半圓薄闆(pǎn)布置在雙彎頭(tóu)的外側(Case4),流體速(su)度中含有很強(qiáng)的切向流速分(fen)布,其最大值幾(ji)乎達到了✉️平均(jun1)流🌈速的60%。當半圓(yuán)薄闆布置在雙(shuang)彎頭的内側(Case5),切(qiē)向流速分量要(yào)比Case4的小得多,甚(shèn)至小于Case3。
造成這(zhe)種差别主要是(shì)由于對于Case4,流體(tǐ)通過半圓薄闆(pan)後産生的漩渦(wo)方向和通過彎(wān)頭後産生的漩(xuán)渦方向相同，因(yīn)此在流量計進(jin)口前表現出比(bi)Case3更高的切向流(liú)速分量,而Case5的情(qíng)況則反😍之。由于(yu)這個原因,Case4計算(suan)得到的渦輪流(liu)量計儀表系數(shu)與Casel相比,其誤差(chà)偏移爲-1.79%,而CaseS則僅(jǐn)爲-0.23%,見表1。這個❌計(ji)算結果同❌時說(shuo)明了在💃渦輪流(liú)量計☔前合理布(bù)置彎頭和閥i]開(kāi)度之間的相對(dui)方向,有助于降(jiang)🚶低漩渦流的強(qiang)度🙇‍♀️，從而減少對(dui)流量計量性能(néng)的影響🈲。同樣我(wǒ)們研究了🏃🏻流體(tǐ)通過前導流件(jian)後在其輪毂末(mo)端處軸向流速(su)和切向🙇‍♀️流速的(de)分布情況,見圖(tú)🎯4。
 
從圖4中可以看(kàn)到,受導流件輪(lun)毂的影響，流道(dao)面積減少,軸向(xiàng)流速增加;在θ=90°和(he)θ=0°兩個方向上正(zhèng)對導流件葉片(piàn)👣,受其☁️尾流的影(yǐng)響,軸向流速明(ming)顯要比其它兩(liang)個方向上的軸(zhóu)⛷️向流速低。從圖(tu)👨‍❤️‍👨中同時可以看(kàn)到,流體經過前(qián)導流件的🈚導流(liú)作用後,切向流(liu)速顯著減小,在(zai)θ=90°和θ=0°兩個方向上(shang)漩渦角的大小(xiao)基本上能滿足(zú)㊙️ISO9951規定的小于2°的(de)标準，圖中以虛(xu)線表示,在其它(ta)兩個方向上切(qie)向流速的最大(da)分量也不超過(guò)平均流速的20%;但(dan)是其軸向流速(su)㊙️的不對稱分布(bù)和扁平性并沒(méi)有得到有效的(de)改善,同樣是Case5的(de)✂️軸向流速的不(bu)對稱🔆分布最爲(wèi)顯著。
不同安裝(zhuāng)條件下在渦輪(lun)流量計進口和(he)前導流件📐輪毂(gū)末端兩個橫截(jie)面上Ku、Kv、KA、以及流量(liang)計儀表系數誤(wu)差偏🤟移的計算(suàn)值見表1。
 
從表1中(zhōng)可以看到，造成(chéng)流量計儀表系(xì)數誤差偏移最(zui)💃大的是Case4這種管(guǎn)線結構,達到了(le)-1.79%,這和前述分析(xi)相一緻。表中的(de)結果同時說明(míng)了渦輪流量計(jì)中的前導流件(jian)消除漩渦流的(de)效率非常高,但(dàn)🛀是其在改善速(sù)度分布💃🏻的不對(duì)稱👉性和扁平性(xìng)上的效果并不(bu)顯著。因此,認爲(wei)若将渦輪流🛀量(liàng)計的前導流件(jiàn)結構進行改進(jin),采用孔闆整流(liú)器和翼式整流(liu)器相結♉合的組(zu)合式結構,這樣(yàng)🔞既能有效消除(chu)漩✍️渦流,又能有(you)效改善速度分(fen)布的不對稱性(xìng)和扁平性,必将(jiāng)顯著改善導流(liu)件🧡的整流效果(guǒ),減少渦輪流量(liang)計進口流速分(fèn)布對測量精度(dù)的影響,降低其(qí)安裝要求,使其(qi)更适合用于機(ji)動油料裝備上(shang)的計量裝置。
5結(jie)論
本文利用數(shù)值計算手段研(yan)究了流量計前(qián)安裝有單彎🛀🏻頭(tou)🐆、不在同一平面(miàn)内的雙彎頭以(yǐ)及雙彎頭之間(jiān)有一半圓擋闆(pǎn)等管線結構對(duì)流量計内部流(liu)場和測量精度(dù)的影響,得到了(le)以📐下結論:
(1)由管(guan)線結構引起的(de)流體幹擾造成(chéng)流體速度分布(bu)含有㊙️漩渦流分(fèn)量、軸向速度分(fen)布不對稱性和(hé)扁平🔆性,使流量(liàng)計計量産生誤(wu)差,本文的算例(li)中最大誤💯差達(da)到了-1.79%。
(2)彎頭與閥(fa)廣1開度之間的(de)相對方向影響(xiang)流量計的⚽測量(liang)📱精🌏度,若流體通(tong)過彎頭和閥門(mén)時所産生的漩(xuán)渦流方向😘相同(tóng)🐕，則增加了流量(liàng)計的計量誤差(chà),反之則減少計(ji)量誤差。
(3)流量計(jì)中前導流件能(neng)有效減少漩渦(wō)流強度,但在改(gai)善速度🔞分布的(de)不對稱性以及(jí)扁平性方面的(de)效🈲果并不明顯(xian)。

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