在天然(rán)氣的采(cai)集、處理(li)、儲存、運(yun)輸和分(fen)配過程(cheng)中，需要(yào)數以✊百(bǎi)萬計的(de)流量計(ji)，它既是(shi)天然氣(qì)供需雙(shuāng)方貿易(yì)結算的(de)依據，也(ye)是生産(chǎn)部門用(yòng)氣效率(lü)的主要(yào)🐕技術指(zhi)标，因此(cǐ)對流量(liang)計測量(liàng)準确度(du)㊙️和可靠(kào)性有⭐很(hen)高的要(yào)求。 氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計 屬(shu)于速度(du)式流量(liang)計，是應(ying)用于燃(ran)氣貿易(yi)計量的(de)三大🤩流(liu)量儀表(biao)之一。由(you)于具有(yǒu)重複性(xing)好、量程(cheng)範圍寬(kuān)、适應性(xìng)強、精度(du)高、對流(liú)量變化(huà)反應靈(ling)敏、輸出(chu)脈沖信(xìn)号、複現(xiàn)性好和(he)體積小(xiao)等特點(dian)，氣體渦(wō)輪流量(liàng)計近年(nián)來已在(zai)石油、化(huà)工和天(tiān)然氣等(deng)領域獲(huò)得廣泛(fan)的應用(yòng)。
   随着 渦(wo)輪流量(liàng)計 在管(guǎn)道計量(liàng)領域的(de)廣泛使(shǐ)用，天然(ran)氣管道(dào)輸送過(guò)程中的(de)♉能耗成(cheng)爲不容(róng)忽視的(de)問題，而(er)天然氣(qì)管道輸(shu)送過程(cheng)中的🌐壓(yā)力🌈損失(shī)是産生(sheng)能源消(xiao)耗的主(zhu)要原因(yīn)之一。爲(wei)保💁證天(tian)然氣能(néng)順利輸(shu)送至用(yong)戶端，就(jiu)🐇需要提(ti)高各壓(yā)氣站⛷️的(de)輸送壓(ya)力并盡(jin)量減少(shǎo)管道輸(shu)送過程(cheng)中的壓(ya)力損失(shī)，而各級(jí)管道☁️上(shàng)的計量(liàng)流⭐量計(ji)所造成(chéng)的壓力(li)損失占(zhàn)有很大(dà)比重。因(yin)此，氣體(ti)渦輪流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失🍓研究(jiu)對節能(néng)減排和(hé)推動我(wǒ)㊙️國燃氣(qi)計量儀(yi)表産業(ye)的發展(zhan)具有👉較(jiao)好的推(tui)動🚶‍♀️作用(yong)。
   近年來(lai)，越來越(yue)多的學(xué)者采用(yòng)數值模(mo)拟仿真(zhēn)方法對(dui)渦輪流(liu)量🈚計進(jìn)行研究(jiu)，如XU、LIU、 等學(xue)者均通(tōng)過數值(zhí)計算形(xíng)式模拟(nǐ)流量計(jì)内部流(liú)動，并與(yu)實驗比(bǐ)較驗證(zhèng)了模拟(nǐ)結果的(de)㊙️正确性(xìng)。應用S－A、标(biao)準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标(biao)準k－ω這5種(zhong)湍流模(mo)型對渦(wō)輪流量(liàng)計進行(hang)三維數(shu)值模拟(ni)，并将應(ying)用各湍(tuan)流模型(xing)✊得出的(de)仿真儀(yi)表系數(shu)與實流(liú)标定值(zhi)進行對(dui)比和分(fèn)🌈析，這對(duì)數值模(mo)📞拟計算(suàn)選取湍(tuān)流模型(xing)給出了(le)🔞一定參(cān)考。
   目前(qián)，渦輪流(liu)量計的(de)優化主(zhǔ)要通過(guo)改良其(qi)導流件(jiàn)、葉輪、軸(zhou)☁️承☎️、非磁(ci)電信号(hao)檢出器(qi)等部件(jiàn)的結構(gòu)尺寸和(he)加工工(gong)藝，來改(gai)善流量(liang)☁️計測量(liang)氣體、高(gao)粘度流(liu)體和小(xiao)流量時(shí)的特性(xìng)。對降低(di)渦輪流(liu)量☔傳感(gan)器粘度(du)變化敏(mǐn)感度進(jìn)行了🔴研(yan)究。SUN等采(cǎi)用了Standard　k－ε湍(tuan)流模型(xing)數值模(mó)拟口徑(jìng)爲15mm的渦(wo)輪流量(liang)計的内(nei)部流動(dòng)，結果表(biǎo)明🌐壓力(li)損失受(shou)🔞到前端(duan)和後端(duan)形🐕狀、導(dǎo)流體半(bàn)徑、導流(liú)✏️體的導(dǎo)流片和(he)渦輪葉(ye)片厚度(du)的影響(xiang).雖然對(duì)氣體🤞渦(wō)輪流量(liang)計的流(liú)動進行(hang)實驗測(ce)量和數(shù)值計算(suan)，發現前(qian)導流器(qì)的結構(gòu)變💋化對(duì)後面各(gè)部件内(nei)的🧡氣體(tǐ)流動速(su)度梯度(du)和壓力(lì)恢複也(yě)有明顯(xian)影響，使(shǐ)總壓力(lì)損失進(jìn)一步放(fàng)大或減(jiǎn)💃小，但對(dui)流量計(jì)的其它(tā)部件未(wèi)進行分(fen)析。本文(wén)将對一(yī)種型号(hào)氣體渦(wo)輪流量(liang)計各部(bu)件的壓(yā)力損失(shī)與流量(liang)的🔴關系(xì)進行分(fèn)析研究(jiu)，以提出(chū)其優化(huà)思路。
1 渦(wō)輪流量(liàng)計的基(jī)本結構(gou)及工作(zuo)原理
   本(ben)文采用(yong)80mm口徑氣(qì)體渦輪(lún)流量計(ji)作爲研(yán)究對象(xiàng)，對其進(jin)行内部(bu)⛹🏻‍♀️流道的(de)壓力損(sun)失數值(zhi)模拟。
   氣(qi)體渦輪(lún)流量計(jì)結構示(shì)意圖如(rú)圖1。氣體(ti)渦輪流(liu)量💰計實(shi)物如圖(tu)2，其中圖(tu)2（a）爲渦輪(lun)流量計(ji)實物圖(tú)，圖2（b）爲渦(wo)輪流量(liàng)計💘機芯(xīn)💋葉輪實(shi)物圖。


   氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)的原理(li)是，氣體(ti)流過流(liú)量計推(tui)動🔱渦❓輪(lún)葉👨‍❤️‍👨片旋(xuan)轉，利用(yòng)置于流(liú)體中的(de)葉輪的(de)旋轉角(jiǎo)速度與(yǔ)流體流(liu)速成比(bi)例的關(guan)系，通過(guo)測量葉(ye)輪轉速(sù)來得到(dao)流體流(liú)速，進而(ér)得到管(guǎn)道内的(de)流量值(zhi)。渦輪流(liu)量計✏️輸(shu)出的脈(mo)👈沖頻率(lǜ)f與所測(cè)體積㊙️流(liú)量qv成正(zhèng)💃比，即

式(shì)（1）中：k—流量(liàng)計的儀(yi)表系數(shù)。
根據運(yùn)動定律(lü)可以寫(xie)出葉輪(lun)的運動(dòng)方程爲(wèi)

式（2）中：J—葉(ye)輪的轉(zhuǎn)動慣量(liàng)；t—時間；ω—葉(yè)輪的轉(zhuǎn)速；Tr—推動(dòng)力矩；Trm—機(jī)械🐕摩擦(cā)阻力矩(jǔ)；Trf—流動阻(zǔ)力矩；Tre—電(diàn)磁阻力(lì)矩。
2 計算(suan)模型
2.1 數(shu)學模型(xíng)
   設定渦(wo)輪流量(liang)計數值(zhi)模拟的(de)工作介(jie)質爲空(kōng)氣，流🈲動(dòng)處🈲于湍(tuan)流流動(dòng)，數值模(mo)拟湍流(liu)模型采(cai)用Realizable K－ε模型(xíng)，該模型(xíng)适用于(yu)模拟計(ji)算旋轉(zhuǎn)流動、強(qiang)逆壓梯(tī)度的邊(biān)🏃🏻‍♂️界層流(liú)動、流動(dòng)分離和(hé)二次流(liú)等，其模(mó)型方程(chéng)表示⛱️爲(wei)：
——各向流(liu)速平均(jun1)值；a—聲速(su)；μ—動力粘(zhān)性系數(shu)；υ—運動粘(zhan)性系🏃‍♂️數(shu)；K—湍流動(dong)能♉；ε—湍流(liu)耗散率(lǜ)；βT—膨脹系(xi)數；ωk—角速(sù)度； —時均(jun)轉動速(sù)率張量(liang)；如不考(kao)慮浮力(lì)影響Gb＝0，如(rú)流動不(bú)可壓縮(suo)， ＝0，YM＝0。
2.2 流體區(qū)域網格(gé)劃分
   使(shǐ)用Solidworks三維(wéi)設計軟(ruǎn)件依照(zhào)實物尺(chi)寸對渦(wō)輪流量(liàng)計各部(bu)件進🈲行(hang)建模及(ji)組裝，簡(jian)化主軸(zhou)、取壓孔(kǒng)和加油(you)孔等對(dui)流體區(qū)👣域影響(xiǎng)較小的(de)部分。
   先(xiān)對機芯(xin)部分做(zuo)布爾運(yun)算得到(dào)純流體(ti)區域，然(ran)後對葉(yè)輪💚外加(jia)包絡體(tǐ)形成旋(xuan)轉區域(yù)，在機芯(xīn)進出口(kǒu)前後均(jun)加上15倍(bèi)機芯口(kǒu)徑☎️的直(zhí)管段，以(yi)保證進(jìn)出口流(liu)動爲充(chong)分發展(zhǎn)湍流。
   全(quan)部流體(ti)區域包(bāo)括前後(hòu)直管段(duan)、葉輪包(bao)絡體以(yi)及機芯(xīn)部分的(de)流體區(qū)域。用Gambit軟(ruan)件對三(san)維模型(xíng)進行網(wǎng)格劃分(fèn)，對流體(tǐ)區域㊙️中(zhōng)的小面(miàn)和尖角(jiao)等難以(yǐ)生成網(wǎng)格的部(bu)分進行(hang)優化和(he)簡化處(chù)理，流✂️體(ti)區域使(shi)用🏃🏻非結(jie)構化混(hun)合網格(gé)，并對機(ji)芯流道(dao)内葉輪(lun)等流動(dòng)🌈情況較(jiào)複雜區(qu)域進行(hang)了局部(bu)加密，如(rú)圖3。其中(zhōng)圖3（a）爲機(ji)芯流體(ti)區🥵域⛱️網(wǎng)格圖，圖(tú)3（b）爲葉輪(lun)網格圖(tú)，整體網(wǎng)格總數(shu)量約230萬(wan)。

2.3 數值模(mó)拟仿真(zhen)條件設(she)置
   數值(zhi)計算時(shí)，爲方便(bian)模拟結(jié)果與實(shí)驗結果(guǒ)的對比(bi)，環境💋溫(wen)度、濕度(du)和壓力(lì)設置與(yǔ)實驗工(gong)況相同(tong)，流體介(jiè)質選擇(zé)空氣，空(kong)氣的密(mi)度ρ和動(dòng)力粘度(du)η根據Rasmussen提(ti)出的計(jì)算規程(cheng)拟合推(tui)導出的(de)簡化公(gong)式（5）和（6）計(jì)算獲得(de)：
式（5）（6）中：T—溫(wēn)度；P—壓力(lì)；H—濕度。
   求(qiú)解器采(cǎi)用分離(lí)、隐式、穩(wěn)态計算(suàn)方法，湍(tuān)流模型(xing)選擇Realizable　k－ε湍(tuān)流模型(xíng)，壓力插(cha)值選擇(ze)Body force weighted格式，湍(tuān)流動能(neng)、湍流耗(hào)散項和(he)動量方(fāng)程均采(cǎi)用二階(jie)迎風格(gé)式離散(san)，壓力與(yu)速度的(de)耦合🐕采(cai)用SIMPLEC算法(fǎ)求解，其(qí)餘設置(zhi)均采用(yòng)Fluent默認值(zhí)。
   計算區(qu)域管道(dào)入口采(cǎi)用速度(dù)入口邊(bian)界條件(jiàn)，速度方(fāng)向垂直(zhí)于入口(kǒu)直管段(duan)截面.出(chū)口邊界(jie)條件采(cai)用壓力(li)出口㊙️。葉(yè)輪包絡(luò)🤟體設置(zhi)爲動流(liu)動區域(yù)，其餘爲(wèi)靜流動(dong)區域，采(cǎi)用interface邊界(jie)條件作(zuò)爲分界(jie)面，對于(yu)旋轉部(bù)分和靜(jìng)止部分(fen)之間的(de)耦合🛀🏻采(cǎi)用多重(zhòng)參考坐(zuò)标模型(xing)（MRF）。葉輪采(cǎi)用滑移(yi)邊界條(tiáo)件且相(xiang)對于附(fù)近旋轉(zhuǎn)流體區(qu)域速度(du)✉️爲零。葉(yè)輪轉速(su)是通過(guò)使用FLUENT軟(ruan)件中🔴的(de)TurboTopol－ogy與Turbo　Report功能(néng)，不斷調(diao)整葉輪(lun)😄轉速，觀(guan)察葉輪(lún)轉速是(shì)否💘達到(dao)力矩平(píng)衡來确(que)定的。
3 數(shù)值模拟(nǐ)結果分(fen)析
   在流(liu)量計流(liú)量範圍(wei)内選取(qu)了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個(ge)流量點(dian)進行同(tong)工況環(huán)境數值(zhí)模拟，得(dé)到氣體(ti)渦輪流(liu)量計的(de)内部流(liu)場❌和壓(ya)力分布(bu)等數據(jù)。進口橫(héng)截面取(qu)于前整(zhěng)流器前(qian)10mm處，出口(kǒu)橫截面(miàn)取于後(hòu)導流體(tǐ)後10mm處。計(ji)算渦輪(lún)流量計(jì)進出口(kǒu)橫截面(miàn)上的壓(yā)🌏力差，即(ji)得到流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失。
圖4爲(wei)流量與(yu)壓力損(sun)失之間(jian)的關系(xi)曲線，圖(tu)中實驗(yan)📧值是🈲在(zài)工💚況條(tiáo)件下使(shǐ)用音速(su)噴嘴法(fa)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置測(cè)得。

   根據(ju)圖4中壓(yā)力損失(shī)随流量(liang)的變化(huà)趨勢，可(ke)以将流(liu)量與壓(ya)力損失(shi)之間的(de)關系拟(ni)合曲線(xiàn)爲二次(ci)多項式(shì)，其♍表達(da)式爲

   這(zhè)與流量(liàng)計的壓(ya)力損失(shī)計算公(gong)式（8）趨勢(shì)相符，均(jun)爲二🏒次(ci)函✍️數🔞，且(qiě)♋數值模(mó)拟結果(guǒ)與實驗(yàn)結果吻(wen)合得較(jiào)好，說💃🏻明(míng)渦輪流(liú)量計的(de)内部流(liu)場數值(zhí)模拟方(fāng)法及🌈結(jie)果是可(ke)行且🍉可(kě)靠的。流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失計算(suan)公式爲(wei)

式（8）中：ΔP—壓(yā)力損失(shi)；α—壓力損(sǔn)失系數(shù)；υ—管道平(píng)均流速(sù)。
   以流量(liang)Q＝250m3/h的數值(zhí)模拟計(ji)算結果(guǒ)爲例進(jìn)行渦輪(lun)流量計(ji)内部流(liú)場❌及壓(ya)力場的(de)分析.圖(tu)5爲渦輪(lún)流量計(ji)軸向剖(pou)💞面靜壓(ya)分布圖(tu).前導流(liú)器前後(hòu)的壓力(li)場分布(bù)較均勻(yun)且壓力(li)梯度較(jiao)小，在機(jī)芯殼體(ti)與葉輪(lun)支座連(lián)接凸台(tái)✂️處壓力(li)有所增(zēng)加，連🥰接(jiē)面後壓(ya)力又逐(zhu)漸減小(xiao).故認爲(wèi)流體流(liú)經葉輪(lún)支座産(chǎn)生壓力(li)損失的(de)主要原(yuan)因是連(lian)接處存(cún)在凸台(tái)，導緻流(liú)場出現(xian)較大變(bian)化，不能(neng)平滑過(guo)渡，建議(yì)将葉輪(lún)支座與(yu)機芯殼(ké)體的🔴連(lian)接改爲(wèi)圓弧線(xian)型或流(liu)線型。
   觀(guan)察圖5和(hé)圖6，當流(liu)體流經(jīng)葉輪從(cóng)後導流(liu)器流出(chu)渦😄輪流(liú)量計時(shí)，壓力梯(tī)度變化(hua)明顯，存(cun)在負壓(ya)區域并(bìng)造成很(hen)大的壓(yā)降，在🐇後(hòu)導流器(qi)凸台及(ji)流量計(ji)出口處(chu)速度變(biàn)化明🔱顯(xian)，由于氣(qi)流通過(guò)後導流(liu)器後流(liu)道突擴(kuò)，在後導(dao)流器背(bei)面形成(chéng)明顯的(de)低速渦(wo)區，産生(shēng)了漩渦(wō)二次流(liú)。

   結合圖(tú)7、圖8流量(liang)計軸向(xiàng)剖面和(hé)出口橫(heng)截面的(de)總壓及(ji)🌍速度分(fen)布圖，其(qí)速度分(fen)布與壓(ya)力分布(bù)相似，流(liu)量⭐計流(liu)道内速(sù)度分布(bu)較均勻(yun)的區域(yu)其壓力(li)梯度變(biàn)化也較(jiao)小，即流(liú)道内速(su)度的分(fèn)布和變(biàn)化與壓(ya)力損失(shi)大小相(xiang)關。由流(liu)量計軸(zhóu)向剖❗面(miàn)和出口(kǒu)橫截面(miàn)的速度(dù)及壓力(lì)分布圖(tu)可以看(kan)出，流量(liang)計🔱後導(dao)流器處(chù)産生的(de)漩渦⭐二(er)次流影(ying)響了出(chu)口橫截(jie)面處的(de)速度及(jí)壓力分(fèn)布


   流量(liang)計各部(bu)件的壓(ya)力損失(shi)随流量(liang)變化的(de)趨勢與(yu)流量計(jì)總壓力(lì)損失随(suí)流量的(de)變化趨(qu)勢相同(tong)，其拟合(hé)公式爲(wèi)系數不(bú)同的二(èr)次多項(xiang)式。各部(bù)件的壓(yā)力損失(shi)與流量(liang)呈二次(ci)函數關(guān)系🈲，随着(zhe)流量的(de)增加，壓(yā)🤞力損失(shi)顯著增(zeng)加。

   觀察(cha)圖10各部(bù)件壓力(li)損失百(bai)分比圖(tú)，可見前(qian)整流器(qì)、前導流(liu)㊙️器和機(jī)芯殼體(ti)處的壓(yā)力損失(shī)很小，葉(ye)輪支座(zuo)處🔞壓力(li)損失約(yuē)占總壓(ya)㊙️力損失(shi)的1/4。前整(zheng)流器所(suo)占壓力(lì)損失比(bǐ)例在各(ge)流量點(diǎn)基本保(bao)持💃🏻不變(bian)，前導流(liu)器和機(jī)芯殼體(tǐ)處的壓(yā)力損失(shi)随流量(liàng)的增加(jia)其比例(li)略有降(jiàng)低，葉輪(lún)支座處(chu)壓力損(sǔn)失随流(liu)量的增(zēng)加其比(bi)例略有(you)增加，但(dàn)總體上(shàng)受流量(liang)影響不(bú)大。葉輪(lun)處的壓(yā)力損失(shi)随流量(liang)從✏️13m3/h增加(jia)至250m3/h，其比(bi)例從15.88%降(jiang)至8.71%，降幅(fú)明顯.後(hòu)導流器(qì)處⁉️的壓(yā)力損失(shi)占總壓(yā)力損失(shi)的大半(bàn)，随着流(liú)量從13m3/h增(zeng)加💃至250m3/h其(qí)壓力損(sun)失比例(li)由43.77%升至(zhì)55.83%，增幅明(ming)顯。總之(zhī)，後導流(liu)器、葉輪(lún)支座和(he)葉輪是(shì)流體流(liu)經渦輪(lun)流量計(jì)産生壓(ya)💃力損失(shī)的主要(yao)影響部(bù)件，可通(tōng)過優化(huà)其結構(gou)以降🚶‍♀️低(di)渦輪流(liú)量計的(de)總壓力(li)損失。

4 結(jie)語
   本文(wen)采用Fluent軟(ruǎn)件對一(yi)口徑爲(wèi)80mm的渦輪(lun)流量計(jì)内部進(jìn)行了🔴數(shù)值模🐉拟(nǐ)計算，分(fen)析内部(bu)流場、壓(yā)力場及(ji)各部🚶‍♀️件(jian)産生的(de)壓力損(sun)失☂️，得出(chū)以下結(jié)論：
1）漩渦(wo)二次流(liu)是産生(shēng)能量消(xiāo)耗的主(zhu)要原因(yin)，故建議(yi)對渦輪(lun)流量計(ji)葉輪支(zhī)座及後(hòu)導流器(qì)進行幾(jǐ)何參數(shù)的優化(huà)，将其凸(tū)台✊邊緣(yuan)改爲流(liu)線型以(yi)減少。流(liu)道⁉️突擴(kuò)的影響(xiǎng)，減少後(hòu)導⭐流器(qi)葉🈲片厚(hou)度并增(zēng)加其長(zhang)度及數(shù)量以減(jiǎn)弱氣🐅體(ti)螺旋狀(zhuang)流動，減(jiǎn)弱漩渦(wo)二次♍流(liu)，達到降(jiàng)低流量(liang)計壓力(lì)損失的(de)目的。
2）分(fèn)析各部(bu)件對壓(ya)力損失(shī)的影響(xiǎng)，其壓力(li)損失與(yǔ)流量成(chéng)二次函(hán)數關系(xì)。後導流(liú)器相對(duì)于其他(tā)部件是(shi)壓力損(sun)失的主(zhǔ)要因素(su)，約🆚占總(zong)壓力損(sun)失的一(yī)半，随着(zhe)流量的(de)增加其(qí)壓力損(sun)失占總(zong)壓力🔱損(sun)失的比(bi)例上升(sheng)了12.16%。葉輪(lún)支座的(de)壓力損(sun)失約占(zhàn)總壓🙇‍♀️力(li)損失的(de)1/4，其壓力(li)損失比(bǐ)例随流(liu)量的增(zēng)加基本(běn)不變。随(sui)着流量(liàng)的增加(jia)葉✂️輪産(chan)生的壓(yā)力損失(shi)比例降(jiang)幅明顯(xiǎn)。
通過數(shù)值模拟(nǐ)分析得(de)出速度(du)的分布(bù)和變化(hua)與壓力(li)損失大(dà)小💯相關(guān)，通過優(you)化流量(liàng)計流道(dao)内的速(su)度分布(bù)💁可降低(di)流量計(ji)的壓力(li)損失，後(hòu)續相關(guān)的渦輪(lun)流量計(ji)優化研(yán)究可從(cong)優化其(qi)流道内(nèi)速度分(fen)布入手(shǒu)。

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