1 引 言
　　氣(qi)體渦輪流量計 是(shi)一種速度式流量(liang)計，具有重複性好(hao)、量程範圍寬、适💋應(ying)性強✨、輸♊出脈沖信(xin)号等特點，近年來(lai)已在石油、化工和(he)天然氣等領域獲(huò)得了廣泛應用。流(liu)量計的性能對🐉工(gong)業發展有着關鍵(jian)的💯作用，因此，通過(guò)優化流量計結構(gòu)來提高其計量性(xing)能，一直是✌️流量測(cè)量領域的研究熱(re)點問題。
　　通過優化(hua)渦輪流量計的表(biao)體結構，擴大了流(liú)量計的測☎️量範圍(wéi)。Svedin［3］研制了靜态葉輪(lun)渦輪流量計，降低(di)了流量計的壓損(sun)。葉輪的多參數定(ding)量優化方法，針對(duì) 15 mm口徑的傳感器确(què)定了一組能夠實(shí)現黏度不敏感的(de)幾何參數。郭素娜(na)等［5］研究了葉輪參(can)數對渦輪傳⛱️感器(qì)性能的影響，确定(dìng)了葉片切角參數(shù)爲 0． 25 時傳感🏃🏻‍♂️器性能(néng)佳。
前人的工作主(zhǔ)要集中在對葉輪(lún)部分的優化，對其(qi)它結構㊙️的研究相(xiang)對較少。前導流器(qi)作爲渦輪流量計(jì)的主要🧑🏽‍🤝‍🧑🏻組件之一(yī)，具有整形流場、壓(ya)縮流體、導向流動(dòng)、創造充分發展的(de)速度分布的作用(yong)。整流效果直接影(yǐng)響流量計的品質(zhi)優劣。因此，前導流(liú)器的結構優化對(duì)于👈提高渦輪流量(liang)計性能具有重要(yao)意義。
　　CFD 數值模拟已(yǐ)經成爲預測傳感(gan)器性能［6-7］、研究渦輪(lun)流量計📐内部流場(chǎng)信息［8-9］的有效方法(fǎ)。本研究以氣體渦(wo)輪流量計前流器(qì)爲優化對象，通過(guò)Fluent 軟件對不同前導(dǎo)流器結構的渦輪(lun)流量計内部流場(chǎng)進行仿真分析，引(yǐn)入了♍流場均勻👉性(xing)指數來評價前導(dǎo)流器的整🤞流效果(guǒ)，給出了針對前導(dǎo)流器部件的優化(huà)建議，并且通過實(shi)驗驗證了優化方(fāng)案✨。
2 渦輪流量計簡(jian)介及優化評價指(zhǐ)标
2．1 結構及特征參(cān)數
　　氣體渦輪流量(liang)計的主要組件包(bao)括前導流器、葉輪(lun)㊙️、後導流件等，其結(jie)構簡圖如圖 1 所示(shì)。

　　前導(dao)流器的主要特征(zhēng)參數有: 導流器直(zhí)徑、導流體✨長度、導(dao)流器葉片數目、導(dao)流葉片長度。
2.2 工作(zuò)原理
　　氣體渦輪流(liu)量計的工作原理(lǐ): 氣體流過流量計(ji)推動渦輪葉片旋(xuan)轉，葉片轉速與流(liu)體流速成正比，通(tōng)過測量轉速來得(dé)到流速，進而得到(dao)管道内的流量⭕值(zhí)。待測體積流量 qv與(yu)輸出脈沖🥰頻率 f 的(de)關系式爲:

式中: K 指(zhǐ)流量計的儀表系(xi)數。
根據運動定律(lǜ)建立渦輪的運動(dong)方程爲

　　式中: J 爲渦(wō)輪的轉動慣量; ω 爲(wèi)渦輪的旋轉角速(su)度，t 爲時間🔱，Tr爲氣流(liú)對葉片的推動力(li)矩，Trm爲機械摩擦力(li)矩，Trf爲流動阻力矩(jǔ)，Tre爲電♉磁阻力矩。
2.3 優(yōu)化評價指标
　　本文(wén)選取數值模拟過(guo)程中的定性指标(biāo)和實驗測得的定(dìng)量指标作爲優化(hua)評價指标，從仿真(zhēn)與實驗兩方面綜(zōng)☔合評價優化結☁️果(guǒ)。
2．3．1 流場均勻性指數(shu)
　　氣體渦輪流量計(jì)作爲速度式流量(liang)計，是在氣流入口(kou)🏃🏻‍♂️處接✔️近平均速度(dù)輪廓的條件下設(she)計和标定的［10］。要想(xiǎng)🥵達到正确計量的(de)目⛱️的，應當使葉輪(lún)處氣流的速度場(chǎng)♊盡量均勻。當氣體(tǐ)來流的速度場紊(wen)亂時，氣流對渦輪(lun)葉片的推動力矩(ju) Tr随之紊亂，導😍緻葉(ye)片發生震顫，計量(liàng)性能變差，嚴重時(shi)造成葉片與輪軸(zhóu)間💰磨損失效。而前(qian)導流器的作用就(jiu)是整形流場，使氣(qi)體流速均勻，故引(yin)入流場均勻性指(zhǐ)🈲數作爲優化評價(jia)指标。
　　均勻性指數(shu) γ［11］描述了指定表面(miàn)上指定物理量的(de)變化情況，γ 取［0，1］，γ 越大(dà)表示均勻性越好(hao)。均勻性指數采用(yòng)面積進行衡量🐕: 面(mian)積加權均勻性指(zhi)數 γα。
面積加權均勻(yun)性指數( γα) ，利用下式(shi)進行計算:

　　從均勻(yun)性指數的定義可(kě)以看出，當指定物(wù)理量爲速度時，γα表(biao)🤟示流場速度分布(bù)均勻性。面積加權(quan)均勻性指數在數(shu)值模拟中均🔞可由(yóu)程序自身提供，這(zhe)樣大大提高了計(ji)算的便♈捷性。因此(ci)，在數值模拟中用(yong)🌐 γα評價截面的流動(dong)均勻性具有明顯(xiǎn)的優勢。
2．3．2 計量性能(neng)指标
　　基于氣體渦(wo)輪流量計的工作(zuo)原理，依據渦輪流(liu)量計❤️的檢定規程(chéng)［12］，确定了渦輪流量(liàng)計的計量性能指(zhi)标: 儀表系數、線性(xìng)度、重複性以及壓(ya)力損失。1) 儀表系數(shu) K，依據規程按下式(shi)計算:

式中: ( Ki)max、( Ki)min分别指(zhi)在整個流量範圍(wéi)内，各流量點儀表(biǎo)系數的最大值和(hé)最小值。
2) 重複性 Er，依(yi)據規程按下式計(jì)算：

　　式中: ( Er)i爲第 i 個流(liú)量點的重複性誤(wù)差; Eij爲第i 個流量點(dian)第 j 次測量的相對(dui)示值誤差，% ; Ei爲第i 個(ge)流量點的平均相(xiang)對示值誤差，% 。
　　重複(fu)性是評價儀器穩(wěn)定的重要指标，重(zhòng)複性越高說明㊙️流(liú)量計穩定性越好(hǎo)。
3) 線性度 δ，依據規程(chéng)按下式計算:

4) 壓力(lì)損失 Δp，依據規程規(guī)定爲流量計入口(kǒu)上遊 1DN 和出口下遊(you)⚽ 1DN 的兩點間的壓力(lì)差值。較小的壓力(lì)損失可減少🔴輸運(yùn)氣體⭕的能量消耗(hao)，降低運輸成本。所(suo)以将壓損作爲優(yōu)化評價的一個重(zhòng)🚩要指标。

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