0引言(yan)
　　氣體渦輪(lun)流量計 是(shi)計量天然(ran)氣、液化氣(qi)、煤氣等介(jie)質的速度(du)式儀表[1-2]。爲(wei)了改善氣(qì)體渦輪流(liu)量計的性(xìng)能，爲設計(ji)提供指🤩導(dǎo)和方向，近(jin)年來一些(xie)學❤️者利用(yòng)CFD技術對其(qí)内部流場(chǎng)進行了研(yán)究㊙️。LavanteEV等[3]利用(yong)FLUENT對氣體🌈渦(wo)輪流量計(jì)内部流場(chang)進行數值(zhi)模拟，并根(gēn)據仿真結(jie)果解釋實(shí)驗過程🙇‍♀️中(zhōng)的現象。對(duì)前導流器(qi)引起的流(liu)量計壓力(lì)損失進行(hang)數值計算(suàn)和實驗測(cè)量，從流動(dòng)機理上解(jie)釋了結🔱構(gòu)和壓損之(zhī)間的關系(xì)。LIZhifei等[6]利用數(shu)值模拟得(de)到了導流(liú)⚽器内部的(de)速度場🔞和(he)壓力場，并(bing)以減小👈壓(ya)力損失⛱️爲(wèi)目标優化(huà)了導流器(qi)的結構。通(tong)過對氣體(tǐ)渦輪流🆚量(liang)計進行CFD仿(páng)真，研😘究不(bu)同流量下(xia)的壓損值(zhí)，并通過實(shi)驗證明了(le)數值模拟(ni)的📐有效性(xing)。對渦輪傳(chuán)感器内🧑🏽‍🤝‍🧑🏻部(bu)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進行了⭕數(shu)值仿真，提(ti)出對前後(hòu)導流器、葉(yè)輪葉片形(xíng)狀和頁頂(dǐng)間隙的改(gǎi)進。
　　上述研(yan)究中未涉(shè)及針對不(bu)同螺旋升(shēng)角渦輪内(nèi)流場的數(shu)🐆值模拟，以(yi)及渦輪葉(yè)片螺旋升(shēng)角的改變(bian)對儀表‼️性(xing)能影響的(de)研究。本文(wén)對安裝35°和(hé)45°葉片螺旋(xuan)升角渦輪(lun)的DN150型氣體(ti)渦輪流量(liàng)計的内流(liu)場進行數(shu)值模拟，通(tong)過模拟結(jie)果預測儀(yí)表的始動(dong)流量和壓(ya)力損失，并(bing)利用預測(cè)的正确性(xing)，爲渦輪葉(ye)片螺旋升(shēng)角的進一(yī)步提供數(shù)值方法。
1數(shù)學模型及(ji)邊界條件(jiàn)
　　利用FLUENT軟件(jiàn)對渦輪内(nei)流場進行(háng)數值模拟(nǐ)時，忽略天(tian)然氣的🥰密(mi)度變化，在(zai)0～1200m3/h内，介質流(liu)動速度遠(yuan)遠小于聲(sheng)速（即馬赫(he)數遠小于(yu)🏃🏻0.3），認爲流體(ti)不可壓縮(suo)，且假設流(liu)動中無熱(rè)量交換，不(bú)考⭕慮能量(liang)㊙️守恒方🏃‍♂️程(cheng)。
1.1微分控制(zhi)方程
　　氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計内部流(liu)動爲湍流(liu)黏性流動(dong)，滿足連續(xu)性☁️方程和(hé)黏性流體(tǐ)運動方程(cheng)。
基本微分(fen)方程[9]：
連續(xu)性方程：

1.2
　　湍(tuan)流模型選(xuǎn)擇由于雷(léi)諾應力項(xiàng)的加入使(shǐ)時均N-S方🔴程(cheng)不封閉，爲(wei)💘了求解引(yǐn)入k-ε兩方程(cheng)湍流模型(xing)。兩方程♊湍(tuān)流模型有(yǒu)标準k-ε模🌈型(xing)，Renormalization-group(RNG)k-ε模型，和可(ke)實現的k-ε模(mo)型。其中，RNGk-ε模(mo)型主要應(ying)用㊙️于旋轉(zhuan)機械的流(liú)動問題，在(zai)大範圍的(de)湍流模拟(nǐ)中有較🛀🏻高(gao)的精度。該(gai)模型能夠(gou)比較準确(que)地模拟各(ge)種複雜流(liú)動，其中湍(tuan)流黏度由(you)下式确💃定(dìng)：

1.3網格劃分(fèn)與定解條(tiao)件
　　根據流(liú)量計的實(shí)際工況分(fen)别在介質(zhi)入口和出(chu)口處添加(jia)10倍管徑的(de)直管段，并(bìng)把整個模(mó)型剖分爲(wèi)3個區域：入(rù)口管道，旋(xuán)轉區，出口(kou)管道。旋轉(zhuan)區域又細(xì)分爲渦輪(lun)轉子和支(zhi)架定子兩(liang)個區域，定(dìng)子和轉子(zǐ)之間的耦(ou)合📧采用多(duo)參考MRF(MultipleReferenceFrame)模型(xing)。利用GAMBIT前處(chù)理模塊對(duì)進、出口直(zhí)管段✊采用(yong)結構化㊙️網(wǎng)格，而對旋(xuan)轉區采用(yòng)非結構化(hua)網格進行(háng)劃分以滿(man)足對葉輪(lún)内部複雜(za)區域的網(wǎng)格🤞描述，各(gè)塊網格通(tong)過塊之間(jian)的交界面(miàn)拼接🥵在一(yī)起。網格總(zǒng)數爲30多萬(wàn)個四面體(ti)非結構化(huà)網格和100多(duō)萬個六面(mian)體結構化(huà)網格，旋轉(zhuǎn)區網格♍如(ru)圖👄1所示。

　　定(dìng)解條件包(bāo)括介質入(ru)口、出口和(he)固壁邊界(jiè)的設置。入(rù)口處給定(dìng)相應流量(liàng)（1200m3/h）下的主流(liu)速度值；出(chu)口采用壓(ya)力出口邊(bian)界條件，出(chū)口壓力相(xiàng)對大氣壓(yā)爲0；進、出口(kǒu)管道内壁(bi)，支架均取(qǔ)🤩無滑移固(gù)壁邊界條(tiáo)件。葉輪🚩部(bù)分采用旋(xuán)轉坐标系(xi)，給定相應(ying)流量下的(de)葉輪轉♉速(sù)，将葉片的(de)吸力面和(he)壓力面以(yi)及輪毂定(ding)義爲旋轉(zhuan)壁面條件(jian)，在旋轉壁(bì)面條件的(de)定義中，按(an)照MRF的要💘求(qiu)，将旋轉壁(bi)面的旋轉(zhuan)速度定義(yi)爲相對速(sù)度，并且相(xiàng)對周圍流(liú)體速度✂️爲(wei)0。
2計算結果(guǒ)分析
2.1壓力(li)場分析
　　 流(liú)量計 全壓(yā)定義爲入(rù)口全壓與(yǔ)出口全壓(yā)之差，通過(guò)全壓分析(xi)能夠直接(jie)反映儀表(biao)壓損的大(dà)小。全壓越(yue)大表明流(liu)體經過流(liu)✍️量計後産(chǎn)生的壓損(sǔn)越大，壓損(sǔn)過大會導(dǎo)緻流量計(ji)不能正常(chang)使用。進口(kǒu)全壓一定(ding)時，出口全(quan)壓Pout越🈲大，則(zé)流量🥵計的(de)全壓△P越小(xiao)，壓力損失(shī)越小♌。如圖(tú)2（a）和圖3（a）所示(shì)，35°渦輪出口(kǒu)全壓要明(míng)顯⁉️小于45°渦(wo)輪出口處(chu)的全壓，這(zhe)說明相同(tong)的工況下(xia)45°渦輪所産(chan)生的壓損(sǔn)較小。

　　渦輪葉(yè)片動壓的(de)分布和大(dà)小直接影(ying)響渦輪驅(qu)動力矩的(de)大小，35°葉片(pian)所受動壓(ya)明顯小于(yu)45°葉片所受(shou)動壓，說明(míng)在相同工(gong)況下45°螺旋(xuan)升角渦輪(lún)能獲得較(jiào)大🐆的驅動(dong)力矩，如圖(tú)2（b）和圖🌍3（b）所示(shi)，與35°渦輪相(xiang)比，較小的(de)流量就可(ke)推動渦輪(lún)穩定旋轉(zhuǎn)，從而使儀(yi)表進入線(xiàn)性工作區(qū)。由此可預(yù)測安裝45°螺(luo)旋角渦輪(lun)的儀表能(neng)獲得較小(xiao)的始動流(liú)量。
2.2速度場(chǎng)分析
　　當氣(qi)體介質以(yǐ)充分發展(zhǎn)的湍流經(jīng)過渦輪時(shi)，35°渦輪的速(su)度矢量方(fāng)向變化較(jiao)大且向壁(bi)面集中，使(shi)得與葉片(piàn)直接🔅作用(yòng)産生✉️推動(dong)🛀🏻力矩的速(sù)度矢量減(jian)少，如圖（4a)所(suo)示，且在出(chu)‼️口處速度(du)衰減較大(da)，間接說明(ming)介質流經(jing)渦輪後壓(yā)損的增加(jia)，如圖4（b）所示(shi)。而45°渦輪内(nei)部的速度(du)矢量分布(bù)比較均勻(yún)🈲，過流性較(jiao)好，與葉片(piàn)直接🎯作用(yòng)的速度矢(shǐ)量較多，産(chan)生較🈲大的(de)驅動力矩(jǔ)，如圖（5a)所示(shì)，且在出口(kǒu)處🆚速度衰(shuai)減較小，如(rú)💃圖（5b)所示。



3實驗(yan)對比
　　氣體(ti)渦輪流量(liàng)計的檢定(dìng)采用負壓(yā)檢測方法(fa)，如圖6所示(shì)，由标♻️準吸(xi)風裝置産(chǎn)生負壓使(shi)标準羅茨(cí)流量計和(hé)被檢定的(de)氣體渦輪(lún)流量計同(tong)時測量，安(ān)裝在被測(cè)儀表兩端(duān)💜取壓口處(chù)的U型管可(ke)以🔱測量流(liu)量計進、出(chū)口處的壓(ya)力，從而得(de)到儀表的(de)壓力損失(shi)。
　　利用黃金(jīn)分割法選(xuǎn)取0～1200m3/h範圍8個(ge)流量點，在(zài)每一個流(liú)量點随機(ji)采集3組不(bu)同時刻的(de)數據，包括(kuò)标準羅茨(ci)♈流量計和(hé)被檢定流(liu)量計的累(lèi)積流量及(jí)其輸出脈(mò)沖數，對💞每(měi)組數據進(jin)行🔞算術平(píng)均得到👄流(liu)量點處的(de)平均儀表(biao)系數。通過(guò)采集U型管(guan)🔴壓差裝置(zhì)的指示值(zhi)記錄每個(ge)流量點處(chù)的壓力損(sǔn)失，檢定結(jie)果如表2所(suǒ)示。

　　利用多(duo)項式插值(zhí)對表2中的(de)數據進行(háng)密化，得到(dao)20組插值🍓數(shu)⛷️據，通🍉過3次(cì)B樣條拟合(he)得到儀表(biao)系數曲線(xian)和壓力損(sun)失曲線。
始(shǐ)動流量以(yǐ)儀表系數(shù)進入線性(xing)區的最小(xiao)流量來确(què)♍定⭕，在小流(liu)量區内安(ān)裝45°螺旋升(sheng)角渦輪的(de)流量計在(zài)流量20m3/h左右(yòu)即🔞進入㊙️線(xiàn)性工作區(qū)；而安裝35°螺(luo)旋升角渦(wo)輪的流量(liàng)計則在流(liú)量150m3/h左右時(shi)才進入線(xian)性工作區(qu)，而且在🥰線(xian)性工作區(qu)内也存在(zài)着明顯⭐的(de)波動，如圖(tú)7所示.

　　35°渦輪流量(liàng)計在各工(gōng)況點處的(de)壓損明顯(xiǎn)大于45°渦輪(lún)流量計，最(zuì)大壓損達(dá)到3500Pa以上，如(ru)圖8所示。上(shang)述分析表(biǎo)明安裝45°螺(luo)旋升角渦(wo)輪的👉流量(liang)計與安裝(zhuang)35°螺旋升角(jiǎo)渦輪的流(liú)量計相比(bi)具有較小(xiǎo)的始動流(liu)量，較小的(de)壓力損失(shi)，而且儀表(biǎo)計量的線(xian)性度較好(hǎo)。

4結論
　　對螺(luo)旋升角爲(wèi)35°和45°的氣體(ti)渦輪流量(liang)計旋轉部(bu)件内🈲流場(chǎng)進行❓數值(zhi)模拟，分析(xī)描述其内(nèi)部流動的(de)壓力場和(hé)速度☁️場，安(ān)裝45°螺旋升(shēng)角渦輪的(de)流量計比(bǐ)安裝35°螺旋(xuán)升角渦輪(lún)的流量計(ji)具有較小(xiao)的始動流(liú)量和壓力(lì)損失。
利用(yong)黃金分割(gē)法選取儀(yí)表流量範(fan)圍内的檢(jian)定點，通過(guo)儀表♈負壓(yā)檢定平台(tai)獲得了儀(yi)表系數曲(qu)線和壓力(li)損失曲線(xian)，與數值仿(páng)😍真中的預(yu)測相吻合(hé)，表明數值(zhí)模⭕在流量(liàng)計性能預(yù)測中的有(yǒu)效性。
　　渦輪(lun)葉片的螺(luó)旋升角是(shi)影響儀表(biao)性能的關(guān)鍵參數，合(he)理選擇渦(wō)輪的葉片(piàn)螺旋升角(jiao)，可進一步(bù)改善儀表(biǎo)🐕的性能。

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