摘要(yao)：應用動量定(dìng)理研究 渦輪(lún)流量計 的基(jī)本工作機理(li)及儀表系數(shù)模型。通過數(shù)值仿真和❌流(liú)動實🐕驗，分析(xi)切向渦輪流(liu)量計葉片未(wei)轉動及轉動(dòng)時流🛀🏻體在渦(wo)輪流量計的(de)分布情況，闡(chǎn)述切向渦輪(lun)計㊙️葉片轉動(dòng)機理。基于小(xiǎo)流量實驗裝(zhuang)置，考察了渦(wō)輪流量計在(zài)單🐕相水及單(dān)㊙️相油條件下(xia)的響應特性(xing)。渦輪流量計(jì)在純水與純(chun)油介質中，啓(qǐ)動排量分别(bie)爲0.081m3/d與0.08m3/d，均遠遠(yuǎn)低于普通螺(luo)旋式渦輪流(liú)量計的0.5m3/d，證明(ming)渦輪流量計(ji)在低流量測(ce)量中具有良(liang)好的應用前(qián)景。
0、引言：
　　渦輪(lun)流量計廣泛(fan)應用于小流(liu)量測量中。與(yǔ)軸向式渦輪(lún)流🏃量🌈傳👅感器(qì)相比，切向渦(wō)輪流量傳感(gan)器的啓動排(pai)量更低，測量(liang)靈敏度更高(gao)，動态響應速(su)度更快［1］。随着(zhe)國内大部分(fèn)油田進入開(kai)發中後期，低(dī)産井數量逐(zhú)年增多，大量(liang)油井的日産(chan)量低于5m3/d，單層(céng)産量甚至低(di)于1m3/d。低産液井(jing)對測井儀器(qi)提出了新的(de)要求，傳統螺(luo)旋式渦輪流(liú)量計對低流(liú)量的響應較(jiao)差，啓動🌈排量(liang)較高，難以對(duì)低産井的井(jǐng)下流動進行(hang)有效監🔞測。爲(wei)此，提出采用(yong)渦輪流量計(jì)測量小♊流量(liàng)。
1、渦輪流量計(jì)工作原理：
? 渦(wō)輪流量計基(jī)本構造見圖(tú)1。被測流體在(zai)流經葉輪之(zhi)☂️前💋流道✍️會減(jiǎn)縮，流速增加(jia)，流體經過葉(ye)輪後葉片旋(xuán)轉，磁電傳感(gan)器記錄葉💔片(pian)轉動頻率，得(de)到被測流體(ti)相對應的流(liú)量。

　　渦輪在(zài)轉動時所受(shou)的力矩大緻(zhi)可分：流體對(duì)渦輪㊙️的推動(dòng)力矩Ｔｒ，機械摩(mo)擦力矩Ｔｒｍ，流體(tǐ)對渦輪産生(shēng)的流動阻力(lì)矩Ｔｒｆ和電磁阻(zǔ)力矩Ｔｒｅ［２］。渦輪運(yùn)動方程可以(yi)表示爲
　　式中(zhōng)，Ｊ爲渦輪轉動(dòng)慣量；ω爲渦輪(lun)轉動角速度(du)。渦輪正常工(gong)作時⁉️，ω可近似(sì)看作定值（切(qie)向渦輪轉動(dong)時由于驅動(dong)力矩随着位(wei)置變化㊙️而變(bian)化，所以轉動(dòng)角速度ω也是(shi)變化的，這裏(li)将ω看作定值(zhi)）。
　　如圖2所示，渦(wo)輪流量計流(liu)道收縮後面(miàn)積爲Ａ，從流道(dào)流出的流體(tǐ)🛀🏻速度爲ｖ1，從渦(wo)輪流出的流(liu)體速度爲ｖ2；ｖ1和(he)ｖ2與渦輪葉❗片(piàn)速⛱️度方向的(de)夾角爲α1和α2，渦(wo)輪的轉動角(jiǎo)速度爲ω，假設(shè)出口處流體(tǐ)相對運動速(su)度的方向平(ping)行于葉片🔞方(fang)向。

在渦輪(lún)轉動時，隻有(you)垂直葉片方(fāng)向的力對驅(qū)動力矩💜有貢(gòng)獻，因此隻考(kao)慮垂直葉片(pian)方向的驅動(dong)力ｆ。

 式中，ｆＨｚ爲轉(zhuan)動頻率；Ｑ爲流(liu)量。
2、渦輪流量(liàng)計流場分布(bu)特性仿真分(fèn)析：
　　Workbench是ANSYS公司開(kāi)發的協同仿(pang)真環境，大大(dà)簡化了仿真(zhēn)過程中🔴各🌂模(mó)㊙️塊🈲間的交互(hù)操作。通過幾(ji)何建模、網格(ge)劃分、計算求(qiu)解、後處理等(deng)過程，可以比(bǐ)較準确地仿(páng)真複雜機械(xie)模型的各個(gè)物理參數的(de)場分布［3］。
　　根據(ju)實際情況采(cai)用了二維計(jì)算，并将計算(suàn)域劃分爲2個(gè)部分💁：葉輪轉(zhuan)動部分和入(rù)口出口部分(fen)（見圖3）。
　　在圖3中(zhong)葉輪部分和(hé)入口出口部(bù)分均采用四(si)邊形網😄格，網(wang)㊙️格數各約2萬(wàn)，整個計算域(yù)網格數爲4萬(wan)。入口出口⛹🏻‍♀️部(bu)分🆚爲靜止網(wang)格采用參考(kao)系，葉輪部分(fèn)爲動網格，繞(rào)圓心轉動，同(tong)時采用相對(duì)參考系，參考(kǎo)系轉動速度(du)與網格轉速(su)相同。

　　渦輪流(liú)量計仿真模(mo)型見圖4。圖4中(zhōng)右側入口和(hé)左側出口🌈均(jun1)寬20ｍｍ，在計算中(zhōng)分别設置爲(wèi)速度入口和(he)速度出口🐆，轉(zhuan)動🤟部分直徑(jìng)🌈（圖4中Ｄ1）爲18ｍｍ，葉片(pian)頂端半徑爲(wei)8.5ｍｍ，轉動腔上半(bàn)部分直徑（Ｄ3）爲(wèi)20ｍｍ，轉動腔下半(bàn)部分直徑（Ｄ2）爲(wèi)19ｍｍ，轉動腔入口(kǒu)出口寬度均(jun1)爲4ｍｍ。

　　圖5、圖6中速(su)度入口分别(bie)爲0.08m3/d及1m3/d。如圖5所(suǒ)示，當流速較(jiao)低時，流體在(zai)👨‍❤️‍👨切🌈向渦輪内(nei)可以近似看(kan)成繞角流動(dòng)，此時腔體内(nèi)葉片壓強對(duì)稱分布，基本(ben)上不産生壓(ya)差❄️，無法驅動(dòng)渦輪葉片轉(zhuan)動；随着流速(sù)增大，流體在(zai)流📱入靠近入(rù)口的腔體時(shí)，在腔體内産(chǎn)生旋🔴渦，旋渦(wo)的運動導緻(zhi)葉片壁面壓(yā)強分布不均(jun1)勻，從而産生(sheng)驅❗動矩，如圖(tu)6所示。可以看(kan)出對驅動力(li)矩有貢獻🔞的(de)是🏃‍♂️靠近入口(kou)的腔體，其他(tā)腔體基本上(shang)不産生壓差(cha)。

　　爲了驗證仿(pang)真的準确性(xing)，通過室内實(shí)驗對其驗證(zhèng)。切向渦🏃🏻輪采(cǎi)用可視化研(yán)究平台，整個(ge)渦輪的結構(gou)都采用亞克(ke)力闆雕刻組(zu)裝而成。如圖(tu)7所示，水箱主(zhu)要提供穩定(dìng)水🏒壓，水平切(qiē)向渦輪做成(chéng)開口系統并(bing)放置在實驗(yan)支撐架上，前(qián)置閥⛱️門可控(kòng)制水流，在需(xu)要更換切向(xiàng)渦輪的零件(jian)時可關閉，控(kong)制閥門主要(yào)是控制流經(jīng)切向渦輪的(de)流量，流量測(cè)量仍采💯用傳(chuan)統可靠的容(rong)積時間法。實(shí)👣驗時以染色(sè)劑作爲示蹤(zong)🔞劑，以觀察流(liú)場的分布情(qíng)況。


　　如圖8所示(shì)，記錄的是未(wei)啓動時切向(xiang)渦輪内的流(liu)場，水從圖8左(zuo)🐕側流入渦輪(lun)，從右側流出(chū)，實驗時水的(de)流速很⛹🏻‍♀️低（0.05m3/d），腔(qiang)體1中🥵的流動(dong)可✌️近似看作(zuo)不可壓縮無(wu)旋🔞繞角流動(dong)，此時流體在(zai)腔體1中的速(su)度♉可看成對(duì)稱分布，由伯(bó)努利方程✨算(suàn)得的壓強也(yě)是對📐稱分布(bu)，此時2個壁面(mian)幾乎沒有壓(ya)強差，所以渦(wo)輪未啓動。
　　圖(tu)9記錄的是切(qie)向渦輪正常(chang)轉動時的流(liú)場，圖9中水從(cong)左‼️向🈚右流動(dòng)，實驗時水速(sù)較快（1m3/d），渦輪葉(yè)片順時針轉(zhuan)動。水速🤟變大(da)後，擾動變大(dà)，不再是無旋(xuan)繞角流動，腔(qiang)體1中流體形(xíng)成一個運動(dòng)的旋渦，導緻(zhì)腔内壓強分(fen)布不再對稱(chēng)，産生壓差，緻(zhì)使渦輪葉片(pian)轉動，旋渦㊙️在(zai)随葉片運💯動(dòng)到腔體2中時(shi)逐漸耗散消(xiao)失。數值仿真(zhen)的計算結🍉果(guo)與物理實驗(yàn)的結果基本(ben)一緻。

3、切向渦(wō)輪在單相流(liu)體中響應特(tè)性：
　　爲了驗證(zheng)切向渦輪在(zai)單相流體中(zhōng)的響應情況(kuàng)，在全集流條(tiao)件下對其在(zai)單相水及單(dān)相油介質中(zhong)響應規律進(jìn)行了研究。對(dui)于📱單相水的(de)渦輪響應情(qing)況，進行了🐅在(zài)0～6m3/d流速範圍内(nei)的渦輪響應(yīng)實驗，測得單(dan)相水介質中(zhong)渦輪的啓動(dòng)排量爲0.081m3/d，渦輪(lún)響應情況見(jian)圖📐10。經過拟合(he)後的響應關(guān)系爲ω＝6.49Ｑ－1.446。

　　采用同(tong)樣的方法，對(duì)單相油條件(jiàn)下渦輪響應(yīng)規律進行🌈研(yán)究（見圖11），測得(dé)單相油的啓(qi)動排量爲0.08m3/d。對(dui)單相油的實(shi)驗結果進行(hang)拟合，可得單(dan)相油的響應(ying)曲線爲ω＝6.73Ｑ－6.72。與水(shui)對比而言，油(yóu)的拟合曲線(xian)斜率更大，即(ji)随着流量增(zēng)加轉速增加(jia)得略快。
　　爲了(le)深入分析渦(wō)輪流量計在(zai)單相低流量(liàng)條件下的響(xiang)應特點，将流(liú)量作爲橫坐(zuo)标，儀表Ｋ值即(ji)轉速／流量作(zuò)爲縱坐标，繪(hui)制單相❤️水（見(jian)圖12）和單相油(yóu)（見圖13）的渦輪(lún)流👣量計特性(xing)曲線👣。

　　爲了深(shēn)入分析切向(xiang)渦輪流量計(jì)在單相低流(liú)量條件下的(de)響應💛特點，将(jiang)流量作爲橫(héng)坐标，儀表K值(zhi)即轉速／流量(liàng)作爲縱坐标(biāo)，繪制單相水(shuǐ)（見圖12）和單相(xiang)油（見🌏圖13）的切(qie)🔴向渦輪流量(liàng)計特性曲線(xian)。


　　可以看出，渦(wō)輪啓動後首(shou)先進入一個(gè)非線性段，在(zài)非線性相應(ying)🏃🏻‍♂️段，Ｋ值随着流(liú)量增加而增(zēng)大；當流量比(bǐ)較大（單相水(shui)超過0.5m3/d，單😄相油(you)超過1m3/d）時，渦輪(lún)進入線性段(duan)，在線性❌響應(ying)段，Ｋ值達到峰(fēng)值，有相對較(jiao)小的波動。
4、結(jie)論：
（1）數值仿真(zhen)結果與物理(li)實驗結果基(jī)本一緻，當流(liu)速🙇‍♀️低于啓動(dong)排量，渦輪未(wèi)啓動時，流體(ti)沿葉片做繞(rao)角運動，葉片(piàn)兩側壓力🌈相(xiàng)等👄，葉片不轉(zhuǎn)動；當流速高(gāo)于啓動排量(liang)，渦輪轉動時(shi)，流體在腔内(nei)産生旋渦，造(zao)成葉片兩邊(biān)壓差，從而造(zào)成葉片轉動(dòng)。
（2）渦輪流量計(ji)在純水與純(chún)油介質中，啓(qi)動排量分别(bié)🐪爲0.081m3/d與✌️0.08m3/d，均遠遠(yuǎn)低于普通螺(luó)旋式渦輪流(liu)量計0.5m3/d的啓動(dong)排量，在低📱流(liú)量測量🆚具有(you)良好的前景(jing)。
（3）渦輪流量計(ji)在未達到穩(wen)定轉動前，Ｋ值(zhí)不斷增大，穩(wen)☂️定轉動後 K值(zhi)趨于一條直(zhí)線，具有良好(hǎo)的線性關系(xi)。

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