[摘要] 渦輪(lun)流量計 性能(néng)會随着被測(ce)流體粘度的(de)增大而變差(chà)，爲了降低介(jiè)質粘🌈度📐對渦(wo)輪性能的影(ying)響，采用計算(suan)流體力學CFD)仿(páng)真的方法，通(tōng)過⭕适當地增(zēng)大頂端間隙(xì)，實現了對液(ye)體渦輪流量(liàng)計 參數的定(ding)量優化，并從(cóng)葉輪尾部流(liu)場、葉片表面(mian)壓力場及♌葉(ye)輪受力情況(kuàng)等方面分析(xi)了不同的葉(ye)輪頂端問隙(xi)🚩對葉輪性能(neng)産生影響的(de)機理。
　　液體渦(wo)輪流量計具(jù)有測量精度(dù)高、量程寬、壓(ya)損小、輸出脈(mo)👅沖信号、重複(fú)性和動态響(xiang)應好等多種(zhong)優點。在用于(yú)低粘度液體(ti)流量測量時(shi)，在相當寬的(de)流量範圍内(nèi)，其測量精度(dù)可達0.5%~0.15%，重複性(xìng)可達0.1%~0.05%。缺點在(zài)于儀表系數(shù)受被測流體(tǐ)粘度變化的(de)影響較大。一(yī)般來說，粘度(dù)變化對線性(xìng).特性的影響(xiǎng)随着流量計(jì)口徑😍的減小(xiǎo)而增大。目前(qian)，國.内渦輪流(liu)量計出廠時(shí)，一般都是用(yong)水或粘度比(bi)較低🏃🏻‍♂️的柴油(you)進💚行檢定，但(dàn)很多使♈用者(zhe)卻用其來測(ce)量液壓油、潤(run)滑油等中粘(zhān)度甚💋至高粘(zhān)度液體的流(liu)量。這就迫⛱️切(qie)要求提高渦(wo)輪流量計在(zài)測量粘性介(jiè)質時的精度(du)。
　　通過改變葉(yè)輪葉片頂端(duān)間隙來實現(xian)渦輪的優化(huà)在.以🌈往的文(wen)👨‍❤️‍👨獻口.四中已(yi)有出現，但如(rú)何進行定量(liang)的優化及❤️改(gǎi)變頂端間隙(xì)🛀🏻會對渦輪的(de)性能造成多(duō)大的影響等(deng)，卻仍需作進(jìn)一步的研究(jiu)。
　　通過對不同(tong)葉輪頂隙的(de)渦輪流量計(ji)進行計算流(liu)體力✊學CFD)仿真(zhēn)四，當流體粘(zhan)度爲9.1cSt時，渦輪(lún)的線性度誤(wù)差由0.987%減小至(zhì)0.014%;當㊙️流體粘度(dù)爲31.6eSt時，渦輪的(de)線性度誤差(cha)由5.568%減小至3.693%。
1渦(wō)輪流量計CFD仿(páng)真方法
1.1三維(wei)仿真模型建(jian)立
　　以DN10渦輪流(liu)量傳感器爲(wèi)例進行研究(jiu)，按照實驗所(suǒ)用渦🌈輪💃🏻流量(liàng)傳感器的幾(ji)何結構參數(shù)建立仿真模(mó)型，如圖1所示(shì)。在渦輪前後(hòu)分⚽别增加10D的(de)直管段以模(mó)拟實流實驗(yan)中的♻️流動狀(zhuang)态。

1.2網(wang)格劃分
　　對模(mo)型的網格劃(hua)分是仿真的(de)關鍵。網格質(zhi)量直接影響(xiang)🧡仿🐕真的💔求解(jie)過程和結果(guo)，若所劃網格(ge)質量太差，在(zai)後續的仿真(zhēn)過程中會産(chǎn)生很多問題(ti)，減小收斂速(su)度，影響求🧑🏽‍🤝‍🧑🏻解(jie)結果的準确(què)性。在既保證(zheng)網格質👉量又(yòu)控制‼️網格數(shù)量的條件下(xià)，對網格進🍉行(hang)如下的💋劃分(fen)。
　　葉輪處結構(gòu)較爲複雜，所(suǒ)以在網格劃(hua)分時采用四(sì)面體網格，其(qí)intervalsize爲0.12。在葉輪兩(liang)側定義了interface面(mian)，以聯接葉輪(lún)轉動區域和(he)其它靜止區(qū)城。網格質量(liàng)指标EquiSizeSkew及AngleSizeSkew均小(xiǎo)于0.82.
1.3參數設定(ding)
　　選取SSTk-w湍流模(mo)型，對流體特(tè)性及邊界條(tiáo)件等都嚴格(gé)按照實流實(shi)驗進行設置(zhi)，并采用多參(cān)考坐标系的(de)方法解決轉(zhuan)動的流體區(qū)域流場變化(hua)問題。通過監(jiān)🐆測葉輪🌈及輪(lún)毂的力矩，并(bìng)根據驅動力(li)🏃‍♀️矩與阻力.矩(jǔ)的差值對葉(yè)輪轉速大小(xiao)進行調節，當(dāng)力矩系數Cm值(zhí)達到10-9時，認爲(wei)葉輪所受力(li)矩達到平衡(heng)，則此時的葉(yè)輪轉速即爲(wei)合适的轉速(su)。.
2葉輪頂端間(jiān)隙影響的仿(pang)真
2.1頂端間隙(xi)影響的理論(lun)依據
　　當流體(tǐ)在管道内部(bù)流動時，渦輪(lun)流量計同時(shí)受到驅動力(li)矩及阻力矩(ju)的作用。其中(zhōng)阻力矩主要(yào)包括粘性摩(mó)擦阻力矩、機(ji)械摩擦阻力(li)矩和磁阻力(li)矩等🐉。而在測(cè)🤩量粘性流體(tǐ)時機械摩擦(ca)阻力矩和磁(cí)阻力🤩矩可以(yǐ)忽略不計。葉(yè)片邊緣與殼(ke)體内壁之間(jian)充滿了流體(tǐ)，因此這一形(xing)式的🧡摩擦阻(zǔ)力實👈際上是(shi)由流體與固(gu)體壁面之間(jian)由于存在着(zhe)相對運動而(er)引起🚶‍♀️的粘性(xing)摩擦阻力。但(dan)是由于其間(jian)隙👈相當小，因(yīn)此流體在這(zhe)一狹小間隙(xi)中的流動始(shǐ)終認爲是處(chù)在層㊙️流流動(dong)狀态，從而可(ke)直接應用納(nà)維埃一斯托(tuo)克斯💁方程對(duì)流場求解。

　　式(shì)中:T1爲葉片頂(dǐng)端與傳感器(qì)外殼内壁之(zhi)間的粘性摩(mó)擦阻🌈力矩，n·m;r,爲(wèi)葉片頂端處(chu)半徑，m;r。爲流量(liàng)計殼體内壁(bi)半㊙️徑，m;C爲葉片(piàn)🤞寬，m;ρ爲流體密(mì)度，kg/m';v爲流體運(yun)動粘度，m2/s;0爲葉(yè)輪旋轉角速(su)度，rad/s。由(1)式可以(yi)看出，通過減(jiǎn)小r,即葉片頂(ding)端處半徑可(ke)以減小粘性(xing)摩擦阻力矩(ju)。
　　雖然葉片頂(ding)端間隙的增(zēng)大可以減小(xiao)T1的數值，增加(jiā)葉輪💃🏻轉速，降(jiàng)🈲低渦輪對流(liu)體粘性的敏(mǐn)感程度，但是(shi)由于随着頂(dǐng)隙的增大，漏(lou)流也增大，這(zhe)會給測量的(de)✍️精度帶🌐來影(yǐng)響，因此要🈲兼(jian)顧兩者以達(da)到平衡。
2.2仿真(zhen)數據
通常采(cai)用葉片頂端(duan)間隙與管道(dào)半徑之比δ對(duì)頂端間隙進(jin)行無量綱化(huà)

　　選擇了運動(dòng)粘度分别爲(wèi)9.1cSt、31.6eSt的柴油-機油(yóu)混合液，對不(bú)同頂💘端間隙(xi)的渦輪流量(liang)計進行仿真(zhēn)，仿真結果如(rú)表1所示。從表(biǎo)中數據可以(yi)看出，渦輪流(liú)量計在測量(liàng)時，一般在小(xiao)流量點處🈲的(de)儀表系數會(huì)小于大流量(liang)點處的儀表(biao)系數，這是造(zao)成線性度誤(wu)差的原因。對(duì)于相同粘度(dù)的流體，在相(xiàng)同流速時，随(suí)着頂端間隙(xi)㊙️的增大,渦輪(lun)流量計的旋(xuán)轉角速度增(zeng)大，相應的儀(yi)表系數也增(zeng)大。而渦輪流(liú)量計在測量(liàng)粘性流體時(shí)👉主要受影響(xiǎng)的是在📱小流(liú)量點，頂端間(jian)隙增大後，渦(wō)輪在小流量(liàng)點處的儀表(biao)系數相對于(yu)大流量點得(de)㊙️到了更大的(de)提高,故減小(xiao)🏃🏻了線性度誤(wu)差。即對于同(tóng)一介質粘度(du)，渦輪流量計(ji)🔞的儀表系數(shù)受流量變化(hua)的影響在減(jiǎn)小。

3頂端間隙(xì)影響的機理(lǐ)分析
　　通過分(fèn)析渦輪流量(liang)傳感器内部(bu)的速度場和(he)壓力場變化(huà)以及葉片受(shòu)力情況等，可(ke)以理解在測(ce)量粘性流體(ti)時頂端間隙(xì)變化對流量(liang)傳感器特性(xing)産生✍️影響的(de)流體力☁️學機(ji)理。
3.1速度場分(fèn)析
　　圖2爲渦輪(lún)葉片尾部流(liu)體速度矢量(liàng)圖，灰色部分(fen)爲葉片㊙️。可以(yǐ)看出在葉片(pian)的尾部，流體(ti)出現了流動(dòng)分離。靠近葉(yè)輪的😘流體，其(qí)速度可以認(ren)爲與葉輪的(de)轉速相同，葉(ye)輪的轉速越(yue)慢，其尾🌍部的(de)低流速區越(yuè)大。

　　比較圖3(a)和(hé)圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)，可(ke)以看出當流(liú)體粘度一定(dìng)時，流量越大(dà)，葉輪的尾部(bu)低流速區越(yuè)小。當頂端間(jiān)隙由0.2mm增加:至(zhì)0.5mm時，對于相同(tong)粘度的流體(tǐ)和相同的流(liú)量🍉點，葉輪尾(wěi)部低流速區(qū)變小，表明葉(ye)輪旋轉角速(sù)度增大，即儀(yi)㊙️表系數變大(da)。但在小流量(liàng)點處，低流速(sù)區🐕的相對變(biàn)化🔞較之于大(da)流量點處要(yào)大，即小流量(liang)點處葉輪轉(zhuan)速的🐇相對變(bian)化比大💃流量(liàng)點處要大，則(zé)儀表系數的(de)增加值相對(duì)也大，故渦輪(lun)的線性度誤(wù)差減小。

3.2壓力(lì)場分析
　　比較(jiào)圖5(a)和圖5(b)、圖6中(zhōng)的圖6(a)和圖6(b)，可(kě)以看出，對于(yú)相同粘♉度的(de)流體⛷️，随着流(liu)量的增大，高(gao)壓區的面積(ji)變大，且向葉(ye)片的尾部和(he)頂端移動，緻(zhi)使葉片所受(shòu)驅動力矩增(zēng)加，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度增大(da)。對于相同粘(zhān)度的流體在(zài)相同❗的流量(liang)點處，頂端間(jian)隙由0.2mm增大至(zhi)0.5mm時，比較圖5和(hé)圖6可以看出(chu)，葉片表面的(de)高壓區面積(ji)變大，且向葉(yè)片的尾部和(he)頂端移動，緻(zhì)使葉輪所受(shòu)驅動力矩增(zeng)加，而由圖7和(he)圖8可以看出(chū)葉片尾部的(de)低壓區🚶面🌐積(jī)變小，葉輪旋(xuán)轉的阻力減(jian)小，則旋轉👉的(de)角速度增大(da)，即儀表系數(shù)增大。

　　由3)式可(kě)以看出，當其(qí)它條件一定(ding)時，對于.确定(ding)的葉輪轉☂️速(sù)，葉輪受到的(de)粘性阻力矩(ju)也是一定的(de)。那麽，反過來(lái)亦可以通過(guo)🔞粘性阻力矩(jǔ)來判斷葉輪(lun)轉速的大小(xiǎo)。
利用Fluent中的Report可(ke)以得到渦輪(lun)流量計所受(shòu)的壓力力矩(ju)🌍和粘性阻力(lì)矩，如表2所示(shì)。

　　比較表格中(zhōng)的數據可以(yi)得出，對于具(ju)有相同粘度(du)的流體和☔相(xiang)同的流量點(diǎn)，當渦輪的頂(dǐng)端間隙增大(dà)🙇‍♀️時，葉㊙️輪所受(shou)到的粘性阻(zu)力矩變小，這(zhe)直接導緻了(le)渦輪的轉速(su)增大即儀表(biao)系數增大。在(zài)🥵小流量點，粘(zhān)性阻力矩相(xiàng)對減小了16.64%，在(zài)大流量點，粘(zhān)性阻力矩相(xiang)✉️對減小了13.79%，這(zhè)樣渦輪轉速(sù)在小流量點(diǎn)處相對增加(jiā)較爲顯著，故(gù)渦🛀🏻輪的線性(xìng)度誤差得到(dao)了降低。
4結論(lùn)
　　對具有不同(tóng)頂端間隙的(de)液體渦輪流(liu)量計進行CFD仿(páng)🏃真分析，當流(liú)體粘度爲9.leSt時(shí)，渦輪的線性(xìng)度誤差由.0.987%減(jiǎn)小至0.014%;當流體(ti)粘度爲31.6cSt時，渦(wō)輪的線性度(du)誤差由5.568%減小(xiao)至3.693%。通過分析(xi)渦輪的内🔴部(bù)流場🏃‍♀️及葉輪(lun)受力情況，可(kě)以得出以下(xia)
結論:
(1)适當增(zēng)大葉輪的頂(ding)端間隙，流體(ti)粘度和流量(liàng)一定時，葉輪(lun)尾部🔞低流速(su)區減小，葉輪(lún)旋轉角速度(du)增大，即儀表(biao)系🈲數變大。而(ér)小流量點處(chu)的低流速區(qu)相對變化較(jiào)之于大流量(liàng)點處要大，即(jí)小流量點處(chù)葉輪轉速的(de)相對變化比(bi)大流量點處(chù)要大，則儀表(biao)系數的增加(jiā)值相對也大(dà)，故渦輪的線(xiàn)性度誤差減(jiǎn)小。
(2)對于相同(tóng)粘度的流體(tǐ)，在相同的流(liú)量點，渦輪的(de)頂端間隙适(shi)當👄增加時，葉(ye)片尾部的低(di)壓區面積變(bian)小，葉片表面(miàn)的高壓區向(xiàng)葉片的尾部(bù)和頂端移動(dong)且面積變大(da)，緻使葉輪所(suo)受驅動力矩(jǔ)增加，旋轉的(de)角速度增大(dà)，儀表系數增(zēng)大。
(3)對于相同(tong)粘度的流體(ti)和相同的流(liu)量點，葉輪所(suo)受到的☁️粘性(xìng)🔴阻力矩随着(zhe)葉輪頂端間(jiān)隙增大而變(bian)小，則葉輪的(de)轉速增大，液(ye)體渦輪流量(liang)計系數增大(da)。在小流量點(dian)，粘性阻力矩(jǔ)相對減小值(zhi)較大流量點(dian)處更爲顯著(zhe)🤟，即儀表系數(shù)相對增加值(zhí)更大，故渦輪(lún)的線性度誤(wu)差🌈得到了降(jiang)低。

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