摘要：根據(jù)已有的DN25旋進旋(xuán)渦流量計的結(jie)構參數，設計了(le)DN20小型旋進旋渦(wō)流量計 ，而後借(jiè)助ANSYSFluent流體仿真對(duì)DN20小型旋進旋渦(wo)流量計進行👨‍❤️‍👨了(le)結構📐與流場關(guān)系的研究。通過(guo)正交試驗，獲得(de)了DN20小型流量計(ji)不同結㊙️構的内(nei)部流場及其信(xin)息，分析了流量(liàng)計工作範圍内(nèi)旋渦規律和流(liu)量之間的關系(xì)；進一步更換不(bu)同測量橫截面(miàn)，查看壓力場及(ji)其變化規律，與(yu)原結構方案的(de)測量截面進行(hang)比較，選🚶‍♀️定最優(you)測量截面與測(cè)量點，爲DN20流量計(ji)産品研發提供(gong)了理論依據。
0引(yǐn)言
　　旋進旋渦流(liú)量計是根據旋(xuan)渦進動現象設(shè)計的一種流⭕體(tǐ)振蕩式流量計(ji)，具有流量範圍(wei)寬、無可動部件(jian)、不易腐蝕、可♉靠(kao)性高、安裝使用(yòng)方便、直管段要(yao)求短等優點，适(shi)用于石油、蒸汽(qi)、天㊙️然氣、水🔞等多(duo)種介質🈚的流量(liang)測量[1]。20世紀70年代(dai)，對旋進旋渦流(liu)量計性能進行(háng)了比較全面的(de)實驗研究，驗證(zhèng)了此☔流量計線(xian)性⛹🏻‍♀️輸出特性，同(tong)時發現此流量(liàng)計不易受介質(zhi)粘度和密度影(ying)響，指出旋進旋(xuan)渦流量計在高(gao)壓氣體測量方(fāng)面的商業應用(yong)前景。對旋進旋(xuán)渦流🛀量計做了(le)實際工況下😍的(de)儀表特征測試(shi)，探索該流量計(ji)在計量領域應(ying)用的可行性。
　　對(duì)于旋進旋渦流(liú)量計内部流動(dòng)特性及流量計(ji)改進方面，科🌏研(yán)人員也進行了(le)一定的探索，彭(peng)傑剛等人[4]對旋(xuán)進旋渦流量計(jì)内部流場進行(háng)了數值模拟分(fèn)析，研究了旋渦(wō)流量計内部流(liu)場的演變情況(kuàng)，分析了流場幹(gàn)擾對旋進旋渦(wō)流量計流場進(jin)動效應🎯的影響(xiǎng)。何馨雨等人[5]對(dui)旋進旋渦内部(bu)流場進行了數(shu)值模拟分析㊙️，獲(huò)得了比較全面(miàn)的流場信息，對(dui)這種流量計的(de)内部流動特🍉性(xìng)有了更加深入(rù)的理解⭐。

　　目前(qián)，針對旋進旋渦(wō)流量計，特别是(shì)小型和微型流(liu)🌈量👨‍❤️‍👨計還存在流(liú)量計低流量工(gong)況條件下測量(liang)不準确、過程不(bú)穩定的問😍題，開(kāi)發小型流量計(jì)，相較于普通流(liú)量🐇計需要在結(jié)構上做出改進(jìn)和優化。比如，可(kě)❓采用導流👈片來(lái)降低壓損，提高(gao)流量計的性能(neng)。本文着重考慮(lǜ)對小型旋進旋(xuán)渦流量計的起(qi)旋角、收縮⚽角和(hé)收縮比進行優(you)化研究，從而爲(wei)進一步開🏃🏻發和(hé)定型小型流量(liang)計提供理論上(shang)的支持。
1旋進旋(xuan)渦流量計工作(zuo)原理[6]
　　旋進旋渦(wō)流量計 主要由(you)起旋器、文丘裏(lǐ)管、消旋器和檢(jian)測傳感器組成(chéng)，其結構原理如(ru)圖1所示。
　　旋進旋(xuán)渦流量計是基(jī)于旋渦進動現(xiàn)象工作的。流體(ti)流🔅入旋進📞旋渦(wō)流量計後，首先(xiān)通過一組由固(gù)定螺旋形葉片(pian)組☎️成的起旋器(qì)後被強制旋轉(zhuǎn)，使流體形成旋(xuán)‼️渦，旋渦中心爲(wei)“渦核”是流體旋(xuan)轉運動速度很(hěn)高的區域，其外(wài)圍是環流。流體(tǐ)流經收縮段時(shí)旋渦加速，沿流(liú)動方向渦核與(yu)流量計的軸線(xian)相一緻🏒。當進入(rù)擴大🈲段後，旋渦(wo)急劇減速，壓力(lì)上升，中心區👈域(yu)的壓力比周圍(wei)壓力低，于是産(chǎn)生了局部回流(liú)；在回流作用下(xia)，渦核開始像剛(gāng)體一樣圍繞中(zhōng)心軸在擴張段(duan)壁面做螺旋進(jin)✍️動。其進動頻率(lǜ)與流體的流速(sù)成正比。因此，測(cè)💋得旋進🐉旋渦的(de)頻率即能反映(ying)流🈲速和體積流(liu)量的大小。
2模型(xíng)建立與計算
2.1仿(páng)真模型的建立(li)
　　根據現有的實(shi)物模型使用NX建(jiàn)立仿真模型，根(gēn)據測繪得出DN25旋(xuan)進漩渦流量計(ji)重要尺寸：進出(chu)口直徑爲25mm，收縮(suo)比爲🏃🏻‍♂️1.25，收縮段夾(jia)角爲12°，起旋器葉(yè)片夾角爲42°，擴張(zhang)段夾角⛹🏻‍♀️爲60°，建立(lì)⭐如圖2所示三維(wei)模型。

　　再根據實(shí)物參數建立好(hao)的DN25旋進旋渦流(liu)量計模型的基(ji)♊礎🐪上進行修改(gai)，得到DN20小型旋進(jìn)旋渦流量計模(mo)型。DN20旋進旋渦流(liú)量計具體結構(gou)尺寸數據如下(xià)：進出💞口直徑爲(wei)φ20mm，收縮段夾角爲(wei)12°，起旋器葉片入(rù)射角爲42°，收🌍縮比(bi)爲1.25（喉部直徑爲(wei)φ16mm），擴張段夾📞角爲(wei)60°，結構尺寸如圖(tu)🛀3所示。

2.2流體力學(xue)控制方程和湍(tuān)流模型
　　旋進旋(xuan)渦流量計的流(liu)體動力特性，可(kě)以用流體力學(xue)基本方程進行(hang)描述。
　　連續性方(fang)程和動量方程(cheng)：

式（1）、式（2）中：p——靜壓；ui——流(liu)動速度；f——質量力(li)；τij——應力質量。

　　流量(liang)計内部爲湍流(liu)流動，需引入湍(tuan)流模型，标準的(de)K-Epsilon湍流模型用于(yu)強旋流或帶有(you)彎曲壁面的流(liu)動時，會出現一(yi)💁定的🈚失真，因此(cǐ)本文選用RNGk-?湍流(liu)模型。湍流模型(xing)和相關方🌈程在(zai)文獻[5]中有詳細(xi)說🍉明。
3K值系數的(de)确定
3.1不同流量(liàng)下的K值系數
　　DN20小(xiao)型旋進旋渦流(liú)量計的範圍爲(wei)2.5m3/h～25m3/h，分别選擇25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h，作(zuò)爲仿真計⭐算的(de)進出口流量，出(chu)口的相對壓力(li)設爲0Pa，壁面爲無(wú)滑💃移邊界。先🔴常(cháng)定計算，然後在(zài)常定計算的基(jī)礎上進行非常(chang)定計算。
　　選取上(shàng)述4組仿真的同(tong)一截面的同選(xuǎn)定一測量點，分(fen)别計算點😘的壓(yā)力變化頻率與(yǔ)壓差，從而判斷(duàn)不🐇同流量下DN20小(xiao)型旋進旋渦流(liu)量計的性能優(yōu)劣。
　　截面取喉部(bu)（擴張段前截面(miàn)處），截面上節點(diǎn)位置距離壁面(mian)3mm，具體位置如圖(tú)4所示。不同流量(liàng)下的節點的壓(yā)力變化雲圖如(rú)圖5所示。

　　根據圖(tú)5數據，整理可得(de)到以下數據：流(liu)量爲25m3/h時，0.002s内壓力(lì)變化🈲約爲🍓3.9次，頻(pín)率爲1950Hz，換算得K此(ci)時K系數約爲281000；流(liú)量爲12.5m3/h時，0.005s内壓力(lì)變化約爲4.5次🐆，頻(pin)率爲900Hz，換算得K此(ci)時K系數約爲259366；流(liu)量爲5m3/h時，0.02s内壓力(lì)變化約爲6.5次，頻(pín)率爲325Hz，換算得K此(ci)時K系數約爲233981；流(liú)量爲2.5m3/h時，0.1s内壓力(li)變化約爲17次，頻(pín)率爲170Hz，換算得K此(cǐ)時K系數約爲244957。
　　根(gen)據上述數據整(zheng)理可得：平均K系(xì)數值約爲254825。
　　以上(shang)數據存在以下(xia)問題：當測量低(dī)流量（2.5m3/h）時，出現壓(yā)差減小，壓力變(bian)化的範圍不大(dà)，渦核轉動幅度(du)減小，脈動㊙️效應(yīng)不明顯，不利于(yú)傳感器的測量(liàng)。針對此問🚶題，本(běn)文💜對DN20小型旋進(jin)旋渦流量計進(jin)行結構優化，以(yǐ)提高流量計在(zai)測量♌低流量時(shi)🛀🏻的測量精度。
3.2針(zhen)對小流量測量(liàng)的結構優化
　　參(cān)考相關論文[7]，影(yǐng)響流量計儀表(biao)精度與最小測(cè)量流量的3個相(xiàng)關因素爲：收縮(suo)段角度、起旋器(qì)入射角和喉🏃🏻部(bù)直徑（收縮比）。
　　仿(pang)真實驗選用三(san)因素三水平正(zheng)交實驗，三因素(sù)分别爲：起旋角(jiao)✍️、收縮角和收縮(suo)比。起旋角對應(yīng)的三水平爲40/42/45，收(shōu)縮比對應的三(sān)水平爲（20:17）/（20:16）/（20:15），收縮角(jiao)對應的三水平(ping)爲13/12/15。綜🔴合考慮所(suǒ)有的🔆因素要📧實(shí)驗27次📧，而正交實(shi)驗隻要選取9組(zǔ)關鍵實驗，表1爲(wèi)正交實驗表。

　　依(yi)照三因素三水(shui)平正交實驗表(biao)，按順序進行正(zheng)交實驗🏃‍♀️，得到不(bú)同情況下的相(xiang)同時刻的截面(mian)壓力雲🐉圖如圖(tu)6所示，截面壓力(lì)的變化圖如圖(tu)7所示。圖片按實(shi)驗序🔞号一一✔️對(dui)應。、


　　由正交實驗(yan)所得到的數據(jù)可知，模型六與(yǔ)模型九在低流(liu)量的情況下仿(pang)真，壓力變化明(míng)顯，壓力變化幅(fú)度較原模型顯(xian)著提高，脈動效(xiao)應明顯，即相較(jiào)于原模型得到(dao)優化。
3.3确定模型(xing)
　　爲了進一步驗(yan)證模型參數的(de)優化情況，選擇(ze)最優模型，分别(bié)取不同的進口(kǒu)流量，對模型六(liu)與模型九進行(háng)仿真實驗㊙️，計算(suan)對應的頻率和(he)K系數值。
　　考慮到(dao)原模型的流量(liàng)範圍在2.5m3/h～25m3/h，頻率爲(wèi)150Hz～1500Hz，此次仿真實驗(yàn)㊙️取對應的㊙️進口(kou)流量爲25m3/h、12.5m3/h、5m3/h和2.5m3/h。
　　模型(xíng)六不同進口流(liu)量的對應壓力(li)變化圖如圖8所(suo)示。根據🐆4組仿真(zhen)實驗所得數據(ju)，得到模型六的(de)頻率輸出範圍(wéi)約爲❓162Hz～2100Hz，K值平均爲(wei)279845，較原模型提高(gao)約27%。

　　模型九不同(tóng)進口流量的對(duì)應壓力變化圖(tú)如圖9所示。根據(jù)4組仿真實驗所(suo)得數據，得到模(mó)型九的頻率輸(shū)出範圍🈲約爲🏃🏻200Hz～2350Hz，K值(zhi)平均爲322343，較原模(mo)型提高約46%。

　　根據(ju)所有相關數據(ju)得出結論：模型(xing)九相較于模型(xing)🔴六有更好✌️的💞優(you)化效果。因此，選(xuan)取模型九做爲(wei)最優🥰模型🏃🏻
3.4測量(liang)點的選定
　　由于(yú)流量計的脈動(dong)複雜性，在管道(dào)内部對流場壓(yā)力測量點的選(xuan)取至關重要。爲(wèi)了選擇最優測(ce)量點，對整個模(mo)型進行仿真實(shi)驗，根據以往經(jing)驗，選取喉部附(fu)近不同的8個位(wei)置進行相應的(de)測💔量，查看對應(ying)的壓力變化，從(cong)而判斷最優的(de)測量點。本🈲次仿(pang)真實驗選擇的(de)8個測量點的位(wèi)🍓置如圖10所示。

　　在(zai)低流量2.5m3/h仿真環(huán)境下，選擇如圖(tú)10所示的8個不同(tóng)節點，比較壓力(li)變化幅度及峰(fēng)值的變化。由上(shàng)述實驗知模型(xíng)九優化效果最(zui)好，所以選用模(mó)型九做爲本次(ci)仿真實驗的💰仿(páng)真模型，圖11爲各(ge)個不同節點的(de)壓力變化圖，其(qi)中a、b、c、d、e、f、g和h與圖10上節(jiē)點一一對應。
　　由(yóu)于脈動信号的(de)拾取是通過壓(ya)力傳感器測得(de)，在傳感器🐆測量(liang)條件一定的情(qing)況下，壓力幅值(zhi)變化越大越容(róng)易測量。由圖💯11所(suo)得數據可知，c點(diǎn)和d點的壓力幅(fu)值與極值大于(yú)其他測量點💁，有(you)利于壓力傳感(gan)器的檢測，綜🔅合(he)所有實🔞驗的壓(yā)力截面圖判斷(duàn)，确定最優的檢(jiǎn)測點👈在距離喉(hóu)部💞末端約0mm～1mm，且距(jù)壁面2mm～4mm處。

4結語
1）本(ben)文根據DN25旋進旋(xuan)渦流量計實物(wu)模型，繪制出DN20小(xiǎo)型旋✏️進❄️旋⛹🏻‍♀️渦流(liu)量計，借助ANSYSFluent對DN20小(xiao)型旋進旋渦流(liu)量計進行仿真(zhen)實驗，獲得了DN20小(xiǎo)型流量計不同(tong)結構的内部流(liu)場及👄其信息，分(fen)析了✌️流量計工(gong)作範圍内旋渦(wo)規律和流量之(zhī)間的關系，綜合(hé)分析後确定⛹🏻‍♀️其(qi)K值系數。
2）根據DN20微(wēi)型旋進旋渦流(liu)量計在小流量(liang)工況下的壓力(lì)變化情況，優化(huà)了其結構，确定(dìng)起旋角爲45°、收縮(suo)比🔱爲20：15、收縮角爲(wei)12°時，可有🥵效解決(jué)DN20微型旋進旋渦(wo)流量計對小流(liu)量的測量不精(jing)确的問題。
3）本文(wen)在優化模型的(de)基礎上，根據同(tong)一流量下的壓(ya)力變化情況，綜(zong)合所有實驗，确(què)定了DN20小型旋進(jìn)旋渦流量計的(de)♍最優測量⭕點，爲(wei)DN20小型流量計開(kāi)發提供了理論(lùn)依🤞據。
4）在上述仿(pang)真研究和DN20建模(mó)的基礎上，依次(cì)制作了DN20小型流(liu)量⭐計3D打印樣機(jī)，通過測試其實(shí)際K系數在小流(liú)量段⭕基本‼️接近(jin)理論值，結果表(biao)明本文流量計(ji)的性能達到了(le)開發預期。

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