摘要：爲優(you)化小流量(liang)渦輪流量(liàng)計 結構,建(jian)立小流量(liàng)渦輪流量(liàng)計的數學(xue)模型和三(sān)維模⭕型,通(tōng)過其📞流場(chǎng)特性進行(hang)仿真分析(xi),研究導流(liu)架端部的(de)形狀、葉輪(lún)與導流架(jia)之間凹槽(cáo)寬度、葉輪(lun)面積和形(xing)狀對葉輪(lún)穩定旋轉(zhuan)的影響,并(bing)對不同結(jie)構😘導流架(jia)端部的小(xiao)流量渦輪(lun)流🌐量計的(de)流✏️場特性(xìng)進🐅行了分(fèn)析,圓錐形(xing)結構葉輪(lún)的高壓低(di)速區面積(jī)最小，能夠(gòu)有效減🛀少(shao)壓力損失(shī),提高流量(liàng)計的測量(liang)精✔️度。
0引言(yán)
　　渦輪流量(liàng)計 是一種(zhong)典型的速(sù)度式流量(liang)計,具有精(jing)度高、重複(fu)性好、結☀️構(gòu)簡單、在石(shi)油、化工、航(hang)空航天、電(dian)力等領域(yù)有🔅着及其(qí)重要的應(yīng)用中。爲解(jiě)決氣液兩(liang)相流量計(jì)量問題,文(wen)獻[2]設計了(le)一種雙渦(wo)輪質量流(liú)🌈量計;文獻(xiàn)[3]針對傳統(tǒng)渦輪流量(liang)計需鋪設(shè)電源線和(he)信号傳輸(shū)電纜,使用(yòng)不方😘便的(de)問題,設計(jì)了一種基(jī)🌈于ARM單片機(ji)的無線渦(wo)輪流量計(ji);文獻[4]采用(yong)3葉片長螺(luó)旋形結構(gou)設計了一(yi)種新型的(de)渦輪流量(liàng)計;文獻[5]研(yan)究了基于(yú)渦輪式氣(qi)體流量傳(chuan)感器的呼(hū)氣容量計(ji)算方法;文(wén)獻[6]研究了(le)渦輪流量(liang)計變粘度(dù)流量計算(suan)與校準方(fang)法;文獻[7]研(yán)究了一種(zhǒng)高壓氣體(tǐ)渦輪流量(liàng)計。這些研(yán)究推動了(le)渦輪流量(liang)計研究和(he)應用,随着(zhe)小流量計(ji)量精度要(yào)求的不斷(duàn)提高，小流(liu)量🌍渦輪流(liu)量計的流(liú)場特性等(děng)受到關注(zhù)。本文從小(xiǎo)流量渦輪(lún)流㊙️量計設(shè)計需求出(chū)發,通過建(jian)立小流量(liang)渦輪流🌈量(liang)計的數學(xué)模💋型、三維(wei)模型,仿真(zhen)分析小流(liú)量㊙️渦輪流(liu)量計的流(liú)場特性，研(yan)究其優化(hua)設計。
1渦輪(lun)流量傳感(gan)器工作原(yuán)理
　　渦輪流(liu)量計依靠(kao)流經管道(dào)的流體對(dui)置于管道(dao)内葉輪葉(ye)片的👣沖擊(ji)驅動葉輪(lun)轉動,如圖(tu)1所示，其核(hé)心結構包(bao)括殼體、前(qián)後導流架(jia)、葉輪、軸承(chéng)和磁鋼。其(qí)中殼體連(lián)♍接外部💋管(guǎn)道,固定内(nei)部結構部(bù)件,對進入(ru)殼♊體内的(de)流🥰體進行(hang)微整流;葉(ye)輪空心輪(lún)毂内裝磁(cí)鋼,兩端裝(zhuang)有軸承,與(yu)導流架.配(pei)合,保證葉(yè)輪穩定旋(xuán)轉,實現流(liu)量大✍️小的(de)計量。
 
2小流(liú)量渦輪流(liu)量計數學(xue)模型
　　流體(tǐ)流速流量(liàng)與葉輪角(jiao)速度成比(bǐ)例關系,通(tong)過對渦.輪(lún)💋葉片.上力(lì)矩的分析(xi),綜合小流(liú)量渦輪流(liu)量計的葉(ye)輪結構特(te)❤️性及其制(zhi)造工藝,依(yi)據動量矩(jǔ)定理得到(dao)葉輪運動(dòng)方程爲:
 
　　式(shì)(1)中,J爲葉輪(lun)轉動動量(liang);ɷ爲葉輪旋(xuan)轉角速度(du);Md爲葉輪驅(qu)動力矩,Mr,爲(wèi)葉片表面(miàn)粘性摩擦(ca)阻力矩;Mb爲(wèi)軸與軸🌏承(cheng)間的粘性(xìng)摩擦阻力(lì)矩👨‍❤️‍👨;Mh爲輪毂(gū)周面上粘(zhan)性摩擦阻(zǔ)力矩;Mw爲輪(lun)毂端面上(shang)的粘性摩(mo)擦阻力矩(jǔ);Mt爲葉片頂(ding)端與殼💋體(ti)間隙的💛粘(zhan)性摩擦阻(zǔ)力矩;Mm爲電(diàn)磁阻力矩(ju)和軸承上(shang)🈲摩擦阻力(li)矩之和。
式(shi)(1)中:
 
　　式(3)中ρ爲(wèi)流體密度(dù);Q爲流體體(tǐ)積流量;u1爲(wèi)流體的軸(zhou)向💛來流✌️速(su)度;u2爲💁流體(tǐ)流出時葉(ye)片速度;a1爲(wei)流體流人(rén)時與葉輪(lún)圓周方向(xiàng)的夾角;a2爲(wei)流體流出(chu)葉片與葉(yè)輪圓周切(qie)㊙️向的夾角(jiǎo);如圖2葉片(pian)入口和出(chu)口的速度(dù)平💰面圖所(suǒ)示。
　　當流量(liàng)恒定時,式(shì)(3)中ρ、Q、u1、a1爲已知(zhi)量,考慮到(dao)葉輪葉片(piàn)旋轉方向(xiàng)上流體進(jìn)出口線速(sù)度相同,記(jì)進出口線(xiàn)速度分别(bié)設爲Ur1和ur2,ur1=ur2=ur;記(ji)流體與❗葉(yè)輪葉片出(chu)入口的相(xiàng)對角速度(dù)分别爲ɷ1和(hé)ɷ2,則圓周運(yùn)動方向夾(jiá)角β2與葉片(piàn)與軸線結(jie)構夾角θ之(zhi)間有式(4)所(suǒ)示關系:
 
 
　　式(shi)(9)中,ɷh?爲輪毂(gu)處角速度(du);βw爲平均相(xiàng)對流速方(fang)向與葉輪(lun)軸線間✂️角(jiǎo)度;Ah爲葉片(pian)部分輪毂(gu)面積,R0爲葉(ye)輪所在殼(ke)體内徑,Rh爲(wèi)輪毂半徑(jìng)
輪毂周面(mian)粘性摩擦(ca)阻力矩Mhf爲(wèi):
 
3渦輪流量(liang)計三維流(liu)場仿真與(yu)優化設計(jì)
3.1葉輪三維(wei)模型建立(li)
　　基于上述(shu)分析可見(jiàn)，葉輪的運(yun)動特性主(zhu)要受其結(jie)構參數、流(liú)體粘性系(xi)數等影響(xiang)。爲分析小(xiao)流量渦輪(lun)💋結構💘的流(liu)場特♌性,設(shè)計參數如(ru)表1所示葉(yè)輪系統,借(jie)助UG軟件‼️建(jiàn)立其三維(wéi)仿真模型(xing);将該三維(wéi)模型導入(rù)🐆ANSYSWork-bench軟件中仿(páng)👌真。
 
　　考慮到(dào)葉輪的運(yùn)動性能是(shì)流量計量(liang)的核心,仿(pang)真中采用(yòng)小四面體(tǐ)網格。小尺(chǐ)寸窄表面(miàn)采用局部(bu)網格,渦輪(lun)旋轉區🏃‍♂️劃(huà)分的網格(gé)數約爲230萬(wàn),整個模型(xíng)劃分的網(wǎng)格總數爲(wèi)353萬。
3.2葉輪流(liu)場特性分(fen)析
3.2.1葉輪速(su)度場分析(xi)
　　分别取流(liú)量爲5.2184L/min、9.3761L/min、16.6981L/min對葉(yè)輪流場仿(pang)真分析,獲(huo)得上述流(liu)量🎯下🤟葉輪(lun)後導流架(jia)後端速度(dù)矢量圖(圖(tú)3(a),(b),(c)所示),可見(jian)流體與前(qián)導流☎️架前(qián)端碰撞産(chǎn)生低速區(qu)，靜壓力變(bian)大,且随流(liu)量增大而(ér)變大,壓力(lì)損失明顯(xiǎn);流體進入(rù)前導流架(jia)後,流速加(jiā)快,雷諾數(shù)增加,湍流(liu)強度變大(dà)。流體進入(ru)葉輪前，先(xiān)流經葉輪(lún)與前後導(dao)流架連接(jiē)🌐的槽,由于(yu)槽♻️内流速(su)低,此時流(liu)量的速度(dù)分布🌐不均(jun),且有強渦(wō)流産生。回(huí)流導葉尾(wei)端速度矢(shǐ)量圖如圖(tú)3(d)所示,流體(tǐ)在後導流(liú)架後端出(chu)現長尾流(liú),尾流長度(dù)随流量增(zēng)大而減小(xiao)。
 
 
3.2.2壓力場分(fèn)析
　　分析上(shàng)述三個不(bu)同流量時(shi)流道内壓(ya)力場,發現(xian)随着流量(liàng)增加,葉輪(lún)、導流架上(shang)遊面形成(cheng)的靜壓變(bian)高🍉,葉片🚶‍♀️上(shàng)遊面和葉(yè)片😄下遊🌐面(miàn)的壓力随(sui)着流量的(de)增加而減(jian)小(如圖4所(suǒ)示),可見,導(dao)流架端部(bù)的形狀、葉(ye)輪與導流(liu)架之間凹(ao)槽寬度、葉(ye)輪面積和(he)形狀對葉(yè)輪🌈穩定旋(xuan)轉均有明(míng)顯影響。
3.3結(jié)構優化設(shè)計
3.3.1導流架(jia)頭部結構(gou)設計
　　基于(yu)上述CFD仿真(zhēn)分析結果(guo),爲有效減(jiǎn)小葉輪壓(yā)力.損🈲失,将(jiāng)㊙️原導流架(jià)頭部的球(qiu)形分别設(she)計橢球型(xíng)和圓錐形(xíng),改進後的(de)導流架頭(tou)部尺寸如(rú)圖5所示。
 
3.3.2結(jié)構優化後(hou)葉輪三維(wei)流場特性(xìng)
　　基于上述(shù)結構,仿真(zhen)流量爲Q=5.2184L/min和(hé)Q=16.6981L/min時，不同導(dao)流架結構(gòu)下葉♋輪速(sù)度場,由.圖(tú)6可見,圓錐(zhui)形結構葉(ye)輪的高壓(ya)低速區面(miàn)積最小,其(qi)次是橢圓(yuán)形體,球形(xing)結構葉輪(lún)的高壓😘低(dī)速區面積(ji)最大,圓錐(zhui)形結構能(néng)夠有效減(jian)🏃少壓力損(sǔn)失,提高流(liú)量計的測(ce)量精度。在(zài)前導流架(jià)環狀流動(dòng)路徑中，圓(yuan)錐形流體(tǐ)的速度分(fèn)布最均勻(yún)的，橢圓體(ti)結構次之(zhī),球形結構(gòu)最差,圓錐(zhui)結構具有(yǒu)較好的整(zheng)㊙️流效果。
流(liu)量爲Q=5.2184L/min和Q=16.6981L/min時(shí),改進後導(dǎo)流架頭部(bù)形狀後端(duān)形成的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼尾(wěi)流如圖7所(suo)示。圓錐形(xing)結構尾流(liu)面積最小(xiao),橢球形較(jiao)小，球形結(jié)構尾流🔅面(miàn)積最大,三(san)種形狀的(de)尾流中均(jun)有渦流出(chu)現,圓錐形(xing)産生渦流(liu)最小,壓力(li)損失最小(xiǎo)。
4結論
　　本文(wén)從小流量(liàng)渦輪流量(liàng)計設計需(xu)求出發,通(tōng)過建🤟立♊小(xiǎo)流量渦輪(lun)流量計的(de)數學模型(xíng)、三維模型(xing),基于小流(liú)量渦輪流(liú)量計的流(liu)場特性,優(you)化改進了(le)其導流架(jià)結構,所得(dé)結論如下(xia):
(1)由于流體(ti)對前導流(liu)架沖擊,會(hui)導緻葉輪(lún)靜壓力變(bian)♉.大,流道面(miàn)積變小,流(liú)速增大,經(jing)前導流架(jia)進人葉輪(lún)旋轉區後(hòu)随葉輪旋(xuan)轉形成旋(xuán)流。
(2) 随着流(liú)量增加,葉(yè)輪、導流架(jia)上遊面形(xing)成的靜壓(ya)變高,葉片(piàn)上遊⛷️面和(he)葉片下遊(yóu)面的壓力(lì)随着流量(liang)的增加.而(ér)減小。
(3)圓錐(zhuī)形結構葉(yè)輪的高壓(ya)低速區面(mian)積最小，能(néng)夠有效🛀減(jiǎn)少壓力損(sun)失,提高流(liú)量計的測(ce)量精度。此(ci)外,在前導(dǎo)流架環狀(zhuàng)流動路徑(jìng)中,圓錐形(xíng)流體的速(sù)度分布最(zui)均勻的，較(jiao)橢圓體球(qiú)形導🌐流架(jià)結構,圓錐(zhuī)結構具有(yǒu)最好的整(zheng)流效果。

本(běn)文來源于(yu)網絡,如有(you)侵權聯系(xi)即删除！