[摘要]采(cai)用計算(suan)流體力(li)學(CFD)的方(fang)法對一(yī)口徑爲(wèi)80mm的氣體(ti)渦輪流(liu)量計 進(jin)行工況(kuang)條件的(de)數值模(mó)拟研究(jiū).通過計(ji)算,分析(xi)了流量(liàng)計在不(bú)同流量(liang)下,各部(bù)件包括(kuò)前整流(liú)器.前導(dǎo)流器、機(jī)芯殼體(tǐ)、葉輪支(zhī)座、葉輪(lún)和後.導(dao)流器對(duì)壓力🚶‍♀️損(sun)失的🛀影(yǐng)響,給出(chū)了各部(bu)件的流(liu)量與壓(yā)力損失(shi)的關系(xi)曲線🌈及(jí)其壓力(lì)損失比(bi)例.數值(zhi)模拟結(jié)果與實(shi)驗結果(guǒ)相符,進(jin)而從流(liu)道内的(de)壓力分(fèn)布和流(liú)場分析(xi)壓力損(sǔn)失原因(yīn)并提出(chū)減少壓(ya)力損失(shī)的改進(jìn)思路.
　　在(zài)天然氣(qì)的采集(jí)、處理、儲(chǔ)存、運輸(shū)和分配(pèi)過程中(zhōng),需🌏要數(shu)以百萬(wàn)計的流(liú)量計,它(ta)既是天(tiān)然氣供(gong)需雙方(fang)貿易結(jié)算的依(yī)據,也是(shi)生🐪産部(bu)門用氣(qi)效率的(de)主要技(jì)術指标(biao)，因此對(dui)流量計(ji)測量㊙️正(zhèng)确率和(hé)可靠性(xìng)有💜要求(qiú).
　　氣體渦(wo)輪流量(liàng)計屬于(yú)速度式(shi)流量計(ji),是應用(yòng)于燃氣(qi)貿易計(jì)量🏃‍♂️的三(sān)大流量(liàng)儀表之(zhi)一，由于(yu)具有重(zhong)複性好(hǎo)♌、量程範(fàn)圍寬、适(shì)🙇‍♀️應性強(qiang)、精度高(gāo)、對流量(liang)變化反(fǎn)應靈敏(min)✂️、輸出脈(mò)♍沖信号(hao)✏️、複現性(xing)好和體(ti)🏃🏻積小等(děng)特點，氣(qì)體渦輪(lún)流量計(jì)近年來(lai)已在石(shí)油、化工(gong)和天然(rán)氣等領(ling)域獲得(dé)👈廣泛的(de)應用👣”。
　　随(sui)着渦輪(lún)流量計(ji)在管道(dào)計量領(lǐng)域的廣(guǎng)泛使用(yong),天然氣(qì)管📞道輸(shū)送過程(chéng)中的能(neng)耗成爲(wèi)不容忽(hū)視的問(wen)題，而😘天(tian)然氣管(guǎn)道輸送(sòng)過程中(zhōng)的壓力(lì)損失是(shì)産生能(neng)源消耗(hao)的主要(yào)原因之(zhi)一.爲💰保(bao)證天然(rán)氣能順(shun)利輸送(song)至用戶(hù)端,就需(xu)要提高(gao)各壓氣(qì)站的輸(shu)送壓力(lì)🔆并盡量(liang)減少管(guǎn)道輸送(song)過✍️程中(zhong)的壓力(li)損失,而(er)各級🐇管(guan)道上的(de)計量流(liu)量計所(suo)造成的(de)壓力損(sun)失占🔱有(yǒu)很大比(bǐ)重，因此(ci),氣體渦(wō)輪流量(liàng)計的壓(yā)力損失(shi)研究對(duì)🏃🏻節能減(jian)排和推(tuī)動我國(guó)燃氣計(ji)量儀表(biǎo)産業的(de)發展具(ju)有較好(hao)的推動(dong)作用，
　　目(mù)前，渦輪(lun)流量計(ji)的優化(hua)主要通(tōng)過改良(liáng)其導流(liu)件、葉輪(lún)，軸承👨‍❤️‍👨、非(fēi)🏃🏻‍♂️磁電信(xìn)号檢出(chu)器等部(bu)件的結(jié)構尺寸(cùn)和加工(gōng)工藝，來(lái)改善流(liu)量計測(ce)量氣體(ti)、高粘度(du)流體⭐和(he)小流量(liàng)時的特(te)性.孫立(lì)軍[切對(dui)降低渦(wo)輪流量(liang)傳感器(qì)粘度變(bian)化敏感(gǎn)度進行(háng)了研究(jiū).SUN等0采用(yòng)了Standardke湍流(liú)模型數(shù)值模🈲拟(nǐ)口徑爲(wei)15mm的渦輪(lun)流量計(jì)的内部(bù)流動😍,結(jié)果表明(ming)壓力⛹🏻‍♀️損(sun)失受到(dao)前端和(he)後端形(xíng)狀、導流(liu)體♍半徑(jìng)、導流體(tǐ)的導流(liu)片和渦(wo)輪葉片(pian)厚度的(de)影響.劉(liu)正👣先和(hé)徐蓮環(huán)回雖🌈然(rán)對氣體(ti)渦輪流(liu)㊙️量計的(de)流動進(jin)行實驗(yan)🈲測量和(he)數值計(ji)算，發現(xian)前導流(liú)器的結(jié)構變化(hua)對後面(mian)各部件(jiàn)内的❤️氣(qi)體流動(dong)速度梯(ti)度和壓(ya)力恢複(fú)也有明(ming)顯影響(xiang),使總壓(ya)力損失(shi)進一步(bu)放大✔️或(huò)減小,但(dàn)對流量(liàng)計的其(qi)它部🙇🏻件(jiàn)未進行(háng)分析.本(ben)文将對(dui)一種型(xíng)号氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計各(gè)部件的(de)壓力損(sǔn)失與流(liu)量的關(guān)系進行(háng)分析研(yan)究，以提(tí)出其優(you)化思路(lu).
1渦輪流(liu)量計的(de)基本結(jie)構及工(gong)作原理(lǐ)
　　本文采(cǎi)用80mm口徑(jing)氣體渦(wō)輪流量(liang)計作爲(wei)研究對(duì)象,對💁其(qí)進行内(nèi)部流道(dào)的壓力(lì)損失數(shu)值模拟(ni).氣體渦(wo)輪流量(liang)計結構(gou)示🈲意圖(tú)📱如圖1.氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)實物如(ru)🚩圖2,其中(zhong)圖2(a)爲渦(wō)輪流量(liang)🍉計實物(wu)圖,圖2(b)爲(wei)🈚渦輪流(liu)量計機(jī)芯葉輪(lún)實物圖(tu).
 
　　氣體(ti)渦輪流(liú)量計的(de)原理是(shì),氣體流(liu)過流量(liang)計推動(dòng)渦輪葉(ye)片旋轉(zhuan),利用置(zhì)于流體(ti)中的葉(yè)輪的旋(xuán)轉角速(sù)度♈與流(liú)體流速(sù)成比例(lì)的關系(xì)，通過測(cè)量葉輪(lun)轉速來(lai)得到流(liu)體流速(sù)，進而得(de)到管道(dào)内的流(liú)量值[10].渦(wo)輪流量(liàng)計⛱️輸出(chū)的脈沖(chòng)頻率S與(yǔ)所測體(tǐ)積🔴;流量(liàng)qv成正比(bi)，即
 
　　式(2)中(zhong):J一葉輪(lun)的轉動(dòng)慣量;t一(yi)時間;ω一(yi)葉輪的(de)轉速;Tt一(yī)推動力(li)💞矩;Trm一機(ji)械摩擦(cā)阻力矩(ju);Ttf一流動(dong)阻力矩(ju);Tre一電磁(cí)阻力矩(jǔ).
2計算模(mó)型
2.1數學(xué)模型
　　設(shè)定渦輪(lun)流量計(jì)數值模(mó)拟的工(gong)作介質(zhì)爲空氣(qì).流動處(chù)于湍流(liu)流動，數(shu)值模拟(ni)湍流模(mo)型采用(yòng)RealizableK-e模型，該(gāi)模型适(shì)用于模(mo)拟計🛀算(suan)旋轉流(liu)動.強逆(ni)壓梯度(du)的邊界(jie)層流動(dòng)、流動分(fen)離和二(er)次流📱等(děng),其模🏃🏻型(xíng)方程表(biao)示爲11]1:

 
2.2流(liú)體區域(yu)網格劃(hua)分
　　使用(yong)Solidworks三維設(shè)計軟件(jiàn)依照實(shí)物尺寸(cùn)對渦輪(lún)流量計(ji)各部件(jiàn)進行🍓建(jian)模及組(zǔ)裝，簡化(hua)主軸、取(qu)壓孔和(hé)加油孔(kǒng)等對流(liu)體區城(cheng)影響較(jiao)小的部(bù)分，
　　先對(duì)機芯部(bu)分做布(bù)爾運算(suàn)得到純(chún)流體區(qū)域，然後(hou)🚶‍♀️對⭕葉輪(lun)外加包(bao)絡體形(xing)成旋轉(zhuan)區域，在(zài)機芯進(jìn)出口前(qián)後🈲均加(jiā)上15倍㊙️機(jī)芯口徑(jing)的直管(guan)段，以保(bao)證進出(chū)口流動(dong)爲充分(fèn)發展湍(tuān)流.
　　全部(bu)流體區(qū)域包括(kuò)前後直(zhi)管段、葉(ye)輪包絡(luo)體以及(ji)♌機芯👄部(bu)🏃分🤞的流(liú)體區域(yu).用Gambit軟件(jiàn)對三維(wei)模型進(jin)行網格(gé)劃⁉️分，對(dui)流體區(qu)域🔞中的(de)小面和(hé)尖角等(deng)難以生(sheng)成網格(ge)的🌂部分(fen)進行優(yōu)化和簡(jian)化處理(li)，流體區(qu)域使用(yòng)非結構(gou)化混合(hé)網格🐇，并(bìng)對機芯(xin)流道内(nei)葉💃輪等(děng)流動☂️情(qíng)況較複(fu)雜區域(yu)進行了(le)局部加(jiā)密，如圖(tu)3.其中圖(tu)3(a)爲機芯(xin)流體區(qu)域網格(ge)圖，圖3(b)爲(wei)葉輪網(wang)格圖,整(zhěng)體💰網格(ge)㊙️總數量(liang)約❤️230萬.
 
2.3數(shù)值模拟(nǐ)仿真條(tiáo)件設置(zhì)
　　數值計(ji)算時，爲(wei)方便模(mó)拟結果(guǒ)與實驗(yàn)結果的(de)對比,環(huán)境溫度(dù)、濕度和(hé)壓力設(shè)置與實(shí)驗工況(kuàng)相同,流(liu)體介質(zhi)選擇空(kōng)氣🈲,空氣(qì)㊙️的密♋度(du)ρ和動力(lì)粘度”根(gen)據Rasmussen提出(chū)的計算(suàn)♋規程拟(ni)合推導(dao)出的簡(jian)化公式(shì)(5)和(6)計算(suàn)獲得：
 
　　模(mó)型選擇(zé)Realizablek-e湍流模(mo)型，壓力(lì)插值選(xuan)擇Bodyforceweighted格式(shì),湍流動(dong)能、湍流(liu)⛱️耗散項(xiang)和動量(liang)方程均(jun1)采用二(er)階迎風(feng)格式離(li)⁉️散，壓力(li)與❗速度(du)的耦合(hé)采用SIMPLEC算(suan)法求解(jiě)，其餘設(she)置均采(cǎi)用Fluent默認(ren)值.
　　計算(suàn)區域管(guan)道人口(kou)采用速(su)度入口(kǒu)邊界條(tiáo)件，速度(du)方⭕向垂(chuí)直于人(rén)口直管(guan)段截面(miàn)，出口邊(bian)界條件(jian)采用壓(yā)力☎️出口(kou).葉輪包(bāo)絡體設(shè)置爲動(dong)流動區(qu)域,其餘(yú)爲靜流(liu)動區域(yu)，采🐅用interface邊(biān)界條件(jian)作爲分(fèn)界面，對(duì)于旋轉(zhuǎn)🚶部分和(hé)靜止部(bù)分之間(jian)的耦合(he)采用多(duo)重參考(kao)坐标模(mo)型(MRF).葉輪(lun)采用滑(hua)移邊界(jie)條件且(qie)相對于(yú)附近旋(xuán)轉流體(ti)區域速(sù)度爲零(ling).葉輪轉(zhuǎn)速是通(tong)過使用(yòng)FLUENT軟㊙️件中(zhong)的TurboTopol-ogy與TurboReport功(gong)能，不斷(duàn)調整葉(yè)輪轉速(sù)，觀察葉(yè)輪轉速(sù)是否達(da)到力矩(jǔ)平衡來(lái)确定的(de)。
3數值模(mo)拟結果(guǒ)分析
　　在(zai)流量計(jì)流量範(fan)圍内選(xuǎn)取了13m³/h、25m³/h.62.5m³/h.100m³/h,175m³/h、250m³/h這(zhè)6個流量(liàng)點進行(háng)同工況(kuang)環境數(shù)值模拟(nǐ)，得到氣(qì)體渦輪(lun)流量計(ji)的内部(bu)流場和(hé)壓🔞力分(fen)布等🈲數(shu)據😘.進口(kǒu)橫截面(mian)取于前(qian)整流器(qi)前10mm處📐，出(chū)口橫截(jié)面取💔于(yú)後導🌐流(liu)體後10mm處(chu).計算渦(wo)輪流量(liàng)計進出(chū)口橫截(jie)面上的(de)壓力差(cha)，即得到(dao)流量計(ji)的壓力(li)損失。
 
　　圖(tu)4爲流量(liang)與壓力(lì)損失之(zhī)間的關(guān)系曲線(xian),圖中實(shi)驗值🌐是(shì)在工況(kuàng)🛀🏻條件下(xià)使用音(yin)速噴嘴(zuǐ)法氣體(ti)流量标(biāo)準裝❤️置(zhì)測得.
　　根(gen)據圖4中(zhong)壓力損(sun)失随流(liú)量的變(bian)化趨勢(shì)，可以将(jiāng)流量與(yu)壓力損(sun)失之間(jian)的關系(xi)拟合曲(qu)線爲二(er)次多項(xiàng)式,其表(biǎo)達式爲(wei)
 
　　這與流(liú)量計的(de)壓力損(sun)失計算(suàn)公式(8)趨(qu)勢相符(fu),均爲二(èr)🔞次函🔞數(shu)，且數值(zhi)模拟結(jié)果與實(shi)驗結果(guo)吻合得(dé)較好，說(shuo)明渦輪(lun)流量計(jì)的内部(bu)流場數(shu)值模拟(nǐ)方法及(ji)結果是(shì)可行且(qiě)可靠的(de).流量計(ji)的壓力(lì)損失計(jì)算公式(shì)爲。
 
式(8)中(zhōng):△P----壓力損(sǔn)失;α壓力(li)損失系(xi)數;υ----管道(dào)平均流(liú)速.
　　以流(liu)量Q=250m³/h的數(shu)值模拟(nǐ)計算結(jié)果爲例(lì)進行渦(wo)輪流量(liàng)計内部(bù)流場及(jí)壓力場(chang)的分析(xī).圖5爲渦(wō)輪流量(liàng)計軸向(xiang)剖面靜(jing)壓分布(bu)圖.前導(dao)⛱️流器前(qian)後的壓(ya)力場分(fèn)布較均(jun)勻且壓(ya)力⚽梯度(du)較小，在(zài)機💰芯殼(ké)體與葉(ye)輪支座(zuò)🧡連接凸(tu)台處壓(ya)力有所(suǒ)增加,連(lian)✌️接面後(hòu)壓力又(you)逐漸減(jian)小.故認(ren)爲流體(tǐ)流經葉(yè)👉輪支座(zuò)産生壓(ya)力損失(shi)的主要(yào)原因是(shì)🧡連接處(chu)存在凸(tu)台,導緻(zhì)流場出(chū)現較大(da)變化，不(bú)能平滑(huá)過渡,建(jiàn)議将葉(ye)輪支座(zuò)與機芯(xin)殼體的(de)連接改(gǎi)爲圓弧(hu)線✂️型或(huò)流線型(xíng).
　　觀察圖(tu)5和圖6,當(dang)流體流(liú)經葉輪(lun)從後導(dǎo)流器流(liu)出渦輪(lun)流量計(jì)🛀🏻時,壓力(li)梯度變(bian)化明顯(xiǎn)，存在負(fu)壓區域(yu)并造成(chéng)很大的(de)壓降，在(zài)後導流(liu)器凸台(tái)及流量(liang)計出口(kou)處速度(dù)變化明(míng)顯，由于(yu)氣流通(tong)過後導(dao)流器後(hou)流道突(tu)擴,在後(hou)導流器(qì)背☁️面形(xíng)成明顯(xian)的低速(su)渦區，産(chan)生漩渦(wō)二次流(liu)。
 
　　結合圖(tú)7、圖8流量(liàng)計軸向(xiàng)剖面和(hé)出口橫(heng)截面的(de)總壓及(ji)速度分(fen)布圖,其(qi)速度分(fen)布與壓(ya)力分布(bù)相似,流(liú)量計流(liú)道内速(su)度分布(bù)較均勻(yun)的區域(yu)其壓力(li)梯度變(biàn)化也較(jiào)小，即流(liu)道内速(sù)度的分(fen)布和變(biàn)化與壓(ya)力損失(shī)大小相(xiang)關.由流(liú)量計軸(zhou)向剖面(miàn)和出口(kou)橫截面(mian)的速度(du)及壓力(li)分布圖(tu)可以看(kan)出,流量(liàng)計♊後導(dǎo)流器處(chu)産生的(de)漩渦二(er)次流影(ying)響了出(chu)💋口橫截(jie)面處的(de)速度及(ji)壓力分(fèn)布,流體(tǐ)呈螺旋(xuan)狀流動(dong),故出口(kǒu)處速度(dù)及壓力(lì)較大區(qū)域均偏(pian)移向流(liu)體旋轉(zhuǎn)方向。
 
　　流(liú)量計各(gè)部件的(de)壓力損(sǔn)失随流(liú)量變化(hua)的趨勢(shi)與流量(liàng)計總壓(yā)力損失(shī)随流量(liàng)的變化(huà)趨勢相(xiàng)同,其拟(nǐ)合公式(shi)爲✌️系數(shu)不同的(de)二次多(duo)項式，各(gè)部件的(de)壓力損(sun)失與流(liú)量呈二(er)次函數(shù)關系，随(suí)着流☔量(liang)的增加(jia)，壓力損(sǔn)失顯著(zhe)增加.
 
　　觀(guān)察圖10各(gè)部件壓(ya)力損失(shī)百分比(bi)圖，可見(jiàn)前整流(liu)器、前🔞導(dǎo)流器✂️和(he)機芯殼(ke)體處的(de)壓力損(sun)失很小(xiao)，葉輪支(zhī)座處壓(yā)力損失(shī)約占總(zong)壓力損(sun)失的1/4.前(qián)整流器(qi)所占壓(ya)力損失(shi)比例✂️在(zai)各流量(liàng)點基本(ben)保持不(bu)變,前導(dao)流器和(hé)機芯殼(ke)體處的(de)壓力損(sun)失随流(liú)量的增(zeng)加其比(bǐ)例略有(you)降低,葉(ye)輪支座(zuò)處🐆壓力(lì)損失随(suí)🌈流量的(de)增加其(qí)比例略(luè)有增加(jiā),但總體(tǐ)上受流(liú)量影響(xiang)不大✌️.葉(ye)輪✉️處的(de)壓力損(sun)失随流(liú)量從🌈13m³/h增(zēng)加至250m³/h,其(qi)🌈比例從(cong)15.88%降至8.71%,降(jiàng)幅明顯(xian).後導流(liú)器處的(de)壓力損(sun)失占總(zǒng)壓力損(sun)失的大(da)半,随着(zhe)💜流量從(cóng)13m³/h增加至(zhì)250m³/h其壓力(li)損失比(bi)例由43.77%升(shēng)至♻️55.83%,增幅(fú)明顯.總(zǒng)之,後💁導(dǎo)流器🆚、葉(yè)輪支座(zuo)和葉輪(lun)是流體(tǐ)流經渦(wo)輪流量(liàng)計産生(shēng)壓力損(sǔn)失的主(zhǔ)要影響(xiang)部件♉,可(ke)通過優(you)化其結(jié)構以降(jiàng)💰低渦輪(lún)流量計(jì)的總壓(ya)力損失(shi).
4結語
　　本(ben)文采用(yong)Fluent軟件對(duì)一口徑(jìng)爲80mm的渦(wo)輪流量(liàng)計内部(bù)進行了(le)數值模(mo)拟計算(suàn),分析内(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chang)及各部(bù)㊙️件産☎️生(shēng)的壓力(li)損失,得(dé)出以下(xià)結論:
1)漩(xuán)渦二次(cì)流是産(chan)生能量(liàng)消耗的(de)主要原(yuán)因,故建(jian)議對💋渦(wo)輪流量(liàng)🏃🏻‍♂️計葉輪(lun)支座及(jí)後導流(liú)器進行(hang)幾.何參(can)數的優(you)化,将其(qí)凸台邊(bian)緣改爲(wèi)流線型(xing)以減少(shǎo)流道突(tū)擴的🎯影(ying)響.減少(shao)後導🈲流(liú)器葉片(pian)厚度并(bìng)增加其(qi)長度及(jí)數量以(yi)減弱氣(qì)體螺旋(xuan)狀流動(dong),減弱漩(xuan)渦二次(cì)流,達到(dao)降低流(liu)量計壓(ya)力🙇🏻損失(shī)的目的(de)👉.
2)分析各(gè)部件對(duì)壓力損(sǔn)失的影(yǐng)響,其壓(yā)力損失(shī)與流量(liang)成二次(ci)函數關(guān)系.後導(dao)流器相(xiang)對于其(qí)他部件(jian)是壓力(lì)🌈損失㊙️的(de)主🔞要因(yīn)素,約占(zhàn)總壓力(lì)損失的(de)一半,随(sui)着流量(liang)的增加(jiā)其壓力(li)損失占(zhan)總壓力(li)損失的(de)比例上(shang)升了12.15%.葉(ye)輪支座(zuò)的壓力(lì)損失約(yuē)占總壓(yā)✌️力損失(shi)的🎯1/4,其壓(yā)力損失(shī)比例随(suí)流量的(de)增加基(ji)本不變(bian).随着流(liú)量的增(zeng)加葉輪(lún)産生的(de)壓力損(sun)失比例(li)降幅明(míng)💚顯.
　　通過(guò)數值模(mo)拟分析(xī)得出速(sù)度的分(fèn)布和變(bian)化與壓(yā)力損🍉失(shi)大小相(xiàng)關,通過(guò)優化流(liu)量計流(liú)道内的(de)速度分(fèn)布可降(jiàng)低流量(liàng)計的壓(yā)力損失(shi),後續相(xiang)關的渦(wō)輪😄流量(liang)計優化(hua)研💁究可(kě)從優化(hua)其流道(dao)内速度(dù)分布人(ren)手.

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