在天然(ran)氣的采(cai)集、處理(li)、儲存、運(yun)輸和分(fèn)配過程(chéng)中，需要(yao)數以百(bai)萬計的(de)流量計(ji)，它既是(shi)天然氣(qì)供需雙(shuāng)方貿易(yì)結算的(de)依據，也(yě)是生産(chan)部門用(yong)氣效率(lǜ)的主要(yao)技術指(zhi)标，因此(cǐ)對流量(liàng)㊙️計測量(liang)準确度(dù)和可靠(kao)性有很(hen)高的要(yào)求。 氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計 屬(shu)于速度(du)式流量(liàng)計，是應(yīng)用于燃(rán)氣貿易(yi)計量的(de)三大流(liu)🏃🏻量儀表(biao)之一。由(yóu)于具有(yǒu)重複性(xìng)好、量程(cheng)範圍寬(kuān)、适應性(xìng)強、精度(dù)高、對流(liu)量變化(hua)反應靈(ling)敏、輸出(chu)脈沖信(xìn)号、複現(xian)性好和(hé)體積小(xiǎo)等特點(diǎn)，氣體渦(wō)輪流量(liàng)計近年(nián)來已在(zài)石油、化(hua)工和天(tiān)然氣等(deng)領域獲(huo)得廣泛(fan)的應用(yong)。
   随着 渦(wo)輪流量(liàng)計 在管(guan)道計量(liàng)領域的(de)廣泛使(shi)用，天然(rán)氣管道(dào)輸送過(guo)🔴程中的(de)能耗成(chéng)爲不容(rong)忽視的(de)問題，而(er)天然氣(qi)管道輸(shu)送🥰過程(chéng)中的壓(ya)力損失(shi)是産生(shēng)能源消(xiao)耗的主(zhu)要原因(yin)之一。爲(wèi)保證天(tian)然🔴氣能(néng)順利輸(shū)送⭕至用(yong)戶端，就(jiu)需要提(ti)高各壓(ya)氣站的(de)輸送壓(ya)力并盡(jìn)量📞減少(shao)管道輸(shū)送過程(chéng)中的壓(ya)力損失(shī)，而各級(jí)管道上(shàng)的計量(liang)流📐量計(jì)所造成(chéng)的壓力(li)損失占(zhàn)有很大(dà)比重。因(yīn)此，氣體(tǐ)渦輪流(liu)量計的(de)壓力損(sun)失🔞研究(jiu)對節能(neng)減排和(hé)推動我(wǒ)國燃氣(qi)計量儀(yí)表🌂産業(ye)的發展(zhan)具有較(jiào)好的推(tuī)動作用(yong)。
   近年來(lai)，越來越(yuè)多的學(xué)者采用(yong)數值模(mo)拟仿真(zhēn)方法對(duì)渦輪流(liu)量計進(jìn)行研究(jiū)，如XU、LIU、 等學(xue)者均通(tong)過數值(zhí)計算形(xíng)式模拟(nǐ)流量計(jì)内部流(liú)動，并與(yǔ)實驗比(bǐ)較驗證(zhèng)🏃🏻‍♂️了模拟(nǐ)結果的(de)👄正确性(xing)。應用S－A、标(biāo)準k－ε、RNGk－ε、Realizable　k－ε和标(biao)準k－ω這5種(zhǒng)湍流模(mó)型對渦(wo)輪流量(liàng)計進行(hang)三維數(shu)值模拟(ni)，并将應(yīng)用各湍(tuān)流模型(xíng)得出的(de)仿真儀(yi)表系數(shù)與實流(liú)标定值(zhí)進行對(duì)比和分(fèn)析，這對(dui)數值模(mo)拟計算(suan)選取湍(tuan)流模型(xíng)給出了(le)🏃🏻‍♂️一定參(cān)考。
   目前(qian)，渦輪流(liú)量計的(de)優化主(zhu)要通過(guò)改良其(qí)導流件(jian)、葉輪、軸(zhou)承、非磁(ci)電信号(hào)檢出器(qì)等部件(jiàn)的結構(gòu)尺寸和(he)加工工(gōng)藝，來改(gai)善流量(liang)計測量(liàng)氣體、高(gāo)粘度流(liu)體和小(xiao)流量時(shi)的特性(xìng)。對降低(di)渦💃🏻輪流(liú)量傳感(gan)器粘度(dù)變化敏(mǐn)感度進(jin)行了研(yán)究。SUN等采(cai)用了Standard　k－ε湍(tuan)流模型(xíng)數值模(mo)拟口徑(jing)爲15mm的渦(wo)輪流量(liàng)👉計的内(nei)部流動(dòng)，結果表(biǎo)明壓力(lì)損失受(shòu)到前端(duan)和後端(duan)形狀、導(dǎo)流體半(ban)徑🚶、導流(liú)體的導(dao)流片和(hé)渦輪葉(ye)片厚度(dù)的影響(xiang).雖然對(dui)氣體渦(wo)㊙️輪流量(liàng)計的流(liú)動進行(hang)實驗測(cè)量和數(shu)值計算(suan)，發現前(qián)導流器(qì)的結構(gou)變化對(dui)後面各(ge)部件内(nèi)的氣體(ti)流動速(su)度梯度(du)和壓力(li)恢複也(yě)有明顯(xiǎn)影響，使(shǐ)總壓💋力(li)損失進(jin)一🔱步放(fàng)大或減(jian)小，但對(dui)流量計(ji)的其它(tā)部件未(wèi)🐅進行分(fen)析。本文(wén)将對一(yī)種型号(hào)氣體渦(wo)輪流量(liàng)計各部(bù)件的壓(yā)力損失(shī)與流量(liang)的關系(xi)進📧行分(fen)析研究(jiū)，以提出(chū)其優化(huà)思🈲路。
1 渦(wō)輪流量(liàng)計的基(jī)本結構(gòu)及工作(zuo)原理
   本(ben)文采用(yong)80mm口徑氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)作爲研(yán)究對象(xiang)，對其進(jin)✏️行内部(bu)流道的(de)壓力損(sǔn)失數值(zhí)模拟。
   氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)結構示(shì)意圖如(rú)圖1。氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計實(shí)物如圖(tu)2，其中圖(tu)2（a）爲渦輪(lún)流量計(jì)實物圖(tu)，圖2（b）爲渦(wo)輪流🛀量(liang)計機芯(xin)葉輪實(shi)物🔞圖。


   氣(qi)體渦輪(lun)流量計(jì)的原理(li)是，氣體(ti)流過流(liú)量計推(tui)動渦輪(lun)葉片旋(xuan)轉，利用(yòng)置于流(liú)體中的(de)葉輪的(de)旋轉角(jiǎo)速度與(yu)流☔體流(liú)速成比(bǐ)例的關(guān)系，通過(guò)測量葉(ye)輪轉速(sù)來得到(dao)流體㊙️流(liú)速，進而(er)得到管(guan)道内的(de)流量值(zhí)。渦輪流(liu)量計輸(shu)出的脈(mò)沖頻率(lü)f與所測(cè)體積流(liú)量qv成正(zheng)比，即

式(shì)（1）中：k—流量(liàng)計的儀(yi)表系數(shù)。
根據運(yun)動定律(lü)可以寫(xiě)出葉輪(lun)的運動(dòng)方程爲(wei)

式（2）中：J—葉(ye)輪的轉(zhuǎn)動慣量(liàng)；t—時間；ω—葉(yè)輪的轉(zhuan)速；Tr—推動(dong)力矩；Trm—機(jī)械摩擦(ca)阻力矩(jǔ)；Trf—流動阻(zǔ)力矩；Tre—電(diàn)磁阻力(li)矩。
2 計算(suan)模型
2.1 數(shu)學模型(xíng)
   設定渦(wo)輪流量(liang)計數值(zhi)模拟的(de)工作介(jiè)質爲空(kong)氣，流動(dong)處⭐于♌湍(tuān)流流動(dong)，數值模(mó)拟湍流(liú)模型采(cǎi)用Realizable K－ε模型(xíng)，該模型(xing)适用☂️于(yú)模拟計(jì)算旋👌轉(zhuan)流動、強(qiang)逆壓梯(tī)度的邊(bian)界層流(liú)動、流動(dòng)分離和(he)二次流(liú)等，其模(mo)型方程(cheng)表示❤️爲(wèi)：
——各向流(liú)速平均(jun1)值；a—聲速(su)；μ—動力粘(zhan)性系數(shù)；υ—運動粘(zhān)性系數(shu)；K—湍流動(dong)能；ε—湍流(liu)耗散率(lǜ)；βT—膨脹系(xì)數；ωk—角速(su)度； —時均(jun1)轉動速(sù)率張量(liang)；如不考(kǎo)慮浮📞力(lì)影響Gb＝0，如(rú)流動不(bu)可壓縮(suo)， ＝0，YM＝0。
2.2 流體區(qu)域網格(gé)劃分
   使(shi)用Solidworks三維(wéi)設計軟(ruan)件依照(zhao)實物尺(chi)寸對渦(wō)輪流量(liàng)計各部(bu)🔴件進行(háng)建模及(ji)組裝，簡(jiǎn)化主軸(zhóu)、取壓孔(kong)和加油(yóu)孔等對(dui)流體區(qu)域影響(xiǎng)較小的(de)部分。
   先(xiān)對機芯(xin)部分做(zuò)布爾運(yun)算得到(dào)純流體(tǐ)區域，然(ran)後對葉(yè)輪外加(jia)包絡體(tǐ)形成旋(xuán)轉區域(yù)，在機芯(xin)進出口(kǒu)前後❄️均(jun)加上15倍(bei)機芯口(kǒu)徑的直(zhi)管段，以(yi)保證進(jin)出口流(liú)動爲充(chōng)分發㊙️展(zhan)湍流。
   全(quan)部流體(ti)區域包(bao)括前後(hòu)直管段(duan)、葉輪包(bao)絡體以(yi)及機芯(xīn)部分⁉️的(de)㊙️流體區(qu)域。用Gambit軟(ruǎn)件對三(sān)維模型(xíng)進行網(wang)格劃分(fen)，對流體(ti)♋區域♌中(zhōng)的小面(mian)和尖角(jiǎo)等難以(yǐ)生成網(wǎng)格的部(bu)分進行(háng)優化和(he)簡化處(chu)理，流體(ti)區域使(shi)用非結(jie)構化混(hun)合網格(gé)，并對機(ji)芯🈚流道(dào)内葉輪(lun)等流動(dòng)情況較(jiao)複雜區(qu)域進行(háng)了局部(bù)加密，如(rú)✨圖3。其中(zhōng)圖3（a）爲🔆機(ji)芯流體(ti)區域網(wang)格圖，圖(tu)3（b）爲葉輪(lun)網格圖(tú)，整體網(wang)格總數(shù)量約230萬(wan)。

2.3 數值模(mó)拟仿真(zhen)條件設(shè)置
   數值(zhí)計算時(shi)，爲方便(bian)模拟結(jie)果與實(shi)驗結果(guo)的對比(bi)，環境溫(wen)度、濕度(dù)和壓力(lì)設置與(yǔ)實驗工(gōng)況相同(tóng)，流體介(jie)質選擇(zé)空氣♉，空(kong)氣㊙️的密(mi)度ρ和動(dòng)力粘度(dù)η根據Rasmussen提(ti)出的計(ji)算規程(cheng)拟合推(tui)導出的(de)簡化公(gōng)式（5）和（6）計(jì)算獲得(dé)❌：
式（5）（6）中：T—溫(wēn)度；P—壓力(li)；H—濕度。
   求(qiu)解器采(cai)用分離(lí)、隐式、穩(wen)态計算(suan)方法，湍(tuān)流模型(xíng)選擇Realizable　k－ε湍(tuān)💋流模型(xing)，壓力插(chā)值選擇(ze)Body force weighted格式，湍(tuan)流動能(neng)、湍流耗(hao)散項和(he)動量方(fāng)程均采(cai)用🐪二階(jiē)迎風格(gé)式離散(sàn)，壓力💃與(yu)速度的(de)耦合采(cǎi)用SIMPLEC算法(fa)求解，其(qi)餘設置(zhì)均采用(yong)Fluent默認值(zhí)。
   計算區(qū)域管道(dào)入口采(cǎi)用速度(dù)入口邊(bian)界條件(jiàn)，速度方(fāng)向垂直(zhi)于入口(kǒu)直管段(duan)截面.出(chu)口邊界(jiè)條件采(cǎi)用壓力(lì)出口。葉(ye)輪👄包絡(luò)體設💘置(zhì)爲動流(liu)動區域(yu)，其餘爲(wèi)靜流動(dòng)區域，采(cai)用interface邊界(jie)條件作(zuo)爲分界(jiè)面，對于(yú)旋轉部(bù)分和靜(jìng)止部分(fèn)之間的(de)耦合采(cǎi)用多重(zhong)參考坐(zuò)标模型(xíng)（MRF）。葉輪采(cai)用滑移(yí)邊界條(tiao)件且相(xiang)對✏️于附(fu)近旋轉(zhuǎn)🍉流體區(qū)域速度(du)爲零。葉(ye)輪轉速(su)是通過(guo)使用FLUENT軟(ruǎn)件中的(de)TurboTopol－ogy與Turbo　Report功能(neng)🌐，不斷調(diào)整葉輪(lún)轉速，觀(guān)察葉輪(lun)轉速是(shì)否達💜到(dao)力矩平(píng)衡來确(què)定的。
3 數(shù)值模拟(ni)結果分(fèn)析
   在流(liu)量計流(liu)量範圍(wéi)内選取(qǔ)了13m3/h、25m3/h、62.5m3/h、100m3/h、175m3/h、250m3/h這6個(gè)流量點(diǎn)進行同(tóng)工況環(huan)境數👈值(zhi)模拟，得(de)到氣體(tǐ)渦輪流(liú)量計的(de)内部流(liu)場和壓(yā)力分布(bu)等🌈數據(ju)。進口橫(heng)截面取(qǔ)于前整(zheng)流器前(qián)10mm處，出口(kǒu)橫截面(mian)取于後(hou)導流體(ti)後10mm處。計(jì)算渦輪(lún)☔流量計(jì)進出口(kou)橫截☁️面(miàn)上的壓(ya)力差，即(ji)得🚶到流(liú)量計的(de)壓力損(sǔn)失☁️。
圖4爲(wèi)流量與(yǔ)壓力損(sǔn)失之間(jian)的關系(xì)曲線，圖(tu)中實驗(yàn)值是🔆在(zài)⚽工況條(tiao)件下使(shi)用音速(sù)噴嘴法(fa)氣體流(liú)量标準(zhǔn)裝置測(ce)得。

   根據(ju)圖4中壓(yā)力損失(shi)随流量(liàng)的變化(huà)趨勢，可(kě)以将流(liu)🏃‍♂️量🙇🏻與壓(ya)力損🏃‍♂️失(shī)之間的(de)關系拟(nǐ)合曲線(xian)爲二次(cì)多項式(shi)，其表達(dá)🏃‍♀️式爲

   這(zhè)與流量(liang)計的壓(yā)力損失(shi)計算公(gong)式（8）趨勢(shì)相符，均(jun)爲二次(cì)函數，且(qie)數值模(mo)拟結果(guo)與實驗(yàn)結果吻(wěn)合得較(jiao)好，說⁉️明(ming)渦輪流(liu)量計的(de)内部流(liu)場數值(zhí)模拟方(fang)法及✨結(jie)果是可(ke)行且可(ke)靠的。流(liú)量計的(de)壓力🏃損(sun)失計算(suàn)公式爲(wei)

式（8）中：ΔP—壓(yā)力損失(shi)；α—壓力損(sǔn)失系數(shu)；υ—管道平(píng)均流速(su)。
   以流量(liàng)Q＝250m3/h的數值(zhi)模拟計(jì)算結果(guǒ)爲例進(jin)行渦輪(lún)流量計(ji)内部流(liu)場⛱️及壓(yā)力場的(de)分析.圖(tú)5爲渦輪(lun)流量計(ji)軸⁉️向剖(pou)面靜壓(yā)分布圖(tu).前導流(liú)器前後(hou)的壓力(li)場分布(bu)♈較均勻(yún)且壓力(lì)梯度較(jiao)小，在機(jī)芯殼體(ti)與葉輪(lún)支座連(lián)接凸台(tái)處壓力(lì)有所增(zeng)加，連接(jiē)面後壓(ya)力又逐(zhú)漸減小(xiao).故認爲(wei)流體流(liú)經葉輪(lún)支座産(chan)生壓力(lì)損失的(de)主要原(yuán)因是連(lian)⚽接處存(cun)在凸台(tái)，導緻流(liú)場出現(xiàn)較大變(bian)化，不能(neng)平滑過(guo)㊙️渡，建議(yì)将葉輪(lun)支座與(yu)機芯殼(ke)體的❄️連(lián)接改爲(wèi)圓弧線(xiàn)型或流(liu)線型。
   觀(guan)察圖5和(he)圖6，當流(liú)體流經(jing)葉輪從(cóng)後導流(liu)器流出(chu)渦輪流(liú)量計☀️時(shi)♊，壓力梯(ti)度變化(huà)明顯，存(cún)在負壓(ya)區域并(bìng)造成很(hěn)大的壓(yā)😍降，在後(hou)導流器(qi)凸台及(jí)流量計(jì)出口處(chu)速度變(bian)化明顯(xiǎn)，由于氣(qì)流通🙇‍♀️過(guò)後導流(liú)器後流(liu)道突擴(kuò)，在後💋導(dǎo)流器背(bèi)面形成(cheng)明顯的(de)低速渦(wō)區，産生(sheng)了漩渦(wō)二次流(liú)。

   結合圖(tu)7、圖8流量(liang)計軸向(xiang)剖面和(he)出口橫(héng)截面的(de)總壓及(jí)速度分(fen)🥵布圖，其(qí)速度分(fèn)布與壓(ya)力分布(bu)相似，流(liú)量計流(liu)♉道内❗速(sù)度分布(bù)較均勻(yun)的區域(yù)其壓力(lì)梯度變(biàn)化也較(jiao)小，即流(liú)✌️道内速(sù)度的分(fèn)㊙️布和變(bian)化與壓(yā)力損失(shi)大小相(xiang)關。由流(liu)量🆚計軸(zhou)向剖面(mian)和出口(kǒu)橫截面(miàn)的速度(du)及壓力(li)分布圖(tu)可以看(kan)出，流量(liang)計後導(dao)流器處(chu)☎️産生的(de)漩渦二(er)次流影(yǐng)響了出(chu)🈲口橫截(jié)面處的(de)速度及(jí)壓力分(fèn)布


   流量(liàng)計各部(bù)件的壓(yā)力損失(shī)随流量(liàng)變化的(de)趨勢與(yu)流量計(ji)總壓力(lì)損失随(sui)流量的(de)變化趨(qu)勢相同(tóng)，其拟合(hé)公式爲(wei)⁉️系數不(bu)同的二(èr)次多項(xiàng)式。各部(bu)件的壓(ya)力損失(shī)與流量(liang)呈二次(ci)函數關(guān)系，随着(zhe)流量的(de)增加，壓(yā)🥰力損失(shi)顯著增(zēng)加。

   觀察(chá)圖10各部(bu)件壓力(li)損失百(bai)分比圖(tu)，可見前(qian)整流器(qì)、前導流(liú)器和機(jī)芯殼體(ti)處的壓(ya)力損失(shi)很小，葉(ye)輪支🌐座(zuò)處壓力(li)損失🌐約(yuē)占總壓(ya)力損失(shī)的1/4。前整(zheng)流器所(suo)占壓力(lì)損失比(bǐ)例✔️在各(gè)流量點(diǎn)基本保(bǎo)持不變(biàn)，前導流(liú)器和機(ji)芯殼體(tǐ)處的壓(yā)力損失(shi)随流量(liàng)的增加(jiā)其比例(lì)略有降(jiàng)低，葉輪(lun)支座處(chu)壓力損(sǔn)失随流(liu)量的增(zeng)加☎️其比(bǐ)例略有(yǒu)增加，但(dàn)總體上(shàng)受流量(liang)影響不(bu)大📞。葉輪(lún)處的壓(ya)力損失(shi)随流量(liàng)從13m3/h增加(jia)至250m3/h，其比(bi)例從15.88%降(jiàng)至8.71%，降㊙️幅(fú)明顯.後(hòu)導流器(qì)處的壓(yā)力損失(shī)占總壓(yā)力損失(shi)的大半(ban)，随着🤞流(liu)量從13m3/h增(zēng)加至250m3/h其(qí)壓力損(sǔn)失比例(li)由43.77%升至(zhi)🔅55.83%，增幅明(ming)顯。總之(zhi)，後導流(liu)器😄、葉輪(lun)支座和(hé)葉🧡輪是(shì)流體流(liu)經渦輪(lun)流量計(jì)産生壓(yā)力損失(shi)的主要(yao)影響部(bù)件㊙️，可通(tōng)過優化(hua)其結構(gou)以降🌈低(di)渦輪😄流(liú)量計的(de)總壓力(lì)損失。

4 結(jie)語
   本文(wén)采用Fluent軟(ruǎn)件對一(yī)口徑爲(wèi)80mm的渦輪(lun)流量計(jì)内部進(jìn)行🛀了數(shu)值模♻️拟(nǐ)計算，分(fen)析内部(bù)流場、壓(yā)力場及(jí)各部件(jian)産💜生的(de)壓力損(sun)失，得出(chu)以下結(jie)論：
1）漩渦(wo)二次流(liú)是産生(sheng)能量消(xiāo)耗的主(zhu)要原因(yin)，故建議(yi)對渦輪(lún)🐇流量計(jì)葉輪支(zhī)座及後(hòu)導流器(qì)進行幾(jǐ)何參👈數(shu)的優化(huà)，将其凸(tū)台邊緣(yuán)改爲流(liú)線型以(yǐ)減少。流(liú)道突擴(kuo)的影響(xiang)，減‼️少後(hòu)導流器(qi)葉片厚(hou)度并增(zēng)加其長(zhang)度及數(shu)量以減(jian)弱氣體(ti)螺旋狀(zhuang)流動，減(jiǎn)弱漩渦(wo)二次📐流(liu)，達到降(jiang)低流量(liang)計壓力(lì)損失的(de)目的✂️。
2）分(fen)析各部(bu)件對壓(ya)力損失(shī)的影響(xiang)，其壓力(li)損失與(yǔ)流量成(cheng)二次函(hán)數關系(xi)。後導流(liú)器相對(dui)于其他(ta)部件是(shi)壓力損(sǔn)失的主(zhǔ)要因素(sù)，約占總(zong)壓力損(sun)失的一(yī)半，随🍓着(zhe)流量的(de)增加其(qí)壓力🙇‍♀️損(sǔn)失占🈚總(zǒng)壓力損(sun)失的比(bǐ)例上升(sheng)了12.15%。葉輪(lún)支座的(de)壓力損(sun)失約占(zhan)總壓力(li)損失的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼1/4，其壓力(li)損失比(bi)例随流(liú)量的增(zeng)加基本(běn)不變。随(sui)着流量(liàng)的增加(jia)葉✊輪産(chan)生的壓(yā)力損失(shī)比例降(jiàng)幅明顯(xian)。
通過數(shù)值模拟(ni)分析得(dé)出速度(dù)的分布(bu)和變化(hua)與壓🈲力(li)損失🔅大(dà)小✔️相關(guan)，通過優(you)化流量(liang)計流道(dao)内的速(sù)度分布(bù)可降低(di)流量計(ji)🐪的壓✏️力(lì)損失，後(hòu)續相關(guān)的渦輪(lún)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量計(ji)優化研(yan)究可從(cong)優化其(qi)流道内(nèi)速度分(fen)布入🏒手(shou)。

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